高压变频调速系统改造方案.doc

发电厂高压变频调速系统改造方案
著作者：谭文 2023-10
课题研究依据：按照国家发展改革委等部门《关于印发千家公司节能行动实行方案的告知》和《关于印发广东省重点耗能公司“双千节能行动”实行方案的告知》的文献规定，根据“十一五”节能规划。
根据本电厂厂用电系统锅炉风机容量设计配置存在选型过大，风机靠风机挡板调整风量，能量损失很大，循环水系统由于设计四台循环水泵均按50%负荷配置，不能接季节水温进调整运营方式，增长了厂用电。2023年由我拟定技改课题和目的，进行可行性分析，勘察，设计，拟定技术改造方案、原理设计图及施工设计图。加装高压变频器用变频根据锅炉需风量调整风机出力和用一拖二变频器变频调节电机转速的方法来控制流量，减少其电耗，节电效果达30%以上。于2023年4月进行了技术改造（见课题研究：发电厂高压变频调速系统改造方案）。

发电厂高压变频调速系统改造方案
1． 概述
1.1应用高压变频器的必要性
目前减少厂用电率，减少发电成本，提高上网电能的竞争力，已成为各发电厂努力追求的经济目的。近几年电网的负荷峰谷差越来越大，频繁的调峰任务使部分辅机仍然运营在工频状态下，导致大量电能流失。电厂重要用电设备如引风机等高能耗设备，其输出功率不能随机组负荷变化而变化，只有通过改变档板或阀门的开度来调整，导致很大部分能量消耗在节流损失中。
为了提高发电机组的生产效率、减少能耗以及系统的综合可靠性，风机、水泵的驱动系统拟采用全数字交流高压变频器实行控制。高压变频调速系统是直接串联于高压电源与高压电机之间的变频调速设备，以其现场改造、安装方便以及安全、良好的运营性能正快速的替代其它调速产品，全面的进入到电力行业的节能改造项目中。运用高压变频调速技术的目的是改变设备的运营速度，以实现调节现场工况所需风压、风量的大小，大大提高了系统的自动化限度，既满足了生产规定，又达成了节约电能，并且减少了因调节挡板而导致挡板和管道的磨损以及因经常停机检修所导致的经济损失，同时使维护量大大减少，为发电厂可带来了可观的效益，切实响应了国家节能降耗的号召。

2.本电厂实行高压变频器的可行性：
2.1本电厂可实行高压变频改造设备运营工况及参数：
1）一次风机参数——目前为工频启动（共2台）
额定参数
设备型号
（产地、日期）
2118 AB/1135
匹配电机型号
（产地、日期）
YKK6301-4
长沙电机厂
轴功率(kW)

额定功率(kW)
1800kW
额定流量 (m3/h)
208309 m3/h
额定电压(kV)
6 kV
压力 (Pa)
23.66 kPa
额定电流(A)
200 A
额定转速( r/min)
1480 r/min
额定转速(r/min)
1493 r/min
效率

功率因数
0.866

2）、二次风机参数——目前为工频启动（共2台）
额定参数
设备型号
（产地、日期）
GF50N-650D190
匹配电机型号

XKK450-4
轴功率(kW)

额定功率(kW)
630kW
额定流量 (m3/h)
107573m3/h
额定电压(kV)
6 kV
压力 (Pa)
14.521KPa
额定电流(A)
74.7 A
额定转速( r/min)
1485r/min
额定转速( r/min)

效率

功率因数
0.812

3）、给水泵参数-目前为工频启动（共4台）
额定参数
设备型号
（产地、日期）

匹配电机型号

YKS560-2
沈阳电机厂
轴功率(kW)
1420kW
额定功率
1600KW
额定流量 (m3/h)
290m3/h
额定电压
6 KV
扬程
1500m
额定电流
187A
额定转速(r/min)
2985 r/min
额定转速
2985r/min
效率

功率因数
0.88

3）、循环水泵参数-目前为工频启动（共3台）
额定参数
设备型号
（产地、日期）
KPS40-700
匹配电机型号

轴功率(kW)
kW
额定功率
450KW
额定流量 (m3/h)
6070m3/h
额定电压
6 KV
压力（扬程）
20.5 m
额定电流
75A
额定转速(r/min)
750 r/min
额定转速
742r/min
效率

