国产高压变频器在锅炉引风机上的应用
日期：2008-10-28 1:00:25 来源：中国自动化网
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1概述
某热电厂锅炉为280t /h燃煤锅炉，型号为HG-280/9.8-YM-11。其引风机为成都电力机械厂生产的Y4-60-11No22.5D型离心风机，配套电机型号为Y450-6（6kV 630KW）。该引风机的风量调节是采用传统的风门挡板来控制调节的，因此存在相应的挡板节流损失。虽然锅炉基本处于满负荷运行状态，但由于引风机设计余量较大，加上要兼顾风门的调节性能，因此选用了较大的风机及电机，运行上十分不经济。
2003年6月，该热电厂对锅炉引风机进行了变频调速改造，选用了国产的6kV变频器，通过改变风机转速来实现风量调节的功能，从而避免了不必要的节流损耗。改造后节能效果十分显著，节电率超过40%，达到预期的节能改造目的。
2 调速节能的原理
传统的风机调节控制是靠风门的挡板开度来实现的，这就不可避免地带来了挡板节流损失。根据风机厂家提供的资料，Y4-60-11No22.5D型离心风机的性能参数如表1所示。由此可作出风机性能曲线如图1中的AB所示。
改造之前，对引风机进行了的效率测试，数据如表2所示。值得注意的是，表1给出的风机全压是风机进出口的全压，而表2中实测的全压是包括了风门在内的风道进出口全压，两者是不同的。因此在确定风机工作点时，选择风机流量做为依据。以锅炉#1引风机为例，按其引风量可确定工作点为图1中的C点。
从图1的性能曲线可算出，C点对应的风机全压约有5600Pa，但风道上实测的全压只有1779Pa，风压损失了约3821Pa。这部分损失大多是由风门挡板的节流造成的。由于风机风门开度只有45%，风压损失很大，造成风机设备效率只有33.7%。由此可见，如果采用传统的风机调节控制方法，会带来较大的节流损失，特别是在风机的挡板开度比较小的情况下，造成大量的能源浪费。
调速节能技术就是改变原来以固定风机转速、挡板调节的作法，而是将风机风门固定为全开、通过调节风机转速来调节风机流量。根据风机近似理论，当风机转速改变后，风机性能参数可按下列公式计算：
Q’/Q = n’/n
P’/P = (n’/n)2 (ρ’/ρ)
其中：
Q：风机流量
P：风机全压
n：转速
ρ：介质密度
例如，当风机转速由980r/min降为700r/min时，风机性能曲线就由原来的AB下移至A’B’（图1）。同样是54.68 m3/s的引风量，风机全压仅约为2100Pa。由于这时风机风门全开，节流损耗很少，其风机全压完全可以满足原运行工况的需要。
由于这时的风机全压大大降低，所需的风机轴功率也相应降低。图1中的阴影部分就是原先浪费在风机风门节流上的功率。通过风机调速，这部分功率就可以节省了下来。风机设备效率得到相应提高。
3 高压变频技术原理
变频调速技术是风机调速方法之一，同其他风机调速方式相比，它具有高效率、高精度等优点。
变频调速技术的核心部件是变频器。通常三相交流电的频率是固定的，而变频器可以输出不同频率的三相交流电。由于电源频率发生变化，所驱动的异步电动机转速也会相应变化。
热电厂改造中选用了两台国产的6kV变频器，型号为HARSVERT-A06/050（容量500kVA）。该变频器采用单元串联多电平技术，直接输出6kV正弦波电压，属于高-高电压源型变频器。
该变频器的核心部分是功率单元模块，其原理图如图2所示。
变频器的主结线图如图3所示，6kV电源经移相变压器后，输出21组不同相位的低压三相电源，每组三相电源各驱动一块功率单元模块。在每块功率单元模块中，三相电源经整流、逆变，得到单相电源。21块功率单元模块分成三组，每组7块进行输出串联，从而得到三相电源。各个功率单元模块采用移相PWM（脉宽调制波）技术，每相的功率单元模块输出相互叠加，形成非常完美的正弦波。
单元串联多电平技术具有以下优点：
（1）由于变频器的输出是由多级功率单元模块输出的移相PWM叠加而成，输出波形十分接近正弦波，谐波很少，变频后电机的附加损耗小，因此该类型变频器可应用在普通的三相异步电动机上。
（2）功率单元模块的输入电源是经过不同角度的移相，在一方面削弱了变频器输入电源的谐波，另一方面也提高了变频器的功率因数和效率。变频器在额定功率下的功率因数可达0.95，效率达96%以上。
（3）变频器输出采用多级功率单元模块串联叠加输出，各单元模块分担电压较低，可采用低压电器元件，可靠性高。
（4）各功率单元模块带有旁路功能（见图2中的电子开关K），任何一级单元模块故障，模块上的K闭合，单元模块故障自动旁路切除，分散了故障停机的风险。
单元串联多电平技术的缺点是：
（1）需要输入变压器，从严格意义上说不是真正高-高电压源型变频器。输入变压器造成变频器的体积较大，同时也带来新的故障点。
（2）需要的功率元器件数目较多，控制回路较复杂，成本较高。
4 效益估算
从能量损耗的过程来看，主要有变频器损耗、电动机损耗、风机损耗、管路损耗等。变频器在额定工况下效率为96%，在一般工况下效率略低些，现取效率为92%；高压电动机的效率为95%；风机效率取A、B两种工况效率的平均值75%；管路损耗较为复杂，现取效率为90%。整体效率约为：92%×95%×75%×90% = 59%。以锅炉#1引风机为例，风机有效功率为97.28kW，估计改造后电动机功率为97.28 / 59% = 165kW，估计可节电：(288.8 – 165) / 288.8 = 43%。
5 变频改造情况及出现的问题
2003年6月，该热电厂对锅炉引风机实施了变频调速改造，并于6月底正式投入运行。变频器一直保持稳定运行，各项经济指标均满足设计要求。
