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高压变频器在循环流化床锅炉上的应用
九洲电气 霍文福
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摘 要：本文主要介绍高压变频器在循环流化床引风机、一次风机调速方面的应用，与传统档板调节进行比较及简述高压变频器的基本原理、应用的技术方案。
关键词：高压变频器、节能降耗
一、引言
新疆农一师电力公司—塔里木热电厂距离阿克苏市区13公里，于96年该热电厂建成的I期供热工程，总机组发电容量为 2ⅹ12MW ，2台锅炉容量为2ⅹ75T/H ，总供热面积为125万㎡ ，由于城市的扩容和发展，人口的不断增长，已经完全不能满足整个阿克苏市区人民基本的取暖问题，所以每年每到冬日供热期间，整个阿克苏市区由于分散供热所带来的污浊的空气，给人们的身心带来了极大的伤害。为此农一师电力公司以“集中供热为阿克苏人民送一片温暖，集中供热还阿克苏人民一片蓝天”为宗旨，自筹资金在阿克苏市郊区建成了2 台锅炉容量为2ⅹ75MW ，总供热面积为130万㎡ 的II期供热工程—塔里木（阿克苏）供热中心热源厂。
二、供热系统技术总方案：
整套技术方案本着“节能降耗”环保型、高效率的产品为主、并且要求技术领先成熟、产品运行可靠为前提，其2套供热机组方案如下：
1、供热锅炉采用唐山信德锅炉集团生产的QXX75-1.6/130/80-AII型循环流化床锅炉
其循环流化床锅炉具有高效、低污染、低成本等特点。
循环硫化床作为一种清洁高效燃烧技术在国际上被广泛认可，循环流化床的燃烧是介于层燃和室燃之间的一 种燃烧技术，是采用流态化的燃烧，其具有燃烧适应性广、燃烧效率高、燃烧强度大，温度分布均匀、由于采用低温分级燃烧，高效脱硫、氮氧化合物排量低、负荷调节范围大、污染物排放低、灰渣综合利用性能好等特点，属于环保型锅炉，是国家大力推广的新型锅炉。其燃烧工艺如下：燃料由炉前给煤系统送入炉膛。送风系统由一次风（鼓风）和二次风组成，一次风由炉床下部送入炉膛，主要保证料层流化：二次风沿燃烧室分级多点送入，主要增加炉膛的含氧量起到助燃作用。燃烧后的物料变成一些较小的颗粒随烟气一起进入分离器，经过固气分离其中大部分颗粒由分离器下部的返料器重新送入炉膛，使炉膛内有足够高的灰度，保证流化；烟气经过电除尘器由引风机抽出。
2、引风电机（10KV、800KW）、一次鼓风电机（10KV、710KW）为长沙电机厂生产，其控制系统各2套均采用哈尔滨九洲电气股份有限公司生产的Power SmartTM--高压变频调速控制装置来对风机风量和风压的控制。
风机系统中流量的调节如果采用改变档板开度的方式，那麽就在档板上产生附加的压力损失，因而消耗了大量能源。所以采用变频调速技术来控制风机系统，不仅可以节约能源，就其高精度控制而使系统运行更加合理可靠。（以下将详细说明也是本文的重点）
3、二次风机（380V、250KW）、罗茨风机（380V、75KW）、循环给水泵（380V、500KW）、给煤机（380V、55KW）的控制系统均采用美国伊顿公司生产的—低压变频调速控制装置。
三、针对引风机、一次鼓风机就其控制系统，分别上高压变频器的前期调研与分析
1、引风机、一次鼓风机如果采用低压（380V、800KW）的电机和低压（380V、710KW）的电机，那么电机的额定电流将达到一千多安培，电机的控制系统-低压变频器其输出的电流也要达到上千安培，对于要求设备长期可靠、稳定的运行，表示担心；
2、因在设计引风机和一次鼓风机的初期就将其容量付有裕量，不可能达到风机挡板全开、电机容量达到额定值的情况；
3、如果采用原来的是传统做法，即风机以定速方式运行，通过风机挡板来调节风量和风压，其主要弊端主要表现为：
3.1、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；
3.2、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；
3.3、风道压力过高，威胁系统设备密封性能；
3.4、长期的40－70％开度，加速挡板自身磨损，导致挡板控制特性变差；
3.5、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；
3.6、设备起动冲击电流大，需增加配电设备容量而增加投资；
3.7、与DCS不能直接配合，难于实现自动化控制与操作。
四、Power SmartTM高压变频调速控制装置系统技术方案：
1、系统组成：
Power SmartTM系列高压变频调速系统主要由切分移相干式变压器柜、功率单元柜、控制单元柜、远控操作箱、旁路开关柜等部分组成。变频器整机如下图所示：

