自動旁路型智能高壓變頻調速系統在CFB鍋爐風機高壓變頻改造應用

浙江江山虎熱電有限公司作為何家山水泥有限公司（江山虎集團）的余熱發(fā)電生產線，擔負著向何家山水泥2500t/d生產線供電的任務。自備電廠配置75t/h循環(huán)流化床鍋爐1臺、余熱鍋爐2臺，母線電壓10.5kv。主要輔機情況如表1所示。

　　發(fā)電機組設計出力為15mw，蒸發(fā)量75t/h左右，正常運行時機組滿負荷運行，但由于鍋爐輔機系統設計選型初期考慮到冷空氣動力場測試、強風吹掃的工藝要求，針對風機匹配系數（s.f.）都留有裕度，當發(fā)電機組處于長期發(fā)電運行中，其需要的風量都小于上述工藝的要求，造成鍋爐輔機系統大部分時間都基本上屬于大馬拉小車的局面。

2　自動旁路選型的初衷

作為何家山水泥生產線最重要的生產動力源，自備電廠負荷較大波動將直接影響到整條水泥生產線產量。為保證鍋爐機組出力的穩(wěn)定性，而火力發(fā)電機組最重要的輔機機組一次風機、二次風機、引風機變頻改造后運行的可靠性就是用戶最關心的問題，為保證風機在變頻調速狀態(tài)下能夠無擾動地、平穩(wěn)地切換到工頻和在工頻運行狀態(tài)下，無擾動地、平穩(wěn)地切換到變頻運行狀態(tài)下是非常必要的，日常維護保養(yǎng)和故障處理均需要這一功能。所以改造設計中都考慮有工頻旁路系統，其切換方式一般有兩種方式：一為刀閘切換的手動旁路系統，適用于對工藝實時性要求不高的用戶（例如供水行業(yè)、存在壓火運行時段的cfb鍋爐、調峰機組、存在熱備用設備等等）;二為開關切換的自動旁路系統，對于實時性要求很高，工藝不允許有中斷生產線重要設備。前者切換方式比起后者初投資較?。ㄖ皇情_關與刀閘的差價），但是要求在斷開進線開關，停止風機運行的情況下進行工/變頻切換。在現行滿負荷運行的條件下，是不允許停止引風機和一次風機的。只能在低負荷壓火運行時經過系統調度允許時才能進行，此時發(fā)電機組也會受到較大影響，這是用戶所不允許的。因此用戶經過多方考證最終決定選用智光電機zinvert智能高壓變頻調速系統自動旁路系列。

　　工/變頻互切的關鍵問題就是切換過程的同期問題，在解決變頻器運行過程中內部出現故障可靠地切換到工頻，早期已經能夠很好的解決;但變頻器檢修完畢，對用戶工藝運行系統不造成影響，電機在旋轉狀態(tài)下可靠地由工頻瞬間轉換至變頻運行，沒有技術的保證是不行的，智光電機自主研發(fā)stt（speedtracingtechnology）專利技術有效地解決了這一技術瓶頸，眾所周知工頻切換變頻，瞬時電機定子電源失電后由于轉子殘流、剩磁產生的頻率、幅值衰減的定子殘壓、變頻器輸出不能承受與發(fā)電機非同期并網的類似沖擊，一般的變頻器會過流保護，運用此技術可確保電機在調速范圍內的任何轉速下，無需停車即可直接啟動系統，啟動時無任何電流沖擊，真正實現“飛車啟動”，此技術不但可以有效實現工/變頻自動無擾切換，而且對于用戶母線緊急切換、減小瞬時可恢復性故障（電力電子設備多偶爾由干擾引起的軟故障）造成對用戶負載的間斷，這保證工藝持續(xù)性工作具有重大意義，大大提高高壓變頻器的可靠性。圖1所示為zinvert高壓變頻瞬停失電重啟試驗波形。

3　自動旁路方案設計

　　3.1　一次主回路設計（一次風機、二次風機、引風機均滿足此要求）

　　每臺風機按一拖一方式配置（即一臺高壓變頻調速系統拖動一個負載），其電氣接線圖如圖2所示。

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　　該方案在設計中考慮了如下問題：

　?。?）刀閘k1、k2、k3、k4無機械閉鎖功能，只是在檢修時由手動斷開以形成明顯的斷開點，確保工作人員的安全。在工頻和變頻運行狀況下均處于閉合狀態(tài)。

　　（2）工頻旁路接觸器j3與變頻進線接觸器j1、變頻出線接觸器j2具備電氣閉鎖功能，不能同時閉合。

　?。?）在變頻運行狀況下，j1、j2閉合，j3斷開。如需自動切換至工頻運行，此時先停止變頻器輸出，跳閘用戶10kv開關柜，再由電氣控制依次斷開j2、j1，然后閉合j3使電機切換至工頻側，再合閘開關柜，使電機工頻運行。

