660MW 机组动叶可调引风机中变频装置的应用技术研究
慎玉明（河南许昌龙岗发电有限责任公司 河南禹州 461690）
作者简介：慎玉明性别:男学历:大专职称:工程师研究领域:发电领域。
摘要：节约能源已经成为我国的一项基本国策，而国家“十二五”规划中也对“节能减排”设立了目标：到2015年，单位GDP能耗降低17.3%；主要污染物排放减少8%-10%。目前，我国660MW火力发电机组动叶可调型引风机电机功率高达6300kW,耗电量还比较大，还有一定的节电空间。通过对河南许昌禹龙发电有限责任公司660MW机组锅炉风烟系统的运行参数、电能利用率、经济性实际分析和理论计算，实现变频器在大功率动叶可调引风机上的应用，来提高电机传动系统运行效率，实现节能降耗目的尤为重要。
关键词：变频器功率单元变压器引风机
1前言
变频器调速是目前交流电动机最理想、最有前途的调速方案。近代交流传动逐渐成为电气传动的主流。异步电动机调速系统中，效率最高、性能最好的是变频调速系统。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用环境中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。在风机、水泵、压缩机等领域，变频器可以取代传统的通过限流阀和回流旁路技术，充分发挥节能效果。重化工业企业在使用风机、水泵专用变频器后，调整生产速度，优化了生产工艺，达到了显著的节能效果。在电力、冶金、石油石化、市政供水、水泥行业，高压变频调速的交流电机系统的经济价值正在得以体现。
2 660MW机组引风机加装变频装置可行性调研、分析
2.1 660MW机组引风机进行的必要性
许昌禹龙发电有限责任公司#3机组分别于2009年6月与12月通过168小时试运。该机组锅炉所选用引风机电机功率高达6300kW，正常运行中耗电量极大。
本公司机组实际运行中，由于经常要参与调峰，很多情况下引风机都在较低负荷下运行。经计算可知：锅炉最大出力工况下，引风机机组的电能利用率仅为70%，电能利用率偏低。在其它更低的负荷下，引风机的电能利用率就更低了，其中75%THA工况时电能利用率为51.8%；50%THA工况时电能利用率仅为27.2%。
上述数据表明：实际运行中，引风机在不同负荷下，风机机组的电能利用率差别较大，尤其是低负荷时，引风机对电能的有效利用率很低，存在巨大浪费。因此，为节省能源消耗，对本公司引风机进行变频改造是很有必要的。
2.2调查研究的主要依据、过程及结论
许昌禹龙发电有限责任公司#3机组引风机电机采用的是动叶可调的轴流式风机，通过对动叶可调风机特性、变频调节特性的研究，并通过对实际运行数据的计算与分析，可知该风机仍有较大的节能空间。计算与分析过程简介如下：
2.2.1引风机运行工况与节能相关计算
从性能试验报告上可知，许昌禹龙发电有限责任公司#3机组共2台引风机的运行工况及参数基本相同，为方便起见，本可研报告以#3机引风机为例进行相关的计算和研究。计算结果详见下表：
通过对机组性能试验相关数据进行计算，可知在实际运行中，本厂引风机在不同负荷下，风机机组的电能利用率还是有很大差距的。
锅炉最大连续出力工况，机组电负荷698.6MW时，引风机的动叶角度也只开到70%左右，在一定程度上影响了风机效率。通过计算可知：锅炉最大出力工况下，引风机机组的电能利用率仅为70%，电能利用率偏低。
从风机设计参数（见第2.4节）来看，风机设计的全压为9545Pa，所选电机额定功率为6300kW，额定电流为706A。在实际运行中，即使是锅炉最大出力工况，风机运行参数（见上表）与设计值相差较远。由此可知，机组运行中，大多数情况下引风机都在其较低负荷下运行，这一点对风机效率是有明显影响的。
在其它更低的负荷下，引风机的电能利用率就更低了，其中75%THA工况时电能利用率为51.8%；50%THA工况时电能利用率仅为27.2%。
这些数据表明本厂引风机还有较大的节能空间。变频调速具有节能效率高、调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用环境中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。因此，有必要对引风机使用变频技术进行节能改造进行深入的研究论证。
2.2.3动叶开度变化时的节能分析