（图片）

1.1切分移相干式变压器
切分移相干式变压器为变频器的输入设备，一般由铁心、输入绕组、屏蔽层、输出绕组及冷却风机、过热保护等部分构成。
为了兼顾安全、防尘、维护以及美观等要求，一般将其安装在柜内。
Power SmartTM系列高压变频器选用的变压器，其绝缘等级为H极，绝缘材料部分选用进口的美国杜邦公司优质产品，温升可达155℃；真空浸漆，免维护。
变压器的原边为星形连接，在最内侧。副边在外侧，为沿边三角形连接，根据不同的电压等级，一般有9、18或27个三相的副边绕组。在原副边绕组之间另设有一层接地屏蔽层。副边的三相绕组可分为三大组，分别供给功率单元柜中的三个相，每一大组中各个三相小绕组其输出电压幅值相同，之间的相位移有20O、10O或6.6O。
变压器柜另配有温度监测装置，在绕组温度超过警戒温度时能提供过热警告信号和过热故障信号。变压器柜顶部装有引风机以排出变压器在工作时产生的热量。柜门安装有防尘网。
切分移相干式变压器外形如下图所示：

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1.2控制单元柜
主控制器的外观如下图所示：

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控制单元柜主要由主控制器、温控器、风机保护器、人机界面（数码管和彩色触摸屏可选）、PLC、嵌入式微机、开关电源、EMI模块、隔离变压器、空气开关、接触器、继电器、模拟量模块、开关量模块等组成。
主控制器，由总线板、电源单元、CPU单元、接口单元、3个相控单元及开关量、模拟量的输入、输出子模块等组成。它是变频器的控制核心，由两片DSP及多片FPGA、CLPD等构成，通过优质光纤将PWM信号传送到功率单元中，从而实现了高可靠的控制。
温控器，可以接3个感温探头，来测试切分变压器的温度，并提供告警或保护节点。
风机保护器，有3台，用来监控风机的缺相、过流等。其中，接功率单元柜的为2台，切分变压器柜1台。
PLC，内置PID调节模块和程序，可以实现闭环控制。它还含有模拟量、开关量模块，其路数可根据用户要求进行定制。
人机界面，设在控制单元柜前门上，用来提供设置、监视和切换等操作。它分别有数码管方式和彩色触摸屏方式两种，根据用户需求可进行选配，分别如下

（图片）

1．3功率单元柜
功率单元柜，一般由1～2台柜构成，主要由功率单元、电流互感器、输出电压检测单元、风道风压检测装置及高压电缆等组成。
10KV系统功率单元共计27台，平均分属3个相（自上而下分别为U,V,W），每相9个首尾相串，相间采用星形连接。电流互感器作为电流采集、处理、监视及电流闭环用，共2只，分别串入功率单元星点连接处的U相和W相上。输出电压检测单元，输入端分别接至星形连接的3个相端。用来检测输出电压等信息。风道风压检测装置用来实时检测冷却风道是否畅通，风压可以实时动态显示，它与风机电脑保护器、温控器一起共同组成变频系统冷却监视系统，进一步使变频器热量能够及时传导出去，确保变频器可靠运行。

