| 荣获“2005年度工控及自动化领域优秀案例”有奖评选 三等奖 |
 | 写作心得： |
| | 专家点评： |
 | 1. 该论文选题为电厂改造中降耗所选的热门题目，降耗明显，但实际应用中还有部分难题没有解决。 2. 改造成本很高。 3. 论文分析透彻，效率数据不准确。 4. 文章论述较规范。 |
1 概述 在火力发电厂中，风机和水泵是最主要的耗电设备，这些设备都是长期连续运行并常常处于变负荷运行状态，节能潜力巨大。发电厂辅机的经济运行，直接关系到厂用电率的高低。随着电力行业改革的不断深化，厂网分家、竞价上网等政策的逐步实施，降低厂用电率，降低发电成本，已成为发电厂努力追求的经济目标。在目前电力短缺的情况下，厉行节能，已被推到能源战略的首位。我厂#7机组额定容量为330MW，#7炉配有两台离心式一次风机，采用6kV、1600kW定速
电机驱动运行，靠调节进口挡板开度来调整一次风量，以适应锅炉负荷变化。由于当初选型时风量裕量和压力裕量都比较大，改造前机组满负荷运行时一次风机电流约120A，挡板开度在60%左右，风压约8.9 kPa，节流损失较大。在此背景下，对#7炉一次风机进行变频控制改造，降低厂用电，为社会多提供一点电力就显得很有必要。
2 可行性分析 一次风机是火电厂燃煤锅炉直吹式制粉系统中的主要设备之一。根据锅炉运行工况，控制一次风机进口挡板开度调节风量大小。风机的流量-压力关系曲线如图1所示。在现场控制中，通常采用风机定速运行由进口挡板来控制风量。
当流量从Q0减小至Q1时，挡板开度减小使管网阻力由r0变为r1，受其节流作用压力H0变为H1，工作点由原来的A点移至B点。风机轴功率实际值（kW）可由公式： P =Q·H／（ηc·ηb）×10-3得出。其中，P、Q 、H 、ηc 、ηb 分别表示功率、流量、压力、风机效率、传动装置效率，直接传动为1。假设总效率（ηc·ηb）为1，则风机由A点移至B点工作时，电机节省的功耗为A Q0 O H0和B Q1 O H1的面积差。如果能采用调速手段改变风机的转速，那么当流量从Q0减小至Q1时，工作点将由原来的A点移至C点，风机的运行也更趋合理。在挡板全开，没有管网阻力的情况下，能耗势必降低。此时，电机节省的功耗为A Q0 O H0和C Q1 O H2的面积差；与挡板控制相比更为有效合理，既达到了改变风量的目的，又明显改善了风机运行工况，设备功耗也随之得到大大降低。据统计，#7机组2001~2002年有关指标及一次风机用电率见下表1。#7A、#7B一次风机及电机的技术参数见表2、表3。
在变频控制状况下运行，假定年运行小时为8000h,全年的平均负荷率为85%,风量约为60%，则一次风机的实际功率为30%×1600kW=480kW，2台一次风机年耗电量为: 480kW×8000h×2=7680000kWh 若选定的高压变频器容量为2400kVA,其综合效率为97%，则年损耗电量为: 2400kVA×0.9×0.03×8000×2=1036800 kWh 若室内配置10kW功率的空调，则年耗电10×8000=80000 kWh 全年节电：18303568×8000/8157-(7680000+1036800+80000)=9154474kWh 全年节约资金：2002年平均上网电价为0.32元/kWh，考虑到机组低负荷时节电多而电价低，设全年平均节电价0.20元/kWh，则全年节电效益为9154475kWh ×0.20/kWh＝183万元；高压变频改造总投资约450万元，按上述工况运行，则大约需2.5年即可收回改造投资。因此，从经济性方面来说，一次风机高压变频改造是可行的。 从技术性方面来说，电机的调速控制可采用液力偶合器、电磁转差离合器、绕线式电动机转子串电阻调速、变极调速、变频控制等方式。在电力电子器件、变频和交流电机控制技术发展的基础上，国内外许多科研机构及大公司都倾注大量人力物力对中高压变频器进行了研究，高压变频器技术已趋于成熟，已成为目前电机调速技术的首选方案。
3 设备选型 目前，国内外高压变频器的生产厂家较多，主要有AB、罗宾康、ABB、西门子、三菱及国内的利德华福、天宠等等。各厂家所生产的高压变频器核心差别在于所选用的器件类型有所不同，相应地系统配备（变压器、电抗器、滤波装置等）都会有所差别，系统的可靠性、效率、谐波抑制效果、热损值、故障模式都会有所差别。不同的结构设计又会使得散热效果、环境要求、应用友好性和系统可维护性存在诸多差别。经过调研，2004年1月初，我厂邀请了浙大能源科技有限公司（罗克韦尔自动化AB）、保定中能自控技术有限公司（罗宾康）、北京利德华福技术有限公司、北京天宠电力技术有限公司等四个单位参加#7炉一次风机高压变频改造设备招标，经对各厂家的业绩以及所提供的技术方案进行认真的审查，并结合其报价进行综合比较，选定浙大能源科技有限公司（罗克韦尔自动化AB公司）。从技术角度看，AB 公司CSI-PWM电流源型变频器设计简单，可靠性高，应用已经有超过10年的历史，发展相对成熟。其免维护设计、大屏幕操作员界面和独有的自动整定功能使得系统的可靠性、可维护性、可用性方面较为突出，而且经过十几年的发展，该产品已正日益成为标准化产品。
