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降温设备永煤集团热电厂引风机一拖二并列运行变频改造高压变频器
摘要：本文介绍了永煤集团热电厂锅炉引风机高压变频的改造情况，详细分析了高压变频器一拖二的技改方案和节能效果，为高压变频器在电厂或其它行业类似的变频改造项目中一台高压变压器同时拖动并列的两台电机的应用提供了一定的理论和实践经验。
关键词：高压变频器 一拖二 节能 保护
1.变频改造工程基本情况 永煤集团热电厂位于商丘永城市，厂区占地面积330余亩，现有四个锅炉。装机容量4*25MW，担负着发电和向永城市供热的双重任务。其中3#锅炉两台引风机功率均为400kW，2#锅炉两台引风机功率均为355kW。电压等级为6kV,均为双机并联运行，采用入口挡板方式进行风量调节，挡板在40％－75％之间变化。 由于挡板节流损失大，运行效率低，而且在负荷经常变化时调节不及时等多方面原因导致浪费了大量电能。为了提高厂用电率降低煤耗，永煤热电厂于2006年开始进行变频改造。通过对国内外变频厂家的比较，最终选用技术成熟先进、性能稳定、售后服务完善的北京动力源公司HINV系列高压变频调速装置，在2006年对4#炉送风机（1400kW）进行了变频改造后，节能效果显著并且运行可靠性高。于2007年先后通过立项和考察，进行了多次研讨决定对2#、3#炉引风机进行了变频一拖二并列同时运行的立项改造。 2、变频改造方案分析 工程当前采用的是风机挡板调节,不论工况如何变化,电机均要运行在较高额定转速,通过调节风机挡板满足实际工况需要的风量，这样虽然满足了实际工况的风量需要，但是挡板调节时在节流装置上产生了很大的节流损失，浪费了大量的能量，同时设备的启、停对电网和设备的冲击，还会影响设备的使用寿命。 根据泵与风机学的知识，在风机、水泵类负载变流量、变压力的运行状况中，流量、扬程和消耗的能量之间有下面的关系：
风机/水泵的流量和电机转速成正比；
风机/水泵的全压/扬程和电机转速的平方成正比；
风机/水泵消耗的轴功率跟电机转速的立方成正比； 由电机学的原理：电机转速公式为n＝60f/p（1—s），式中n、f、s、p分别表示电机转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数。当工程采用变频调节时，直接通过改变频率来改变电动机的转速来满足不同工况的需求。此时电机消耗的能量将会以与电机转速立方的关系下降，因此变频调速的节电效果非常显著。 电厂2#、3#炉实际生产运行中，每个锅炉均配备一台送风机和两台引风机。三台风机同时运行：送风机给炉膛鼓风保证燃烧完全，引风机使得炉膛形成负压吸走废气煤灰。热电厂相关部门根据以上变频节能的种种优势，决定对2#、3#炉所对应的四台引风机进行变频改造，但考虑单台引风机功率较小，每台引风机配置一台变频装置成本过高，改造费用大大增加，最终经过研讨选用了动力源HINV系列一拖二变频调速装置，变频工程与负载的一次电气主接线原理图如下：
一拖二手动旁路方案 注：TF为用户图中等效高压变频工程。 变频工程旁路方案说明： 变频运行时：断开QS1，闭合QS2和QS3； 旁路运行时：断开QS2和QS3，闭合QS1； 6kV电源经用户输入真空开关QF1，通过变频装置进线刀闸QS2到高压变频调速装置，变频装置输出经出线刀闸QS3送至电动机；6kV电源还可以经旁路刀闸QS1直接起动电动机（考虑到变频器故障情况发生，将原高压开关柜进行了改造，重新选型了断路器。由增加的过流保护、微机保护装置对电机进行有效的动作保护，可在变频器故障时直启两引风机。具体增设的保护如下所述）。变频装置的输出刀闸QS3和旁路刀闸QS1互相闭锁，即QS2和QS1不能同时闭合。 旁路作用： 当变频装置工程检修时，可手动操作刀闸，形成明显断电点，能够保证人身安全； 当变频装置出现故障时，也可手动操作刀闸，将变频装置隔离，使负载在工频电源下正常运行，保证生产的安全、持续的运行。 电厂每个锅炉引风机型号、极对数均相同，且所带负荷相差不大，这就给变频器一同时拖动两台电机提供了有利条件，但要注意选变频器的选型。动力源公司按照两电机额定功率之和进行选配，并留有裕量，变频装置内的移相变压器容量选配为900kVA（2#炉引风机）和1000kVA（3#炉引风机）。而且在两台电机前增设了相应完善的保护措施，具体如下。 由于负荷的经常变化，引风机不可能处于一个开启一个关停的状态，因此旁路柜的设计将输出分为两个端口分别接至两电机电源进线侧。为防止其中一台电机故障造成变频器的损坏或过负荷运行，分别为每个锅炉引风机电机增加单独硬件的过流、过负荷保护，具体实施方案及创新点如下：