（图片）

2、工作原理：

（图片）

（图片）

功率单元模块由整流、软启动、滤波、逆变、旁通、 PWM形成、驱动、保护、模拟量采集等电路组成。
功率单元模块由整流二极管、绝缘栅双极性晶闸管（IGBT）构成的三相低压输入，单相输出低压的PWM电压型逆变器。由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器；
Power SmartTM系列高压变频器是采用单元串联多重化技术属于电压源型高-高式高压变频器，是利用低压单相变频器相互串联，来弥补功率器件IGBT的耐压能力的不足。所谓多重化，就是每相由几个低压功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器来独立供电。
以10KV高压变频器为例，论述如下：10KV系列有27个功率单元，每 9个功率单元相串联为一相。每个单元的输入电压为三相650V，输出则为单相650V，单元相互串联叠加后可输出相电压5850V。当变频器输出频率为50HZ时，相电压为19阶梯波，如下图所示。图中UA1 … UA9分别为A相9个功率单元的输出电压，叠加后为变频器A相输出电压UA0。图中显示出了生成PWM控制信号时所采用A相参考电压UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF为A相输出电压中的基波成分。

（图片）

由于变频器中点与电动机中性点不连接，变频器输出实际上为线电压，由A相和B相输出电压产生的UAB输出线电压可达10000V以上，为37阶梯波。如下图所示，为输出的线电压和相电压的阶梯波形，UAB不仅具有正弦波形而且台阶数也成倍增加，因而谐波成分及dV/dt均较小。