运行期间曾出现过一次单元模块超温报警，故障单元模块自动旁路成功，变频器继续保持运行。事后经过分析，认定为测温元件受干扰误报警所致。利用锅炉小修的机会，厂家对变频器控制程序进行升级，增加抗干扰功能，消除了误报警误障。
因为变频器启动转矩较低（2倍额定转矩），所以在启动时要特别注意避免出现单元模块过流故障。锅炉在单引风机运行的特殊工况下，停运的引风机会因风门不严密而处于倒转状态。这时如果直接启动变频器，就会出现因过流而不法启动风机的现象。解决的方法是，在启动前先将风机进行制动，待风机停转后再启动变频器。
6 效益分析
引风机变频改造之后，对引风机的效率再次进行测试，数据如表3所示。
对比改造前后的数据可知，风机设备效率明显提高。#1引风机电功率由288.8kW降低至162.0kW，#2引风机由273.4kW降低至167.1kW，共节省电功率233.1kW，节电率达41.5%。与改造前效益估算基本相符。从运行实绩来看，2003年第三季度锅炉引风电耗比去年同期减少了57万kW h，节能效果十分显著。
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某热电厂锅炉为280t /h燃煤锅炉，型号为HG-280/9.8-YM-11。其引风机为成都电力机械厂生产的Y4-60-11No22.5D型离心风机，配套电机型号为Y450-6（6kV 630KW）。该引风机的风量调节是采用传统的风门挡板来控制调节的，因此存在相应的挡板节流损失。虽然锅炉基本处于满负荷运行状态，但由于引风机设计余量较大，加上要兼顾风门的调节性能，因此选用了较大的风机及电机，运行上十分不经济。
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2003年6月，该热电厂对锅炉引风机进行了变频调速改造，选用了国产的6kV变频器，通过改变风机转速来实现风量调节的功能，从而避免了不必要的节流损耗。改造后节能效果十分显著，节电率超过40%，达到预期的节能改造目的。
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2 调速节能的原理
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传统的风机调节控制是靠风门的挡板开度来实现的，这就不可避免地带来了挡板节流损失。根据风机厂家提供的资料，Y4-60-11No22.5D型离心风机的性能参数如表1所示。由此可作出风机性能曲线如图1中的AB所示。
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改造之前，对引风机进行了的效率测试，数据如表2所示。值得注意的是，表1给出的风机全压是风机进出口的全压，而表2中实测的全压是包括了风门在内的风道进出口全压，两者是不同的。因此在确定风机工作点时，选择风机流量做为依据。以锅炉#1引风机为例，按其引风量可确定工作点为图1中的C点。
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从图1的性能曲线可算出，C点对应的风机全压约有5600Pa，但风道上实测的全压只有1779Pa，风压损失了约3821Pa。这部分损失大多是由风门挡板的节流造成的。由于风机风门开度只有45%，风压损失很大，造成风机设备效率只有33.7%。由此可见，如果采用传统的风机调节控制方法，会带来较大的节流损失，特别是在风机的挡板开度比较小的情况下，造成大量的能源浪费。
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调速节能技术就是改变原来以固定风机转速、挡板调节的作法，而是将风机风门固定为全开、通过调节风机转速来调节风机流量。根据风机近似理论，当风机转速改变后，风机性能参数可按下列公式计算：
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Q’/Q = n’/n
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P’/P = (n’/n)2 (ρ’/ρ)
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其中：
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Q：风机流量
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P：风机全压
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n：转速
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ρ：介质密度
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例如，当风机转速由980r/min降为700r/min时，风机性能曲线就由原来的AB下移至A’B’（图1）。同样是54.68 m3/s的引风量，风机全压仅约为2100Pa。由于这时风机风门全开，节流损耗很少，其风机全压完全可以满足原运行工况的需要。
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由于这时的风机全压大大降低，所需的风机轴功率也相应降低。图1中的阴影部分就是原先浪费在风机风门节流上的功率。通过风机调速，这部分功率就可以节省了下来。风机设备效率得到相应提高。
