自動(dòng)旁路型智能高壓變頻調速系統在CFB鍋爐風(fēng)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(chǎn)線(xiàn)，擔負著(zhù)向何家山水泥2500t/d生產(chǎn)線(xiàn)供電的任務(wù)。自備電廠(chǎng)配置75t/h循環(huán)流化床鍋爐1臺、余熱鍋爐2臺，母線(xiàn)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(shí)機組滿(mǎn)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(dòng)力場(chǎng)測試、強風(fēng)吹掃的工藝要求，針對風(fēng)機匹配系數（s.f.）都留有裕度，當發(fā)電機組處于長(cháng)期發(fā)電運行中，其需要的風(fēng)量都小于上述工藝的要求，造成鍋爐輔機系統大部分時(shí)間都基本上屬于大馬拉小車(chē)的局面。

2　自動(dòng)旁路選型的初衷

作為何家山水泥生產(chǎn)線(xiàn)最重要的生產(chǎn)動(dòng)力源，自備電廠(chǎng)負荷較大波動(dòng)將直接影響到整條水泥生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)量。為保證鍋爐機組出力的穩定性，而火力發(fā)電機組最重要的輔機機組一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機變頻改造后運行的可靠性就是用戶(hù)最關(guān)心的問(wèn)題，為保證風(fēng)機在變頻調速狀態(tài)下能夠無(wú)擾動(dòng)地、平穩地切換到工頻和在工頻運行狀態(tài)下，無(wú)擾動(dòng)地、平穩地切換到變頻運行狀態(tài)下是非常必要的，日常維護保養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(dòng)旁路系統，適用于對工藝實(shí)時(shí)性要求不高的用戶(hù)（例如供水行業(yè)、存在壓火運行時(shí)段的cfb鍋爐、調峰機組、存在熱備用設備等等）;二為開(kāi)關(guān)切換的自動(dòng)旁路系統，對于實(shí)時(shí)性要求很高，工藝不允許有中斷生產(chǎn)線(xiàn)重要設備。前者切換方式比起后者初投資較?。ㄖ皇情_(kāi)關(guān)與刀閘的差價(jià)），但是要求在斷開(kāi)進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)，停止風(fēng)機運行的情況下進(jìn)行工/變頻切換。在現行滿(mǎn)負荷運行的條件下，是不允許停止引風(fēng)機和一次風(fēng)機的。只能在低負荷壓火運行時(shí)經(jīng)過(guò)系統調度允許時(shí)才能進(jìn)行，此時(shí)發(fā)電機組也會(huì )受到較大影響，這是用戶(hù)所不允許的。因此用戶(hù)經(jīng)過(guò)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(dòng)旁路系列。

　　工/變頻互切的關(guān)鍵問(wèn)題就是切換過(guò)程的同期問(wèn)題，在解決變頻器運行過(guò)程中內部出現故障可靠地切換到工頻，早期已經(jīng)能夠很好的解決;但變頻器檢修完畢，對用戶(hù)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(méi)有技術(shù)的保證是不行的，智光電機自主研發(fā)stt（speedtracingtechnology）專(zhuān)利技術(shù)有效地解決了這一技術(shù)瓶頸，眾所周知工頻切換變頻，瞬時(shí)電機定子電源失電后由于轉子殘流、剩磁產(chǎn)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(wǎng)的類(lèi)似沖擊，一般的變頻器會(huì )過(guò)流保護，運用此技術(shù)可確保電機在調速范圍內的任何轉速下，無(wú)需停車(chē)即可直接啟動(dòng)系統，啟動(dòng)時(shí)無(wú)任何電流沖擊，真正實(shí)現“飛車(chē)啟動(dòng)”，此技術(shù)不但可以有效實(shí)現工/變頻自動(dòng)無(wú)擾切換，而且對于用戶(hù)母線(xiàn)緊急切換、減小瞬時(shí)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(hù)負載的間斷，這保證工藝持續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(dòng)旁路方案設計

　　3.1　一次主回路設計（一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機均滿(mǎn)足此要求）

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

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　　該方案在設計中考慮了如下問(wèn)題：

　?。?）刀閘k1、k2、k3、k4無(wú)機械閉鎖功能，只是在檢修時(shí)由手動(dòng)斷開(kāi)以形成明顯的斷開(kāi)點(diǎn)，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)。

　?。?）工頻旁路接觸器j3與變頻進(jìn)線(xiàn)接觸器j1、變頻出線(xiàn)接觸器j2具備電氣閉鎖功能，不能同時(shí)閉合。

　?。?）在變頻運行狀況下，j1、j2閉合，j3斷開(kāi)。如需自動(dòng)切換至工頻運行，此時(shí)先停止變頻器輸出，跳閘用戶(hù)10kv開(kāi)關(guān)柜，再由電氣控制依次斷開(kāi)j2、j1，然后閉合j3使電機切換至工頻側，再合閘開(kāi)關(guān)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(kāi)。如需自動(dòng)切換至變頻運行，此時(shí)由電氣線(xiàn)路控制先跳閘10kv開(kāi)關(guān)柜，再斷開(kāi)j3，然后依次閉合j2、j1，再合閘開(kāi)關(guān)柜，啟動(dòng)變頻器，完成由工頻旁路運行到變頻運行的自動(dòng)切換。