（图片）

变频器输出的三相电压加到电动机上，产生电流使电机旋转，额定运行时电机的电压和电流（实测波形）如图所示，可看出由于输出电压的谐波很小，电机电流接近于正弦波。
采用多重化叠加的方式，使变频器输出电压的谐波含量很小，不会引起电动机的附加谐波发热。其输出电压的dV/dt也很小，不会给电机增加明显的应力，因此可以向普通标准型交流电动机供电，而且无需降容使用。由于输出电压的谐波和dV/dt都很小，不需要附加输出滤波器，输出电缆也长度无要求。由于谐波很小，附加的转矩脉动也很小，避免了由此引起的机械共振，传动系统及轴承的磨损也大为降低。
在变频器输入侧，由于变频器多个副边绕组的均匀位移，如10KV输出时共有9种位移不同绕组，变频器原边电流中对应的电流成分也相互均匀位移，构成等效54脉动整流线路，结果变频器输入电流中谐波含量大为减少，远低于标准规定的限值。变频器工作时的功率因数达0.96以上，完全满足了供电系统的要求。因此不需要附加电源滤波器或功率因数补偿装置，也不会与现有的补偿电容装置发生谐振，变频器工作时不会对同一电网上运行的电气设备发生干扰，因而被人们誉为“完美无谐波的高压变频器”。
3、技术特点：
3.1 采用双DSP控制，无须工控机，可靠性高，速度高达纳秒级，比工业控机的响应速度快1000倍，杜绝了变频器死机问题；
3.2 采用54脉冲整流（以10KV变频器为例）及空间矢量多重化PWM技术，每相由9个功率单元串联而成，并直接驱动电动机，无需输出升压变压器。输出电平数高，dv/dt很小，输出波形接近正弦波，无需正弦波滤波器，电机运行平稳；
3.3采用专利技术的实时光纤传送技术，对功率单元进行控制，避免了同类厂家的数据打包通讯方式带来的波形延迟现象；
3.4 变频器输出转矩脉冲窄，控制精度高，避免了机械共振，减少传动机构的磨损，电动机的电应力强度与采用工频电源时相近，无明显附加影响，电动机噪声与采用工频供电时相近；
3.5 输入采用多重化的切分变压器，绝缘等级H级，原副边之间采取接地屏蔽措施，并提供变压器过热告警、保护功能，130℃告警，150℃故障跳闸，告警与故障点可根据设定，变压器过载能力强120% 60min，200% 10s,输入阻抗高达8%，抗短路电流冲击能力可达到额定电流的12.5倍；
3.6 采用先进的反擎住技术，使得IGBT更加可靠运行。
3.7 完善的自我诊断和故障预警机制，上电自检，运行中实时监测，检测速度高。通过双DSP系统，实现纳秒级运算并进行综合判断，分析准确，减少变频器误报警。故障的自诊断及保护功能相当完备，多达400多项的诊断信息，对电网和负荷有很强的适应性；
3.8 具有PWM控制波形与逆变输出波形实时验证功能，提高了输出波形的准确性，增强了系统无故障的运行能力，而同类厂家的数据以打包通讯方式则无法实现此验证功能；
3.9 具有反转启动和飞车启动功能，无论电机处于正转还是反转状态，变频器均可实现大力矩直接启动；
3.10 变频器具有软启动功能，可以实现一拖多软启动；
3.11 为避免电网短时失电对生产造成影响，变频器具备来电自启动功能。当电网电压消失后，变频器将判断处理或者紧急停机，如果在20秒内电网电源又恢复，变频器会进行自动启动，恢复停机前的运行状态；（通过软件参数设置来自选此功能）
3.11 具有GPRS远程监控功能，可以将高压变频器的运行数据及故障信息，通过GPRS通信系统传输到公司总部的本地服务器上显示、处理、存储，以便进行远程故障诊断，快速解决问题；
3.12 变频器发生短路、接地、过流、过载、过压、欠压、过热等情况时，系统均能故障定位并且及时告警或保护；
3.13 对电网波动的适应能力增强。针对生产负荷波动大的工况，变频器进行了特殊设计（可通过软、硬件来设置），大幅度提高了其抗电网波动能力，做到电压波动在±15％以内时，变频器可以维持满额输出；电网电压降落在－15％～35％以内时，变频器将短时降额运行，不进行欠压保护，待电网电压恢复正常后，变频器自动恢复到原来的工作状态，大大减少了电压跌落造成的停机现象。
3.14 优秀的模块化设计，使得MTTF小于30分钟，其优点：
3.14.1.模块化设计，使得系统的可维护性大大提高。如果功率单元损坏，只要拆几个端子，换一个就可以了，非常方便。这使得平均可维护时间(MTTF)由过去的数个小时，一下子降到了目前的30分钟。
3.14.2.支持中心点偏移式的旁路技术。当某一个功率单元失效时，能够立即对该单元实施旁路处理，而整个变频器的输出仍能维持94%以上的电压，这保证了系统的不间断运行。
3.14.3.采用功率单元式结构，很好的解决了高压大功率调速领域的技术矛盾。这为高压大功率低谐波变频器的研制提供了崭新的思路。
4、系统的配置
4.1 内置PID调节器，可以实现闭环控制；
4.2可以实现触摸屏、数字键盘、模拟电位器、远程DCS等多种频率设定方式，适应各种用户需求；
4.3具有与用户隔离的开关量、模拟量输入输出接口，确保了与用户现有设备的可靠连接。可提供开关量输入输出接口各32路，模拟量输入输出接口4和8路，也可根据用户要求自由配置；
4.4采用两路控制电源（AC220V）供电，一路由输入变压器二次绕组提供，一路由用户现场提供。变频器同时内置UPS电源，保证无扰动平滑切换，控制电源失电变频器不停机；
4.5完整的参数化功能，对于用户的各种应用可全面支持。
5、经过严格调研Power SmartTM系列高压变频器与同类产品的比较：

序号

 

哈尔滨九洲（JZE）公司生产的高压变频器

其它厂家生产的同类型产品

采用的技术

特点

采用的技术

特点

1

整流电路

带有预充电功能的整流电路

上电过程冲击电流小，对电网影响小，但成本较高；

无预充电功能的整流电路

上电过程冲击电流大，对电网影响大，但成本低；

2

控制系统

采用：

数字信号处理器（双DSP）；

 

