高压变频器在循环流化床锅炉中的应用

高压变频器在循环流化床锅炉中的应用1引言高压交流变频调速技术是上个世纪90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，主要用于交流电机的变频调速，其技术和性能远远胜过以前采用的调速方式（如串级调速、液力耦合器调速、转子水阻调速等）。

高压变频以其显著的节能效益、完善的保护功能、方便的通信功能以及高调速精度、宽调速范围，得到了广大用户的认可，成为企业电机节电方式的首选方案。

河北藁城天意热电有限公司现有两台75t循环流化床锅炉，一次风机、二次风机及引风机共6台风机。

引风机、一次风机、二次风机的风量调节、风压调节，原来采用的是传统做法，即风机以定速方式运行，由挡板调节。

其主要弊端主要表现为：（1）调节挡板前后压差增加，工作安全特性变坏，压力损失严重，造成能耗增加；（2）风机定速运行，挡板调整节流损失大，出口压力高，系统效率低，造成能源的浪费；（3）风道压力过高，威胁系统设备密封性能；（4）长期的40～70％挡板开度，加速挡板自身磨损，导致挡板控制特性变差；（5）设备使用寿命短，日常维护量大，维修成本高，造成各种资源的浪费；（6）设备起动冲击电流大，需增加配电设备容量而增加投资；（7）与DCS不能直接配合，难于实现自动化操作。

为了解决上述问题，经过了大量的技术论证，决定用高压变频器替代传统的挡板调节风量、风压的方法。

风机的稳定运转对正常生产至关重要，对设备要求特别苛刻，因此在高压变频器的选用上非常谨慎。

藁城天意热电有限公司领导层对国产高压变频器进行经过多次考察、反复研究讨论，决定选用山东新风光科技发展有限公司生产的6台“风光牌”高压变频器对2台锅炉风机进行变频改造。

风机和电机的风技术参数如表1和表2所示。

表1风机参数表2电机参数2循环流化床锅炉工艺循环流化床是一种适于固体燃料的清洁高效燃烧技术。

固体颗粒（燃料、石灰石、砂粒、炉渣等）在炉膛内以一种特殊的气固流动方式（流态化）运动，离开炉膛的颗粒又被分离并送回炉膛循环燃烧。

炉膛内固体颗粒的浓度高，燃烧、传质、传热、混合剧烈，温度分布均匀，固体颗粒在炉膛内的内循环和外循环十分强烈，在炉膛内的停留时间较长，保证了较高的燃烧效率。

循环流化床燃烧技术是近二十多年来发展的洁净煤燃烧技术，其燃烧方式特别适用于高灰分低挥发的煤矸石、洗中煤等劣质煤，具有较好的燃料适应性，可变废为宝，体现节能要求。

另外，循环流化床锅炉在燃烧过程采用炉内加石灰石、低温燃烧，可同时达到脱硫脱硝的目的，具有较好的环保特性。

燃料由给煤机送入炉膛；一次风由锅炉底部送入，主要用于维持燃料粒的流化；二次风沿燃烧室侧壁多点送入，主要用于增加燃烧室的氧量，提高燃烧效率；燃烧后的大量颗粒随烟气进入旋风分离器，与烟气分离；分离出来的颗粒经回料阀回到燃烧室继续燃烧；分离出来的烟气则经过除尘器除尘后，由引风机引入烟囱排出。

实际运行中，循环流化床的燃烧效率可高达97%～99%。

3技术方案分析由于其独特的燃烧特性，与传统的煤粉炉相比，循环流化床锅炉对风量、风压的控制有更高的要求：为了保证锅炉燃烧的经济性，当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使之与燃料量匹配；为了保证锅炉运行的安全性，必须使引风量与一次风量相配合，以保证炉膛压力在正常范围内；通过一次风量及风压的调节，以保证炉膛内物料的正常流化。

由于循环流化床锅炉中的一次风机、二次风机、引风机均属于二次方转矩负载，在忽略风道变化因素后，有风量与转速成正比、风压与转速二次方成正比、机械轴功率与转速立方成正比的关系。

当采用高压变频器对这些电机进行变频调速控制时，仅通过相对小范围内的频率改变，调节电机转速，即可实现风量的控制，而且调节精度及响应速度有很大改善。

同时，当电机转速降低时，由于轴功率与转速三次方成正比的对应关系，电机的轴功率显著下降，节能效果明显。

4 采用风光高压变频器具有如下优点(1)风光高压变频调速系统对电网电压的波动有较强的适应能力，电网输入电压在-20%～+15%电网电压波动时，变频器通过输出电压自动补偿算法可维持满载输出，保证长期正常运行。

供电瞬时失电5个周波内可满载运行不跳闸，允许切换间隔为3s。

不受电网电压和负载变化的影响。

(2)风光高压变频器控制方法采用空间矢量控制原理，响应速度快、调速范围宽(2～120Hz，依据现场情况可以设定)和动态特性精度高，稳定性好、起动转矩大(可达到额定力矩的2～3倍)，可以实现重载的平稳起动。