从试验数据可以看出，当机组负荷达到最大出力时，引风机动叶转速仅开到70%左右，从风机机组电能利用率随动叶开度变化而变化的图中可以看出，若动叶继续开大达到最佳开度（可通过试验确定最佳开度），电能利用率应会有进一步的提高。
图2.1引风机动叶开度%
根据变频器的特性，变频器自身效率较高，可按97%考虑。同时，结合上图风机电能利用率【1】的变化趋势，我们可以认为在机组最大出力工况下，风机变频运行时的风机机组电能利用率也完全可以达到70%。这个假设数据应该是比较保守的，也是完全可以达到的。即综合考虑各方面因素，当锅炉在最大出力工况时，可以认为引风机在变频运行方式下的电能利用率与其工频时的相同，即都为70%。
以此分析为基础，我们按风机保持高效率和相似理论分别进行节能效果的计算与分析。用两种不同方法分别计算是为了相互印证。
2.2.4按风机保持高效率计算节能效果
采用变频后，风机动叶可保持在全开或开度较大的最佳状态，通过变频调整转速来调节风量，这样风机就能保持在高效区运行。根据风机变频运行特性及经验，我们可认为各负荷工况下风机机组电能利用率均能达到70%，并依此进行相关计算，详见上表。
根据计算可知：风机的节电量和节能效率随负荷降低而明显增加,当机组负荷为75%THA时，单台引风机节电量达616.9KW，节电率达到25.9%；当机组负荷为50%THA时，单台引风机节电量达到1140.8KW，节电率高达61.1%。
由此可见节能效率非常明显。
2.2.5按风机相似理论计算节能效果
在本文第4.3节分析的基础上，我们再利风机相似原理，从另一个角度即利用风机相似理论对引风机的节能效果进行评估与验证。
根据风机相似理论，风机的流量与其转速成正比，压力与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。当风机转速降低后，其轴功率所需的电功率亦可相应降低。通过变频改变风机转速时可对轴功率产生较大的影响。
当引风机采用变频时动叶全开或在较大位置，因风机在锅炉最大出力工况下仍有一定余量，我们暂假定此工况下变频器频率为48Hz，并按第4.3节分析将此时风机机组电能利用中率仍设为70%。根据计算可知，风机的节电量和节能效率随负荷降低而大幅减小,当机组负荷为75%THA时，单台引风机节电量达到722KW，节电率达到30.4%；当机组负荷为50%THA时，单台引风机节电量达到1272.5KW，节电率高达68.2%。
根据风机相似理论进行推算与上节按电能利用率进行推算的结果大致是吻合的度。
2.2.6经济效益推算
实际运行中，通过加装变频来节能与风机经常运行的负荷工况有直接的关系，不能一概而论。我们暂按机组全年负荷率为75%THA来考虑，则改造后每台引风机节电率可达到25.9%,节电量平均为616.9kW。按风机年运行6000h，则每台风机每年可节约电费616.9×0.42×6000＝1554588元≈155万元。
2.2.7计算数据结论
许昌禹龙发电有限责任公司#3机组引风机电机采用的是动叶可调的轴流式风机，但通过对实际运行数据的计算与分析可知，该风机仍有较大的节能空间。
根据测算，若按电厂机组平均负荷75%THA考虑，引风机采用变频运行方式后，节电率可达25.9%。双台引风机变频改造后，每年可节约电费约155万元，经济效益显著。
引风机变频调速改造使得变频启动时，基本上无冲击电流，其电流是从零开始，随着转速的上升而增加，最大不会超过额定电流，这就消除了对电机的冲击力，解决了启动时大电流对电机的冲击，随着电机耗能的下降，电机发热量也随之减少，延长了电机的使用寿命。变频调速运行时，由于低风量时的转速低，这就降低了风机及系统的噪声，改善了运行环境。
2.3原系统或设备的基本情况
该改造项目属于新增加设备，原无变频设备。
2.4存在的主要问题
无
2.5 需要通过技术改造解决哪些问题
实现节能。
3方案论证
3.1方案描述
本方案计划在许昌禹龙发电有限责任公司#3机组引风机上进行变频改造。变频装置本体采用日本三菱公司自主研发的大容量TMdrive MVG-7600kVA/6kV高压变频器。该装置采用了4500V/4000A高压大容量IGBT器件。
主要装置包括：变频器本体、设置变频装置小间及冷却装置。
变频器本体：TMdrive MVG-7600kVA/6kV大容量高压变频器装置二套，由日本三菱公司提供。装置主要由移相变压器、功率单元、控制系统、电抗器单元、旁路柜等组成。
