鶴崗礦務(wù)局熱電廠 王中才
一.概況
鶴崗礦務(wù)局熱電廠位于中國的北方煤城——黑龍江鶴崗市，隸屬于礦務(wù)局系統(tǒng)，共四機六爐，包括兩臺50MW發(fā)電機組和兩臺25MW發(fā)電機組，四臺75噸鍋爐和兩臺220噸鍋爐。其中五號和六號爐為220噸鍋爐，目前正增建七號爐（220噸鍋爐）。
冬季除了正常向東北電網(wǎng)供電外，還要負責鶴崗大部分地區(qū)的供熱。長期以來我電廠220噸爐的送、引風(fēng)機電機一直采用工頻運行的方式，依靠送、引風(fēng)機的擋板來調(diào)整風(fēng)量，維持鍋爐負壓，風(fēng)機擋板的開度一般在40%左右，這樣大量的能量就浪費在風(fēng)機的擋板上，造成該電廠的廠用電率高居不下。
夏季時，一般只運行一臺220噸鍋爐，就可以滿足負荷的要求。冬季為了供暖的需要，一般兩臺220噸鍋爐都要運行。6號爐和5號爐鍋爐給水系統(tǒng)采用母管制，鍋爐給水泵的配置為1用1備。當兩爐同時運行時，一臺工頻給水泵的給水量及給水壓力剛好滿足。在一臺鍋爐運行的時候，啟用一臺給水泵，但是給水泵的出口壓力為15MP，而現(xiàn)場實際需要的給水壓力僅為12.5MP，這樣給水泵的出口壓力過高，需要調(diào)整。因為給水泵是由定速電機拖動的，因此只能通過爐側(cè)閥門來控制給水流量和壓力，不但經(jīng)濟效益差，而且由于爐前給水壓力過高，對給水管道的安全運行還造成一定的隱患。
為了徹底解決上述問題，我廠決定對6號爐的四臺引送風(fēng)機（兩臺引風(fēng)機，兩臺送風(fēng)機）及一臺給水泵進行技術(shù)改造，通過對電機調(diào)速來實現(xiàn)上述風(fēng)機和給水泵的變速運行，對風(fēng)量、給水流量及壓力進行合理調(diào)節(jié)，以達到改善工藝和節(jié)能的目的。
二.調(diào)速方式的選擇
目前，大功率高壓異步電動機的主要調(diào)速方式有以下幾種：串級調(diào)速、液力偶合器調(diào)速及變頻調(diào)速等。
串級調(diào)速——優(yōu)點是可以回收轉(zhuǎn)差功率，所以調(diào)速效率比較高，但存在的問題也很多：它不適合于鼠籠型異步電機，必須更換電機；不能實現(xiàn)軟起動，啟動過程非常復(fù)雜；啟動電流大；調(diào)速范圍有限；響應(yīng)慢，不易實現(xiàn)閉環(huán)控制；功率因數(shù)和效率低，并隨轉(zhuǎn)速的調(diào)低急劇下降；很難實現(xiàn)同PLC、DCS等控制系統(tǒng)的配合，對提高裝置的整體自動化程度和實現(xiàn)優(yōu)化控制無益；同時因控制裝置比較復(fù)雜、諧波污染大對電網(wǎng)有較大干擾；進一步限制了它的使用，屬落后技術(shù)。
液力偶合器調(diào)速——屬低效調(diào)速方式，調(diào)速范圍有限，高速丟轉(zhuǎn)約5%-10%，低速轉(zhuǎn)差損耗大,最高可達額定功率的15%,因效率與速度成正比，低速時效率極低，精度低、線性度差、響應(yīng)慢，啟動電流大，裝置大，必須加裝在設(shè)備與電機之間，不適合改造；無法軟啟動，偶合器故障時，無法切換運行，維護復(fù)雜、費用大，不能滿足提高裝置整體自動化水平的需要。
高壓變頻器調(diào)速——由于應(yīng)用了先進的電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和高壓電氣、電機拖動等綜合性領(lǐng)域的學(xué)科技術(shù)，因此具有其它調(diào)速方式無法比擬的優(yōu)點：
①變頻器采用液晶顯示數(shù)字界面，調(diào)整觸摸式面板，可隨時顯示電壓電流、頻率、電機轉(zhuǎn)速，可非常直觀地顯示電機在任何時間的實時狀態(tài)。
②精確的頻率分辨率和高的調(diào)速精度，完全可以滿足各種生產(chǎn)工藝工況的要求。
③高壓變頻器具有國際通用的外部接口，可以同可編程控制器（PLC）和工控機等各種儀表相連，并可與原設(shè)備控制回路相連接，構(gòu)成部分閉環(huán)系統(tǒng)，如與原DCS系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和連鎖控制等。
④具有就地和異地操作功能，另可通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。
⑤具有電力電子保護和工業(yè)電氣保護功能，保證變頻器和電機在正常運行和故障時的安全可靠。
⑥電機可實現(xiàn)軟啟動、軟制動；啟動電流小，小于電機的額定電流；電機啟動時間可連續(xù)可調(diào)，減少了對電網(wǎng)影響。
⑦減少配件的損耗，延長設(shè)備使用壽命，提高勞動生產(chǎn)效率。
綜合上述調(diào)速方式，我電廠選擇了當前最為先進的調(diào)速形式——高壓變頻調(diào)速，通過對眾多高壓變頻器廠家綜合考評，決定選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)的高壓變頻器，該變頻器具有如下優(yōu)點：