3#炉7#、8#引风机综保原理接线图（部分）
中国大唐集团公司陡河电厂#2发电机组(125MW)属于调峰机组,机组运行时基本带70-80%负荷,两台吸风机采用入口挡板调节。为了保证电机的安全稳定运行，选用的风机电机的备用容量较大。机组满负荷运行时，吸风机入口挡板开度约60%，机组调峰时，风机入口挡板开度约40%左右，能量损失大，风机效率低。为了进一步适应厂网分开、竞价上网的电力体制，节约能源，降低厂用电率，保护环境，减化运行方式，减少转动设备的磨损等，我公司决定在陡河电厂、下花园电厂及张家口电厂对部分风机、水泵采用高压变频器调速装置，我公司在国际上公开招标采购高压变频器。北京利德华福电气技术有限公司为国内唯一中标单位，并一举中标8台高压变频器。其中陡河电厂#2炉2台吸风机电机上分别加装一套北京利德华福电气技术有限公司生产的6kV/1000kW高压变频器装置。
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1.变频改造工程基本情况 永煤集团热电厂位于商丘永城市，厂区占地面积330余亩，现有四个锅炉。装机容量4*25MW，担负着发电和向永城市供热的双重任务。其中3#锅炉两台引风机功率均为400kW，2#锅炉两台引风机功率均为355kW。电压等级为6kV,均为双机并联运行，采用入口挡板方式进行风量调节，挡板在40％－75％之间变化。 由于挡板节流损失大，运行效率低，而且在负荷经常变化时调节不及时等多方面原因导致浪费了大量电能。为了提高厂用电率降低煤耗，永煤热电厂于2006年开始进行变频改造。通过对国内外变频厂家的比较，最终选用技术成熟先进、性能稳定、售后服务完善的北京动力源公司HINV系列高压变频调速装置，在2006年对4#炉送风机（1400kW）进行了变频改造后，节能效果显著并且运行可靠性高。于2007年先后通过立项和考察，进行了多次研讨决定对2#、3#炉引风机进行了变频一拖二并列同时运行的立项改造。 2、变频改造方案分析 工程当前采用的是风机挡板调节,不论工况如何变化,电机均要运行在较高额定转速,通过调节风机挡板满足实际工况需要的风量，这样虽然满足了实际工况的风量需要，但是挡板调节时在节流装置上产生了很大的节流损失，浪费了大量的能量，同时设备的启、停对电网和设备的冲击，还会影响设备的使用寿命。 根据泵与风机学的知识，在风机、水泵类负载变流量、变压力的运行状况中，流量、扬程和消耗的能量之间有下面的关系：
风机/水泵的流量和电机转速成正比；
风机/水泵的全压/扬程和电机转速的平方成正比；
风机/水泵消耗的轴功率跟电机转速的立方成正比； 由电机学的原理：电机转速公式为n＝60f/p（1—s），式中n、f、s、p分别表示电机转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数。当工程采用变频调节时，直接通过改变频率来改变电动机的转速来满足不同工况的需求。此时电机消耗的能量将会以与电机转速立方的关系下降，因此变频调速的节电效果非常显著。 电厂2#、3#炉实际生产运行中，每个锅炉均配备一台送风机和两台引风机。三台风机同时运行：送风机给炉膛鼓风保证燃烧完全，引风机使得炉膛形成负压吸走废气煤灰。热电厂相关部门根据以上变频节能的种种优势，决定对2#、3#炉所对应的四台引风机进行变频改造，但考虑单台引风机功率较小，每台引风机配置一台变频装置成本过高，改造费用大大增加，最终经过研讨选用了动力源HINV系列一拖二变频调速装置，变频工程与负载的一次电气主接线原理图如下：
