应用案例 变频器在电厂脱硫系统增压风机上的应用

  兖矿科澳铝业有限公司是兖矿集团与澳大利亚龙澳国际发展有限公司合营的大型煤-电-铝联产企业。南屯电厂为兖矿科澳铝业有限公司下属生产单位，电厂自备发电机组为燃烧低热值燃料的综合利用电厂，采用的生产的基本工艺均为节能、降耗、低污染的清洁生产工艺。

  兖矿科澳铝业有限公司南屯电厂3×220t/h锅炉烟气脱硫（EPC）总承包工程采用洛阳天誉公司具有自主知识产权的TY-Ⅱ型氨-硫酸铵湿式烟气脱硫脱氮工艺技术。该脱硫系统总处理烟气量为780000m3/h，其中入口烟气温度为180℃，入口烟气中SO2的浓度为1789mg/Nm3，出口烟气中SO2的浓度小于等于100mg/Nm3，脱硫系统出口烟气中含氨量小于等于10ppm，系统新建一套硫酸铵回收装置，年可回收硫酸铵达近万吨。

  南屯电厂锅炉配套烟气脱硫项目工程中，电厂锅炉进行脱硫系统（FGD）改造后，每套FGD装置进口原烟气侧（高温烟气侧）配置了两台增压风机，一用一备，用于克服FGD挡板、吸收塔及内部部件引起的烟气压降，脱硫烟气压力控制管理系统根据原烟气挡板前的压力，通过PID控制增压风机的叶片角度，来控制送入FGD系统的烟气速度，保证原烟气挡板前的压力稳定在设定值，以适应锅炉负荷的变化。脱硫系统增压风机工艺流程图如图1所示。

  增压风机出力调整采用通过改变风机的叶片的角度来调节。通过改变风机静叶的角度来调节风量尽管比一般都会采用控制入口挡板开度来实现风量的调节有一定的节约能源的效果，但是节流损失仍然很大，特别是低负荷时节流损失更大，另由于节流调节，存在风机运行中振动、躁音等问题。同时异步电动机在启动时启动电流一般达到电机额定电流的6～8 倍，对厂用电形成冲击，同时强大的冲击转矩对电机和风机的常规使用的寿命存在很大的不利影响。

  由于目前增压风机风量调节方式不能很好的满足锅炉低负荷稳定性运行需要，所以电厂考虑对增压风机进行调节性能和节约能源改造，来满足机组整体调节性能需要。

  在风机的各种调节方式中，变频调节应用比较广泛。当风机转速发生明显的变化时，其运行效率变化不大，其流量与转速的一次方成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比，风机转速降低后，其轴功率随转速的三次方降低，驱动风机的电机所需的电功率亦可相应降低。故考虑采用变频调速实现对增压风机电机转速的线性调节，平移风机运行特性曲线，避开失速区，同时能取得较好的节能效果。

  针对上面讲述的情况，南屯电厂领导对脱硫设备增压风机进行变频改造，在节省本金的策略前提下，考虑到国产高压变频器设备水平已接近国际水平，能满足现场工艺运行要求，进行性价比比较，通过公开对外招标，采用山东新风光电子科技发展有限公司生产的风光牌JD-BP37-900F型高压变频调速器对增压风机做改造，采用“一拖二”控制，改造取得了成功。现场#1、#2增压风机完全相同，其中#1增压风机参数如下表1所示。

  山东新风光是国家高新技术企业， JD-BP37系列高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，其谐波指标小于IEE519-1992的谐波国家标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，能够正常的使用普通的异步电机。

  风光牌高压变频器为高--高电压源型模式，由移相变压器，功率单元和控制器组成。JD-BP37-900F高压变频器采用30脉冲整流，功率单元每相采用5个功率单元串接组成，三相共15个单元；输出相电压为11 电平，输出线 电平，功率单元旁路单元采用可控硅作为旁路器件。不降额运行，同一相允许1个被旁路掉的功率单元。控制器部分以高速微处理器实现控制以及与子微处理器间进行通信。风光高压变频器采用模块化设计，互换性好、维修简单。JD-BP37-900F高压变频器主要技术参数如下表2所示。

  南屯电厂机组脱硫系统有两台增压风机，一用一备，变频器控制增压风机采用一拖二控制，自动旁路方案。

  此方案系统由三大部分所组成：高压变频器，隔离变压器，两个高压开关柜。隔离变压器保证不同系统间的相互隔离；输出不需额外加滤波器，保证原电机不改动：同时变频器出现故障，可进行自动切换至工频旁路，保证电机的可靠运行。一拖二自动旁路主回路控制如图2所示。其基础原理如下：