①在國內(nèi)高壓變頻器廠家中業(yè)績最多，系統(tǒng)運行穩(wěn)定；
②全中文界面顯示，適合國內(nèi)用戶；
③針對國內(nèi)用戶量身定做，盡量考慮國內(nèi)電網(wǎng)的綜合因素，在其可靠性，安全性方面有其獨到的技術(shù)優(yōu)勢；
④內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場需要。
三.系統(tǒng)配置方案
根據(jù)實際情況，四臺鍋爐風(fēng)機變頻器及一臺給水泵變頻器的現(xiàn)場主回路均采用手動一拖一的方案，如下圖：
此結(jié)構(gòu)是手動旁路的典型方案,原理是由3個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成（其中QF為原高壓開關(guān)柜內(nèi)的斷路器）。要求QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現(xiàn)互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。在檢修變頻器時，有明顯斷電點，能夠保證人身安全，同時也可手動使負載投入工頻電網(wǎng)運行等。
四.高壓變頻器改造實施情況
根據(jù)現(xiàn)場實際設(shè)備，選擇變頻器的型號如下：
上述五臺高壓變頻器于2005年8月19日運抵現(xiàn)場，至10月1日，全部安裝調(diào)試完畢，并投入運行，累計工期為一個月。
用于鍋爐風(fēng)機調(diào)速的變頻器安裝于零米處，在鍋爐主控間配備一臺上位機，同時對四臺風(fēng)機變頻器進行監(jiān)控。另外對原有高壓開關(guān)柜控制回路進行改造，從變頻器控制柜取一對常開節(jié)點串入高壓開關(guān)柜的分閘回路，該節(jié)點定義為“合閘允許”，閉合有效。當變頻器送控制電自檢正常后，該節(jié)點閉合，可以通過原有的合閘回路給變頻器送高壓電。另從變頻器控制柜取一對常開節(jié)點并入高壓開關(guān)柜分閘回路，該節(jié)點定義為“緊急分斷”，閉合有效，當變頻器運行中出現(xiàn)重故障時，變頻器將自動停機，同時該節(jié)點閉合，高壓開關(guān)跳閘，斷開變頻器主回路高壓電源，對變頻器進行及時有效的保護。給水泵變頻器的高壓開關(guān)柜除了上述改造外，在變頻器運行前還將原有的電機差動保護回路斷開，如果電機需要轉(zhuǎn)入工頻運行，則該保護投入。
鍋爐給水泵變頻器安裝于給水泵旁，將上位機監(jiān)控系統(tǒng)安裝于給水泵操作間內(nèi)，對高壓開關(guān)柜同樣進行類似的改造，以滿足變頻器投運的要求。
五.運行情況及節(jié)能分析
四臺鍋爐風(fēng)機變頻器從投運以來一直正常運行，由于6號鍋爐不是采用DCS控制方式，爐控操作盤上安裝空間有限，因此變頻器沒有使用硬連線方式進行遠程的控制，而是通過安裝一臺專用的監(jiān)控上位機對變頻器進行啟動、停止及設(shè)定頻率等相應(yīng)操作。因為上位機無法安裝于司爐工正前方，在操作及時性上難以保證，因此當前四臺鍋爐風(fēng)機變頻器運時仍需要擋風(fēng)板配合，即：根據(jù)鍋爐負荷情況，通過上位機將變頻器調(diào)整到較低的運行頻率（一般在40赫茲左右），擋風(fēng)板開度在80%左右，當鍋爐風(fēng)量需要微調(diào)時，通過擋風(fēng)板進行及時調(diào)整，保證風(fēng)量調(diào)節(jié)的及時性。
給水泵變頻器投運以來運行一直都很正常，在6號爐或7號爐單獨運行時，給水泵采用變頻器調(diào)速控制，將爐側(cè)給水閥門全部打開。進入冬季供暖后，6號爐和7號爐同時運行時，單臺給水泵需要滿負荷運行才能滿足負荷要求，因此需要將變頻器退出運行，電機轉(zhuǎn)入工頻運行。待用戶7號爐投入運行時（在建，220噸鍋爐），則可以實現(xiàn)兩臺給水泵同時運行，一臺工頻運行，另一臺變頻運行，變頻給水泵將起到補充給水的作用，通過變速電機來調(diào)整鍋爐給水量及給水壓力。
變頻器投入運行以來，節(jié)能效果顯著，風(fēng)機節(jié)能數(shù)據(jù)如下：
注：以上按每年365天計算，按現(xiàn)在6號爐每年累計共運行10個月計算運行系數(shù)為：10/12=0.833 , 每年可節(jié)約電費為：158×0.833=131 萬元
六.結(jié)束語
從幾個月的運行情況來看，北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻器性能良好，可靠性高，節(jié)能效果明顯，滿足連續(xù)生產(chǎn)對調(diào)速系統(tǒng)的要求，達到了節(jié)能和改善工藝的目的。
目前我電廠又續(xù)購了八臺變頻器，準備對5號爐和在建的7號爐的鍋爐輔機進行變頻調(diào)速改造，目前該八臺變頻器正在生產(chǎn)中，相信不久的將來就會繼續(xù)成功應(yīng)用在我廠。
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