(3)电机可以实现无级调速，加、减速过程平滑，电流冲击小，大大减轻了机械冲击的强度。

(4)DSP芯片控制和PLC外端电路接口相结合，使系统具有很高的可靠性，有很强的故障自诊断功能，具有完整的故障监测电路和精确的故障报警保护。

能对所发生的故障类型及故障位置提供中文指示，能在就地显示并远方报警，并保存故障发生的时间、原因、故障点及故障时的运行参数。

便于运行检修人员辨别和解决所出现的问题。

(5)飞车启动功能：能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。

(6)旋转中再启动功能：运行过程中高压瞬时掉电3s内恢复，高压变频器不停机，高压恢复后变频器自动运行到掉电前的频率。

(7)线电压自动均衡技术（采用中性点漂移技术）：变频器某相有单元故障被旁路后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术则是通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压的均衡输出。

(8)工、变频无扰切换功能，实现变频向工频切换时无扰动电流，减小对电网的冲击。

5 风光高压变频调速系统的技术方案5.1 工作原理该变频装置采用多电平串联技术，6kV系统结构如图1所示，整套系统由移相变压器、功率单元和控制器组成。

6kV系列高压变频器有15个功率单元，每5个功率单元串联构成一相。

每个功率单元在结构上完全一致，可以互换，其电路结构如图2所示，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，单元脉宽调制叠波输出，每相5个单元，大大削弱了输出谐波含量。

输出波形是接近完美的正弦波，其输出波形如下图3所示。

图1高压变频器系统结构图图2功率单元主回路图3变频器输出波形当某一个单元出现故障时，可将此单元模块旁路退出系统而不影响其他单元的运行，变频器可持续降额运行，如此可减少很多场合下停机造成的损失，避免了由于一个大功率高压开关器件的故障而导致整机故障、停机的产生，从而保证了变频器的可靠性。

5.2 现场主回路根据现场要求，此次6台变频器采用一拖一手动旁路控制方案，其一次电路如图4所示。

图 4主回路图K0为用户原高压开关；K1、K2和K3为变频器旁路开关柜高压隔离开关；BPQ为JD-BP37系列高压变频器；M为高压电动机。

变频器控制风机为一拖一控制，旁路开关柜用于工/变频切换。

K1，K2和K3为3个高压隔离开关，要求K2和K3不能同时闭合，在机械上实现互锁的同时实现电磁互锁。

K3断开，K1和K2闭合，风机变频运行；K1和K2断开，K3闭合，风机工频运行。

另外，为了安全，变频器故障信号和上一级的高压开关柜也实现互锁，实现高压故障连跳功能。

6应用效果分析针对2号炉3台风机进行数据采集以及节能效果分析，示于表3、表4和表5。

表3 75t循环流化床锅炉风机工频运行时数据表4 2009年4月8日变频运行数据表5 2009年3月份变频运行电度表数据根据表5可以计算各风机电机一个月内变频运行时的功率：引风机电机变频运行时平均功率：(108251.8-799.8)/30/24=149kW同样可得一次风机电机变频运行时平均功率：201kW二次风机电机变频运行时平均功率：99kW根据表3以及以上数据可得节电率：引风机：(219-149 )/219=31.96%一次风机：(266-201)/266=24.43%二次风机：(147-99)/147=32.65%节能计算结果：工频条件下：2#炉3台风机平均每小时耗电量为：632 kW·h变频条件下：2#炉3台风机平均每小时耗电量为：449 kW·h平均每小时节电量：632-449=183 kW·h年节电量：183×7000=1281000 kW·h(按年运行7000h计算)年节电收益：1281000×0.45=57.645万具有显著的经济效益。

除了明显的节电效益，采用变频器还有以下优点：（1）变频起动对电网没有任何冲击。

由于变频器改造后风机可以实现变频软起动，避免了起动电流的冲击，不仅对电网没有任何冲击，而且还可以随时起动或停止。

（2）按需调节风量，避免浪费。

进行变频改造后，风机的送风量不再需要由风门来调节，而是由变频器通过变频调节风机的转速来实现，调节范围可以从0%～100%；因而可以根据生产需要随意调节风量，减少了不必要的浪费。

（3）变频节能运行，节约了大量能源。

由于变频改造后不再使风机一直处于满负荷工作状态，节能效率高。

（4）降低风机工作强度，延长使用寿命。

进行变频改造后，风机的大部分工作时间都在较低的速度下运行，因而大大降低了风机工作的机械强度和电气冲击，将会大大延长风机的使用寿命，降低维修强度。

（5）可使电动机与风机直接相连接，减少传动环节的费用。

（6）电机和风机运转速度下降，润滑条件改善，传动装置的故障下降。

（7）系统压力降低，对管道的压力和密封等条件缓解，延长使用寿命。

（8）系统完善的监控性能和高可靠，性提高了工作效率，减少了检修和维护的工作量。

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