一拖二手动旁路方案 注：TF为用户图中等效高压变频工程。 变频工程旁路方案说明： 变频运行时：断开QS1，闭合QS2和QS3； 旁路运行时：断开QS2和QS3，闭合QS1； 6kV电源经用户输入真空开关QF1，通过变频装置进线刀闸QS2到高压变频调速装置，变频装置输出经出线刀闸QS3送至电动机；6kV电源还可以经旁路刀闸QS1直接起动电动机（考虑到变频器故障情况发生，将原高压开关柜进行了改造，重新选型了断路器。由增加的过流保护、微机保护装置对电机进行有效的动作保护，可在变频器故障时直启两引风机。具体增设的保护如下所述）。变频装置的输出刀闸QS3和旁路刀闸QS1互相闭锁，即QS2和QS1不能同时闭合。 旁路作用： 当变频装置工程检修时，可手动操作刀闸，形成明显断电点，能够保证人身安全； 当变频装置出现故障时，也可手动操作刀闸，将变频装置隔离，使负载在工频电源下正常运行，保证生产的安全、持续的运行。 电厂每个锅炉引风机型号、极对数均相同，且所带负荷相差不大，这就给变频器一同时拖动两台电机提供了有利条件，但要注意选变频器的选型。动力源公司按照两电机额定功率之和进行选配，并留有裕量，变频装置内的移相变压器容量选配为900kVA（2#炉引风机）和1000kVA（3#炉引风机）。而且在两台电机前增设了相应完善的保护措施，具体如下。 由于负荷的经常变化，引风机不可能处于一个开启一个关停的状态，因此旁路柜的设计将输出分为两个端口分别接至两电机电源进线侧。为防止其中一台电机故障造成变频器的损坏或过负荷运行，分别为每个锅炉引风机电机增加单独硬件的过流、过负荷保护，具体实施方案及创新点如下：
3#炉7#、8#引风机综保原理接线图（部分）
中国大唐集团公司陡河电厂#2发电机组(125MW)属于调峰机组,机组运行时基本带70-80%负荷,两台吸风机采用入口挡板调节。为了保证电机的安全稳定运行，选用的风机电机的备用容量较大。机组满负荷运行时，吸风机入口挡板开度约60%，机组调峰时，风机入口挡板开度约40%左右，能量损失大，风机效率低。为了进一步适应厂网分开、竞价上网的电力体制，节约能源，降低厂用电率，保护环境，减化运行方式，减少转动设备的磨损等，我公司决定在陡河电厂、下花园电厂及张家口电厂对部分风机、水泵采用高压变频器调速装置，我公司在国际上公开招标采购高压变频器。北京利德华福电气技术有限公司为国内唯一中标单位，并一举中标8台高压变频器。其中陡河电厂#2炉2台吸风机电机上分别加装一套北京利德华福电气技术有限公司生产的6kV/1000kW高压变频器装置。
1、HARSVERT-A06/105型高压变频装置原理
变频装置采用多电平串联技术，6KV工程结构由移相变压器、功率单元和控制器组成。6KV系列有21个功率单元，每7个功率单元串联构成一相。
每个功率单元结构以及电气性能完全一致，可以互换，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图3所示的波形。
每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制。
输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，构成42脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。
另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，每个功率单元等效为一台单相低压变频器。
输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接成星型接法直接给高压电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图4所示的阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降
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