  QS1与QS2间进行互锁，QS3与QS4间进行互锁，当#1电机变频时合QS1、QS3，断QS2、QS4、QS6；当#2电机变频时合QS2、QS4，断QS1、QS3、QS8。为了维修KM5、KM6方便，在KM5、KM6两端加了两个刀闸。

  如果#1机工作在变频状态，#2机可以工作在工频状态或备用状态；相反如果#2 工作在变频状态，则#1 可以工作在工频状态或备用状态；如果检修变频器，断开QS1-QS4，两台负载#1、#2都可以工频运行。该接线机工作都能实现变频－工频或工频－变频的切换。运行中，若变频增压风机电机出现故障（6kV断路器保护跳闸或变频器故障停机），能够在变频器退出运行后，自动投入工频，由现有系统的“备自投”开关选择“自动”或“手动”。

  由于机组6kV厂用母线均带有给水泵电机，大机组给水泵电机功率相当大，在给水泵联锁启动时，母线%以下，根据泵启动后带负荷的情况，电压跌落维持的时间可能维持10～20S，因此变频器瞬停保护对保证风机的持续运行很重要。风光高压变频器具有掉电3S不停机功能，在高压变频器高压失电3S内，高压变频器自动减速继续运行，3S内恢复高压变频器从最后运行频率开始恢复运行，3S内高压未恢复变频器停机，30S（可设置）内高压恢复变频器自动执行飞车启动。

  对于脱硫项目除尘风道采用两个增压风机引风，一用一备。在停止一台风机时，另一台增压风机自然旋转，变频器要想启动另一台风机，如果变频器没有此功能，则会出现过流保护，必须等待电机完全静止后再启动，而这势必会耽误调试或生产时间。风光牌JD-BP37系列高压变频器能够识别电机的速度及转向并在电机不停转的情况下直接起动。为了适应国内电网波动大，在电网电压波动不超过＋15～－35％U0情况下，变频系统保持正常运行，在超过上述范围时，可提供有效过、欠压保护；并在电网回到正常状态后，自动搜索跟踪电动机转速及转向按照设定曲线回到正常状态运作时的状态，保证生产设备较大限度安全运作。为满足不同现场对飞车启动功能的需求，系统提供完备的参数设定功能，真正适应现场运行工况要求。

  现在的高压变频器一般设置工频旁路切换柜，变频器出现故障时能使高压电机转至工频运行，旁路切换有手动旁路和自动旁路切换两种型式，手动旁路需人工操作，时间比较久，适应于无备用装置或不重要的运行工况，自动旁路可在变频器出现故障后直接自动转换至工频运行。本项目中企业来提供自动旁路切换柜，不仅可实现变频故障情况下自动由变频转换至工频运作时的状态，还可实现在变频检修完毕后由工频瞬间转换至变频的功能，整个转换过程不会对用户设备的运行造成任何影响。用户采用哪种切换方式可选择。

  变频器某相有单元故障后，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通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出较大且不相等的前提下保证较大的线电压均衡输出。在运行中，如果有任意三个单元以内发生故障，变频器本身会自动旁路该单元，同时变频器主控系统具有星点漂移功能，使三相输出线电压保持平衡，不会对电动机造成不利影响。

  本脱硫项目增压风机变频改造项目于2010年6月1日正式投入运行。至今运行正常，用户非常满意。南屯电厂节能服务中心对增压风机正常运行时参数实际测量如下：机组负荷100MW，增压风机工频运行，母线kW；增压风机变频运行，运行频率为35.7Hz，静叶档板开度为100%，母线，电机实际功率401kW；电机功率减小381kW。按照增压风机年运行小时数为7000h，节省电量大约为2667000kW·h，电价按照0.30元/ kW·h计，则一台增压风机变频改造的收益约为80万元。

  另外变频器实现电机软启动，减小电机启动冲击；控制方便、灵活；降低风机维护费用，延长设备常规使用的寿命；具有过压、过热、过载、短路及外围联锁保护等多项保护功能，改造间接效益无法估量。

  南屯电厂脱硫项目增压风机高压变频器运行4个月来，其稳定性很高、节约能源的效果明显，能够准确的通过锅炉的脱硫增压风机工况情况做风量调节，大幅度的提升锅炉脱硫系统运行的稳定性，提高了机组运行的经济性。在锅炉风机的燃烧系统中应用高压变频器节能降耗，是国家大力提倡节能降耗政策不可缺少的技术方法。高压变频器越来越在电力、冶金、石化、水泥、矿山等高压电机驱动的各个行业会大显身手。

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