　?。?）在工頻旁路運行狀況下j3閉合，j2、j1斷開。如需自動切換至變頻運行，此時由電氣線路控制先跳閘10kv開關柜，再斷開j3，然后依次閉合j2、j1，再合閘開關柜，啟動變頻器，完成由工頻旁路運行到變頻運行的自動切換。

　　3.2　二次控制回路說明

　　變頻器全部交由上位機dcs控制，對用戶的接口說明如下：

　　（1）集控室操作員站根據現場工藝要求通過標準4～20ma調速信號控制變頻器轉速輸出，變頻器通過4～20ma模擬信號實時反映現場電機運行電流、電機運行轉速（ai兩路、ao一路）;

　?。?）變頻器運行、停止、待機，輕故障報警、重故障停機、遠程/就地控制方式、工頻旁路/變頻狀態(tài)量實時上傳上位機（di節(jié)點若干，根據改造需要進行拓展或縮減）;

　　（3）變頻器啟動、停止、急停、報警解除為用戶控制變頻器do節(jié)點;

　?。?）電氣聯鎖信號：高壓合閘允許、跳閘信號、合閘信號、用戶開關位置接至原用戶斷路器控制回路;

　?。?）工藝聯鎖信號：關用戶風門信號（di）、風門位置信號（do）。

　　工藝聯鎖信號說明：在高壓變頻自動由變頻轉工頻運行時，風機會有轉速的突變，風量突然增大可能導致爐膛熄火或者難以滿足爐膛負壓。所以在考慮高壓變頻器自動變頻轉工頻運行時，高壓變頻器首先會給用戶發(fā)出一個關用戶風門信號，然后要求用戶回饋風門關閉信號給高壓變頻器。高壓變頻器接到此信號后會自動合閘斷路器，風機工頻啟動。

　　風門關閉到位信號是用戶根據風門的開度自行判斷后發(fā)出的，其邏輯是當風門關閉到某一設定開度以下時，dcs系統發(fā)出“風門關閉到位”信號給高壓變頻器;當風門處于某一設定開度以上時，“風門關閉到位”信號接點斷開。風門開度的確定是由用戶根據現場設備情況確定的，應是電機工頻啟動時風門的允許最大開度，判斷風門開度并發(fā)出信號是由用戶的dcs系統完成的。

　　聯鎖風機擋板保持爐膛負壓穩(wěn)定在允許范圍內是自動旁路的必要條件，否則整套鍋爐系統自動投入mft大聯鎖，壓火運行。

4　自動旁路方案實踐

　　廣州智光電機有限公司的zinvert高壓變頻調速系統自動旁路功能應用成熟，在本工程投運初期，在負荷85％比較穩(wěn)定的情況下未并網運行前期對自動旁路、工/變頻互切功能做了全面的考核，高壓帶負荷變頻運行狀態(tài)下模擬一重故障跳閘信號實現變頻轉工頻，自動投切過程僅用時10s左右（包括風門關閉到位時間），投切過程中爐膛負壓波動不大，負荷保持穩(wěn)定，得到了用戶的充分肯定。在變頻系統就緒的情況下，“stt”技術可靠地保證平穩(wěn)地實現了工頻到變頻的切換，切換過程很平穩(wěn)，電機按照變頻設定轉速自行調整，無任何沖擊，負荷波動不大。所有操作（除變頻故障模擬）均在上位機完成，操作簡單，旁路過程全部自動完成，實現了真正的節(jié)能自動化改造。

　　自動旁路過程說明：

　?。?）變頻轉工頻：

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　?。?）工頻轉變頻：

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　?。?）需要注意的問題：根據現場工況的不同要求，風門從全開到設定范圍的關閉時間是通過現場試驗來確定的，沒有固定數值可參考，確定后plc在程序中可以相應修改其延時周期;許多工藝mft都是做在電機進線開關，變頻改造后工/變頻互切過程都有跳進線開關的過程，此瞬間暫時解除此聯鎖，設置延時來滿足轉換過程中瞬時的分合閘要求。如果變頻器的進線接觸器采用斷路器（可分斷故障電流）則不必跳進線開關，連鎖邏輯就不必做改動了。

5　變頻改造收益

　　5.1　節(jié)能效果評估

　　變頻投入運行后截取滿負荷，母線電壓10.5kv，蒸發(fā)73～80t/h，發(fā)電量16mw穩(wěn)定后截取2007年7月9日0:00至7月11日16:00進行數據記錄，與改造前工頻鍋爐機組運行基本相同情況下的運行數據記錄，進行平均值計算、綜合節(jié)能比較分析如表2所