4 设备主要技术性能 浙大能源科技有限公司中标的设备包括美国AB公司生产的PowerFlex7000变频器、保定天威顺达公司生产的干式整流变压器及广东明阳电器有限公司生产的旁路柜三部分，利用原有的6kV开关和电动机，系统框图如图2所示。
4.1 PowerFlex7000中压变频器
AB高压变频器使用CSI-PWM技术，此技术已获得多于2,400,000匹马力现场安装运行记录的验证。罗克韦尔自动化/AB 是中/高压马达驱动装置的主要供应商，其产品电压等级可从2300V到6900V，功率高达16,000匹马力。CSI-PWM集电流源逆变功率结构及脉宽调制模式的优势于一体，创造了与传统六步方波电流源变频截然不同的产品。CIS-PWM使用很少功率器件，系统简单可靠。控制策略为带或不带测速反馈的直接矢量控制，其运行效果近似直流驱动装置，远远优于电压/频率定比变频器。主要特点如下：
* 可靠性高：AB CSI-PWM高压变频器品采用6500V/1500A的高压SGCT器件，器件数量少，耐压及电流裕量大。变频器电压等级高，变频电流小，器件开关损耗少，设备安全可靠。 * 输入波形好：AB CSI-PWM高压变频器的输入侧采用多脉冲(18脉冲) 整流器。18脉冲整流器可对17次以下的高次谐波进行有效的抑制，总体谐波畸变THD小于5%，不需谐波分析及外加滤波环节，可直接满足IEEE519-1992及国标的谐波抑制标准。 * 输出波形好：AB CSI-PWM高压变频器无需增加任何选项，可直接输出完美的正弦电压和电流波形，不存在转矩脉动，无潜在共振问题。逆变时无dv/dt及di/dt的产生，谐波畸变THD小于５%，可直接拖带普通高压电动机，电机无额外温升，连接变频器及电机之间的距离可长达15km。 * 四象限运行：AB CSI-PWM高压变频器固有能量回馈能力，可将降速工况(发电机运行状态)下负载反馈回的能量回送电网, 利用再生制动快速降低电机转速。电流型变频器具有电流内环，可利用强大的电流控制能力快速调节电机转速，特别适用需频繁快速调节的大惯性负载(风机)的控制。 * 使用简单：AB CSI-PWM高压变频器使用大屏幕液晶显示的操作员终端, 中文界面。变频器的状态、输入输出变量、自诊断结果、故障报警均可显示在屏幕上, 信息量大。通过终端上的键盘，可轻松对变频器进行参数设置及工作方式的组态。 * 维护方便：AB CSI-PWM高压变频器使用高集成度的SGCT器件及专利产品PowerCage机架，提高了系统模块化程度，友善的人机界面提供了所有的维护信息，从而保证了功率模块的更换时间小于5分钟。 * 通讯能力强：AB CSI-PWM高压变频器总共提供16个数字量DI接口及16个数字量DO接口，根据用户需要，变频器可提供4-20mA或4-10V模拟量输入输出接口。变频器可配置各种数据串行通讯接口，提供开放的网络与厂级监控设备(
DCS，
PLC，值班室操作站)进行通讯。变频器内的变量、参数可传给其他监控设备进行记录、显示或参与控制。变频器通讯接口选项丰富，用户可根据需要选其中之一，如 ：DeviceNet, Profibus，Modbus，Remote IO, ContrlNet及RS-232/485等。 4.2 干式整流变压器 干式整流变压器按照AB公司提供的技术规范，由保定天威顺达公司生产。变压器为6kV输入，2.1kV输出，18脉冲裂相，F 绝缘等级，允许温升为120K，实际温升小于90K，AN冷却。初级为三角形接法带4级调整，三组次级线圈：一组三角形接法，两组延边三角形接法。延边三角形接法产生-20°、0°、20°相移。 干式整流变压器起到跟系统隔离的作用，同时，其次级绕组进行必要的移相，以消除进线谐波。一组次级绕组输出一个三相中间交流，移相变压器的副边绕组共9组(每相3组)，构成18脉波整流方式。这种多级移相叠加的整流方式可以
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