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3 高压变频技术原理
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变频调速技术是风机调速方法之一，同其他风机调速方式相比，它具有高效率、高精度等优点。
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变频调速技术的核心部件是变频器。通常三相交流电的频率是固定的，而变频器可以输出不同频率的三相交流电。由于电源频率发生变化，所驱动的异步电动机转速也会相应变化。
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热电厂改造中选用了两台国产的6kV变频器，型号为HARSVERT-A06/050（容量500kVA）。该变频器采用单元串联多电平技术，直接输出6kV正弦波电压，属于高-高电压源型变频器。
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该变频器的核心部分是功率单元模块，其原理图如图2所示。
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变频器的主结线图如图3所示，6kV电源经移相变压器后，输出21组不同相位的低压三相电源，每组三相电源各驱动一块功率单元模块。在每块功率单元模块中，三相电源经整流、逆变，得到单相电源。21块功率单元模块分成三组，每组7块进行输出串联，从而得到三相电源。各个功率单元模块采用移相PWM（脉宽调制波）技术，每相的功率单元模块输出相互叠加，形成非常完美的正弦波。
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（1）由于变频器的输出是由多级功率单元模块输出的移相PWM叠加而成，输出波形十分接近正弦波，谐波很少，变频后电机的附加损耗小，因此该类型变频器可应用在普通的三相异步电动机上。
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（2）功率单元模块的输入电源是经过不同角度的移相，在一方面削弱了变频器输入电源的谐波，另一方面也提高了变频器的功率因数和效率。变频器在额定功率下的功率因数可达0.95，效率达96%以上。
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（3）变频器输出采用多级功率单元模块串联叠加输出，各单元模块分担电压较低，可采用低压电器元件，可靠性高。
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（4）各功率单元模块带有旁路功能（见图2中的电子开关K），任何一级单元模块故障，模块上的K闭合，单元模块故障自动旁路切除，分散了故障停机的风险。
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（2）需要的功率元器件数目较多，控制回路较复杂，成本较高。
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4 效益估算
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从能量损耗的过程来看，主要有变频器损耗、电动机损耗、风机损耗、管路损耗等。变频器在额定工况下效率为96%，在一般工况下效率略低些，现取效率为92%；高压电动机的效率为95%；风机效率取A、B两种工况效率的平均值75%；管路损耗较为复杂，现取效率为90%。整体效率约为：92%×95%×75%×90% = 59%。以锅炉#1引风机为例，风机有效功率为97.28kW，估计改造后电动机功率为97.28 / 59% = 165kW，估计可节电：(288.8 – 165) / 288.8 = 43%。
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5 变频改造情况及出现的问题
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运行期间曾出现过一次单元模块超温报警，故障单元模块自动旁路成功，变频器继续保持运行。事后经过分析，认定为测温元件受干扰误报警所致。利用锅炉小修的机会，厂家对变频器控制程序进行升级，增加抗干扰功能，消除了误报警误障。
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因为变频器启动转矩较低（2倍额定转矩），所以在启动时要特别注意避免出现单元模块过流故障。锅炉在单引风机运行的特殊工况下，停运的引风机会因风门不严密而处于倒转状态。这时如果直接启动变频器，就会出现因过流而不法启动风机的现象。解决的方法是，在启动前先将风机进行制动，待风机停转后再启动变频器。
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对比改造前后的数据可知，风机设备效率明显提高。#1引风机电功率由288.8kW降低至162.0kW，#2引风机由273.4kW降低至167.1kW，共节省电功率233.1kW，节电率达41.5%。与改造前效益估算基本相符。从运行实绩来看，2003年第三季度锅炉引风电耗比去年同期减少了57万kW h，节能效果十分显著。
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