设置变频装置小间及冷却装置：一台引风机变频装置包括两台变压器柜、两台功率单元柜、一个刀闸柜、一个电抗器柜和一个控制柜，一台炉有两台引风机变频装置（3A/3B）。两套装置安装在同一个房间，采用水冷室内循环方式，冷却水系统有一间水泵房（两台30kW的水泵，一用一备），采用机组开式冷却水进行冷却，水源取自循环水出口母管。占用整套设备占地约为400平方米。
同时配套设置电缆沟、电缆桥架、照明、冷却器、冷却水管道、阀门等。
3.2预期达到的效果
按机组全年负荷率为75%THA来考虑，则改造后单台引风机节电量为616.9 kW,节电率可达到25.9%%。
同时，引风机变频调速改造使得变频启动时，基本上无冲击电流，延长了电机的使用寿命。变频调速运行时，由于低风量时的转速低，这就降低了风机及系统的噪声，改善了运行环境。
另外：目前，国内大型电站尚无大功率变频器在风叶动调引风机中的应用案例，首台大功率变频器在风叶动调引风机中的投运意义重大。项目完成后，将给企业带来可观的经济效益，同时也将填补我国发电机组大容量高压变频器在风叶动调引风机中的应用空白，为电力企业节能工作做出历史性贡献。
3.3施工方案、过渡方案
项目实施过程中基本不影响机组正常运行。动力电缆敷设、逻辑修改及下装等需要停机。
3.5从技术、效果、经济等方面论证其实施可行性、合理性、存在问题和解决办法
本厂引风机变频改造项目中，防止风机出现喘振等是最重要的一个环节。必须制定出切实可行的安全措施，确保发电机组与设备的运行安全。
当风机发生喘振时，风机出现周期性的出风与倒流，严重的喘振会导致风机叶片疲劳损坏等事故。当锅炉两台引风机控制不当时更易发生喘振现象，必须采取可靠措施，确保设备与机组安全。
防止风机喘振，主要是要保证风机能在稳定区域工作，其中最重要的一条是确保两台风机出力基本相同，防止出力偏向某一侧。主要措施如下：
1、加装烟气量测量装置，利用专设的调平回路控制两侧烟气量基本平衡。
2、减少烟风道积灰堵塞，防止系统阻力过大。
3、风机长期在低出力下运转时，变频装置自动调节引风机电机的处出力。
当一台引风机变频器故障时，两台引风机就会造成“一工一变”运行时，为防止两台风机出力出现偏差较大时导致风机进入到不稳定区域，需要设计一套“调平回路”来应对，现提出以下控制策略。
首先，设计一套无扰的切换回路，保障引风机变频器调节回路和负压调节回路可以实现无扰切换，当出现极端情况时，可保障动叶调节负压回路的正常使用。其次，设计一套变频调节控制回路，其主要的框架为一台引风机变频器指令来调节炉膛负压，另一台引风机的动叶进行“调平控制”。同时由于变频器本身的特性较为稳定，在使用变频器调节后，负压更稳定。
调平回路的难点在于设计一个可靠的调平量供工频运行的引风机使用，常规情况下引风系统的出力监视靠引风机进出口的压力偏差和电流偏差进行监视，但这些量在进行调平控制时，其精度难以保障，不能直接使用。为此，建议在引风机入口处专门增加一对风量测点，在加装风量测点后，通过多负荷点的引风机出力特性试验来对引风机进出口的压力偏差进行修正，使其能在各个工况下均能反映出引风机的真实出力，从而保障两侧引风机运行稳定，两侧出力相对平衡。
由于引风出口的风质相对来说杂质较多，增加的风量测点要具有一定的耐磨性和有效的防堵措施。同时在此基础上，设计增加两个报警，根据风量和风压的函数曲线与风机的设计出力特性进行比较，当逻辑发现风量和风压不对照时，说明风机运行接近不稳定区，进而有效的报警，提醒运行人员手动进行干预。
4项目规模和主要内容
4.1项目方案及内容综述
双台引风机变频改造，变频装置本体采用日本三菱公司自主研发的大容量 TMdrive MVG-7600kVA/6kV 高压变频器。主要设施包括高压变频器本体、变频装置小间、冷却装置。无需重新选址。
5投资估算表
TMdrive MVG-7600kVA/6kV大容量高压变频器装置二套。装置主要由移相变压器、功率单元、电抗器、控制系统、旁路柜等组成。一台炉两台变频器设备及施工合计费用预计1500万左右，5年可收回成本。
6结论：
综上所述，通过对许昌禹龙发电有限责任公司3号炉风烟系统运行数据、投资费用、节能效果等方面综合分析，TMdrive MVG-7600kVA/6kV大容量高压变频装置在660MW机组动叶可调引风机中推广应用是完全可行的，建议尽快实施。
参考文献
【1】. ANT—3200/1600 B-安装、运行、维护说明书.豪顿华工程有限公司，2008 .03.07