功率因数
0.81

2．2 在负载上，选用高压变频器，其可行性如下：
1） 将高压变频器串联在高压开关柜与高压电机之间即可。变频器的所有部件采用内部连线，用户只须连接高压输入、高压输出、AC220V控制电源和控制信号线即可；
2）高压变频器采用“单元串联多电平结构”，
4） 该高压变频器适应于中国用户电网工况，主电源+15%～-35%波动不断机，瞬时失电5个周期可满载运营不跳闸，掉电20s内不会停机；
5） 输入功率因数高，网侧不需要添加功率因数补偿装置；
6） 电流谐波少，满足国际、国家标准规定，对电网没有谐波污染；
7） 输出阶梯正弦PWM波形，无须输出滤波装置，可接普通电机；
8） 对电缆、电机绝缘无损害，电机谐波少，减少轴承、叶片的机械振动，输出线可以长达1000米；
9） 功率电路模块化设计，维护简朴；
10）高压主回路与控制器之间为光纤连接，安全可靠；
11）完整的故障监测电路、精确的故障报警保护；
12）干式移相变压器在柜体中内置，安装方便，免维护；
13）内置PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要；
14）可灵活选择现场控制、值班室远程控制，可通过电话网络遥测遥控；
15）可接受和输出0～10V/4～20mA工业标准信号；
16）直接内置PID调节器，可开环运营，可闭环运营；
17）全中文操作界面，具有无噪音、无运动部件、大容量数据存储、使用寿命长的特点，适应于一般值班人员的水平；
18）可进行运营数据和操作记录，打印输出运营报表；
19）完整的通用变频器参数设定功能；
20）设备安装调试、参数设定方便快捷。
3．系统方案说明
本次改造重要涉及以下几方面：系统主回路控制方案、高压变频器配置参数、变频器系统控制方案、现场施工方案、散热方案。本项目还涉及到土建施工、电气安装、高压电气实验和工艺的调试等工作，我们将相关环节介绍如下：
3.1 系统主回路控制方案
一拖一手动系统成套设计方案如下：
方案：此方案是手动旁路的典型方案。原理是由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3和高压开关QF、电动机M组成（见左图）。规定QS2和QS3之间存在机械互锁逻辑，不能同时闭合。变频运营时，QS3断开，QS1和QS2闭合；工频运营时，QS1和QS2断开，QS3闭合。高压开关QF、电动机M为现场原有设备。

功能:在检修变频器时，有明显断电点，可以保证人身安全，同时也可手动使负载投入工频电网运营。
改造时，将高压变频器串联进现有高压开关柜与高压电机之间，正常工作时采用变频回路，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运营时，采用原有的工频启动方式。
对于设备配套的相应高压变频器，本技术方案可选择利德华福无谐波系列高压变频器。该系列变频采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。变频器具有对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，不需要更换电机。

3.2 变频器系统控制方案
3.2.1负载设备运营工艺介绍
Ø 给水泵：
给水系统是指锅炉的水系统，它不断地向锅炉供应给水以保证正常的水循环。
给水泵将除氧器的水升压后送往高压加热器，通过给水操作台进入锅炉的省煤器，省煤器将给水加热后送往汽包，下降管把汽包的水分派到水冷壁的各个下联箱，水冷壁吸取炉膛高温火焰（烟气）的辐射热使水变成汽水混合物，汽水混合物进入汽包进行汽水分离，分离出来的水继续进行水循环，分离出来的饱和蒸汽进入顶棚过热器。

Ø 循环水泵：
将汽轮机凝汽器使用的冷却水降温后又输入凝汽器循环使用的闭式供水系统。
经凝汽器使用后温度升高了的水通过排水管进入冷却水塔冷却（补充水也进入冷却塔），然后通过输送冷却水的管路进入吸水井，循环水泵从吸水井并将水压升高后送入凝汽器循环使用。此外，循环水泵的出水也送到冷油器等处作为冷却水。
Ø 一次风机：
在电厂燃煤机组中，一次风是锅炉的燃料输送系统的重要动力来源。典型的直吹式燃煤锅炉系统。系统重要由球磨煤机、一次风机、空预器等设备组成。磨煤机磨制的煤粉通过一次风管直接进入炉膛燃烧，系统通过控制一次风量实现锅炉负荷的控制。

3.2.2 系统控制方案
1. 循环水泵：
变频调速系统进入发电机组现有的DCS系统。DCS根据机组的负荷情况，按设定程序实现对锅炉循环水泵电机转速的控制。
循环水泵调速由操作人员通过DCS系统的CRT上的模拟操作器，参照凝汽器的真空度和外界气温，对DCS的输出值进行调节，此输出值为反馈给变频器的4-20mA标准信号，相应不同的频率（速度）给定值，变频器通过比较转速输出量与DCS速度给定之间的大小，自动调节电动机的转速，实现循环水泵转速控制，从而达成调节水量的目的。
在此基础上，通过一段时间的积累，可将不同负荷和温度下的给定值绘制成曲线，定出安全的上下限，制成循环水泵调速专用算法，同时运用热工一次测量元件，将采集的负荷和温度参数的变化值送到机组DCS系统中，在机组DCS系统中，进行控制运算，将计算结果形成4-20mA的速度给定指令信号，反馈给变频器，变频器通过比较转速输出量与DCS速度给定之间的大小，自动调节电动机的转速，实现循环水泵的转速自动控制。

2. 给水泵：
给水泵变频运营方式分为手动控制及汽包水位PID调节自动控制两种。正常情况下，变频泵作为运营泵长期运转，调节器发出调整门全开指令，主给水调整门和低负荷调整门处在100％全开状态；由变频器接受远方调节器的自动转速控制信号调节给水泵流量满足不同负荷的需求。
5.1.1 现场工况及负载技术数据
1）一次风机运营参数
实际运营参数
全年运营负荷
工况1
工况2
工况3
阀门开度（%）
50%