　　3.2　二次控制回路說(shuō)明

　　變頻器全部交由上位機dcs控制，對用戶(hù)的接口說(shuō)明如下：

　?。?）集控室操作員站根據現場(chǎng)工藝要求通過(guò)標準4～20ma調速信號控制變頻器轉速輸出，變頻器通過(guò)4～20ma模擬信號實(shí)時(shí)反映現場(chǎng)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(shí)時(shí)上傳上位機（di節點(diǎn)若干，根據改造需要進(jìn)行拓展或縮減）;

　?。?）變頻器啟動(dòng)、停止、急停、報警解除為用戶(hù)控制變頻器do節點(diǎn);

　?。?）電氣聯(lián)鎖信號：高壓合閘允許、跳閘信號、合閘信號、用戶(hù)開(kāi)關(guān)位置接至原用戶(hù)斷路器控制回路;

　?。?）工藝聯(lián)鎖信號：關(guān)用戶(hù)風(fēng)門(mén)信號（di）、風(fēng)門(mén)位置信號（do）。

　　工藝聯(lián)鎖信號說(shuō)明：在高壓變頻自動(dòng)由變頻轉工頻運行時(shí)，風(fēng)機會(huì )有轉速的突變，風(fēng)量突然增大可能導致?tīng)t膛熄火或者難以滿(mǎn)足爐膛負壓。所以在考慮高壓變頻器自動(dòng)變頻轉工頻運行時(shí)，高壓變頻器首先會(huì )給用戶(hù)發(fā)出一個(gè)關(guān)用戶(hù)風(fēng)門(mén)信號，然后要求用戶(hù)回饋風(fēng)門(mén)關(guān)閉信號給高壓變頻器。高壓變頻器接到此信號后會(huì )自動(dòng)合閘斷路器，風(fēng)機工頻啟動(dòng)。

　　風(fēng)門(mén)關(guān)閉到位信號是用戶(hù)根據風(fēng)門(mén)的開(kāi)度自行判斷后發(fā)出的，其邏輯是當風(fēng)門(mén)關(guān)閉到某一設定開(kāi)度以下時(shí)，dcs系統發(fā)出“風(fēng)門(mén)關(guān)閉到位”信號給高壓變頻器;當風(fēng)門(mén)處于某一設定開(kāi)度以上時(shí)，“風(fēng)門(mén)關(guān)閉到位”信號接點(diǎn)斷開(kāi)。風(fēng)門(mén)開(kāi)度的確定是由用戶(hù)根據現場(chǎng)設備情況確定的，應是電機工頻啟動(dòng)時(shí)風(fēng)門(mén)的允許最大開(kāi)度，判斷風(fēng)門(mén)開(kāi)度并發(fā)出信號是由用戶(hù)的dcs系統完成的。

　　聯(lián)鎖風(fēng)機擋板保持爐膛負壓穩定在允許范圍內是自動(dòng)旁路的必要條件，否則整套鍋爐系統自動(dòng)投入mft大聯(lián)鎖，壓火運行。

4　自動(dòng)旁路方案實(shí)踐

　　廣州智光電機有限公司的zinvert高壓變頻調速系統自動(dòng)旁路功能應用成熟，在本工程投運初期，在負荷85％比較穩定的情況下未并網(wǎng)運行前期對自動(dòng)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(shí)現變頻轉工頻，自動(dòng)投切過(guò)程僅用時(shí)10s左右（包括風(fēng)門(mén)關(guān)閉到位時(shí)間），投切過(guò)程中爐膛負壓波動(dòng)不大，負荷保持穩定，得到了用戶(hù)的充分肯定。在變頻系統就緒的情況下，“stt”技術(shù)可靠地保證平穩地實(shí)現了工頻到變頻的切換，切換過(guò)程很平穩，電機按照變頻設定轉速自行調整，無(wú)任何沖擊，負荷波動(dòng)不大。所有操作（除變頻故障模擬）均在上位機完成，操作簡(jiǎn)單，旁路過(guò)程全部自動(dòng)完成，實(shí)現了真正的節能自動(dòng)化改造。

　　自動(dòng)旁路過(guò)程說(shuō)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(wèn)題：根據現場(chǎng)工況的不同要求，風(fēng)門(mén)從全開(kāi)到設定范圍的關(guān)閉時(shí)間是通過(guò)現場(chǎng)試驗來(lái)確定的，沒(méi)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(shí)周期;許多工藝mft都是做在電機進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)，變頻改造后工/變頻互切過(guò)程都有跳進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)的過(guò)程，此瞬間暫時(shí)解除此聯(lián)鎖，設置延時(shí)來(lái)滿(mǎn)足轉換過(guò)程中瞬時(shí)的分合閘要求。如果變頻器的進(jìn)線(xiàn)接觸器采用斷路器（可分斷故障電流）則不必跳進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)，連鎖邏輯就不必做改動(dòng)了。

5　變頻改造收益

　　5.1　節能效果評估

　　變頻投入運行后截取滿(mǎn)負荷，母線(xiàn)電壓10.5kv，蒸發(fā)73～80t/h，發(fā)電量16mw穩定后截取2007年7月9日0:00至7月11日16:00進(jìn)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(jìn)行平均值計算、綜合節能比較分析如表2所