实际运营电流(A)
123A

实际运营电压(kV)
06 kV

实际运营功率因数
0.866

实际风机全压（Pa）
12kPa

实际流量(m3/h)
——

年运营时间（h）
7000

年平均电价(元/度)
0.5

2）、二次风机运营参数
实际运营参数
全年运营负荷
工况1
工况2
工况3
阀门开度（%）
90%

实际运营电流(A)
51A

实际运营电压(kV)
06 kV

实际运营功率因数
0.812

实际风机全压（Pa）
8.5KPA

实际流量(m3/h)
80000

年运营时间（h）
5000

年平均电价(元/度)
0.5

3）、给水泵运营参数-目前为工频启动（共1台）
实际运营参数
全年运营负荷
工况1
工况2
工况3
阀门开度（%）
100%

实际运营电流(A)
180 A

实际运营电压(kV)
06 kV

实际运营功率因数
0.88

实际风机全压（Pa）
10MPa

实际流量(m3/h)
280t/h

年运营时间（h）
5000

4）、循环水泵运营参数-目前为工频启动（共1台）
实际运营参数
全年运营负荷
工况1
工况2
工况3
阀门开度（%）

实际运营电流(A)
40A

实际运营电压(kV)
06kV

实际运营功率因数

实际风机全压（Pa）

实际流量(m3/h)

年运营时间（h）

年平均电价(元/度)
0.5

3.工频状态下的耗电量计算
Pd：电动机功率 ；Cd：年耗电量值 ； U：电动机输入电压 ；I：电动机输入电流 ；cosφ：功率因子； T：年运营时间；δ：单负荷运营时间比例
电机耗电功率计算公式：Pd =×U×I×cosφ 　…①
累计年耗电量公式：Cd= T×∑（Pd×δ）　…②
根据计算公式①②，通过计算可得出工频情况下各负载的耗电量如下：
表一
项目
设备名称
设备工频运营功率
Pd(kW)
设备工频的年耗电量
Cd(kW·h)
设备工频的年耗电费
(元)
一次风机
1106.935
7748545度
3874272.5元
二次风机
430.354kW
2151770度
1075885元
给水泵
1646.093kW
8230465度
4115232.5元
循环水泵
kW
度
元

4. 变频状态下的年耗电量计算
1) 对于风机负载，变频状态下的计算如下：
P＇：风机实际轴功率 ； P0：风机额定轴功率 ；Cb：年耗电量值；
＇：风机实际流量 ；0：风机额定流量；H＇：风机出、入口压力差 ；
H0：风机额定风压；T：年运营时间；δ：单负荷运营时间比例
计算公式： …③
网侧消耗功率： …④
累计年耗电量公式：Cb= T×∑（Pb×δ）　…⑤
电动机效率与电动机负荷率β之间的关系如图一所示。
变频器效率与系统负荷率β之间的关系如图二所示

查图得出：
项目
设备名称
电动机效率
变频器效率
一次风机
0.9
0.95
二次风机
0.9
0.95

2）、对于水泵负载，变频状态下的计算如下：
Pd’：电动机轴功率 ； P′：水泵轴功率 ；：电动机效率 ；：变频器实际效率 ；Q：水泵出口流量 ；H：水泵出、入口压力差，λ:管网特性系数。
由轴功率：P′= …⑥ ，
代入水泵的额定值，得出其管网特性系数λ。
将水泵在不同负载下的、压力、流量值分别代入上式，可以求得轴功率。
综合考虑到电动机效率和变频器的效率，
查图得出：
项目
设备名称
电动机效率
变频器效率
给水泵
0.92
0.95
则网侧消耗功率： …⑦
累计年耗电量公式：Cb= T×∑（Pb×δ）…⑧

根据计算公式③④⑤⑥⑦⑧，通过计算可得出变频情况下各负载的耗电量如下：
表二
项目
设备名称
设备变频后运营功率
Pd(kW)
设备变频的年耗电量
Cd(kW·h)
设备变频的年耗电费
(元)
一次风机
760 kW
5320230度
2660000元
二次风机
329.368 kW
1646840度
823420元
给水泵
1094.213kW
5471065度
2735532.5元
循环水泵
kW
度
元

5、节能计算
年节电量：ΔC= Cd－Cb … ⑨
节电率=（ΔC/Cd）×100% …⑩
变频改造后，根据公式⑨⑩，可计算出各负载上变频后与工频相比每年的节电情况如下：
表三
项目
设备名称
年节电量
年节电费
节电率(％)
一次风机
214675度
1214272元
31.3%
二次风机
504930度
252465元
23.5%
给水泵
2759400度
1379700元
34%
循环水泵
度
元
20%

注：以上计算均属于理论计算值，存在±5%的偏差。
由于循环水泵根据符合大小通过启动泵的数量调节，每次阀门都为全开，所以不存在能量上的损耗，但是实际流量和压力都会高于需求值，所以改变频后可以通过调频达成抱负值。