速度快，指令周期为纳秒级，数据处理能力强，稳定性好，但成本较高；双CPU 设计，可靠性高，不会出现变频器死机现象；

单片机（单MCU）

速度慢，指令周期为微秒级，数据处理能力弱，稳定性差，但成本较低；有时会出现单片机死机现象；

3

瞬时掉电

具有瞬时掉电再恢复功能；

当电网波动或瞬时掉电后，变频器不会故障停机，而是自动降速，待电网恢复后，变频器将自动恢复至掉电前转速下运行；

没有此功能

-

4

存储器

双口RAM；

读、写数据两不误，可同时进行，速度非常快，但成本很高；

普通的单口RAM

读、写数据不能同时进行，需分时处理，速度很慢，但成本低廉；

5

功率单元故障检测

具有：

IGBT过流，单元过热，电容异常，直流过压，直流欠压，电网缺相，IGBT不导通，无脉冲，无PWM，CPLD故障，5V电源故障，紧急旁通，未能旁通，已旁通，单元禁止，单元允许等等；

检测功能完善，设计水平较高，与发达国家处于同等技术层次，但实现起来成本较高；

仅有：

IGBT过流，单元过热；

检测功能单一，但实现起来容易，技术含量不高，成本很低；

6

功率单元模拟量检测

具有功率单元直流母线电压（甚至温度）的模拟量采集功能，而且是实时上传到控制单元的；

该功能可以形象地了解电机的泵升情况，及电容的充放电波形曲线。

无此功能

-

7

大规模门阵列

采用高速的FPGA、CPLD，门数非常高，达120000门；

高速的FPGA、CPLD，实现了PWM的高度实时性、快速性和准确性；

采用高速的FPGA、CPLD，但门数较低；

实时性、快速性和准确性都较差；

8

冷却风机

高效率风机；

带有风机缺相、过流、过载等检测保护功能；

高效率风机；

有风机缺相、过流、过载等检测保护功能；

9

IGBT驱动电路

采用进口专用驱动模块；

安全、可靠、稳定；

自制的驱动模块；

安全性能较差；

6、技术方案：

（图片）

当变频器出现严重故障时，系统能够根据需要手动转入工频电网中，电机全功率运行，（也可以自选择采用手动或者自动相切换的方案）。本方案中 QS1和QS2、QS3分别为电机工频、变频运行选择隔离开关。各隔离刀闸之间要求用程序锁实现严格可靠的机械互锁和电气闭锁，以防止误操作，同一状态只允许QS1或QS2和QS3闭合工作。
7、应用效果：
循环流化床锅炉在正常运行时，炉膛压力必须在正常的范围内。流化床锅炉属微负压操作，其炉膛料层风速控制的好坏直接影响锅炉的循环和流化燃烧状态。风速过小，流化不起来，燃烧状态差；流速过大，烟气热损失大，不利于经济燃烧。为了使炉膛煤粉在流化状态下的燃烧达到最佳化，需实行一次鼓、引风压差比控制，通过料层底的供风正压与炉膛引风负压形成料层流化状态，与此同时，靠一次鼓风提供必要的燃烧用氧。
通过变频器的精细调节与控制，可以非常平稳的调整风机风量，在运行中可以任意调整锅炉负荷，使锅炉运行参数得到改善，提高了锅炉效率，从而可以避免因通过调节阀门控制使风机过多偏离高效率工作区而引起的振动，也避免了使锅炉温度产生波动。
冬季供暖期为5个月，以1#炉引风机和一次鼓风机目前运行的工况，通过高压变频器来调节风机的风量和风压，大约可以节约人民币引风机为73～114万；一次鼓风机为45～69万，2套风机合计节约人民币为118～183万，节能效果十分显著。
其主要应用效果如下：
1、变频起动对电网没有任何冲击。由于有变频调节，对于风机可以实现变频软起动，风机在低频下启动，启动电流很小，启动时间延长，避免了原来在较大惯性负荷情况下，数倍的额定起动电流对电网和机械设备的冲击，有效延长了电机寿命。而且变频还可以随时起动或停止；
2、按需调节风量，避免浪费。由于变频器通过变频调节风机的转速来控制风机的送风量而不再需要由风门来调节，其调节范围可以从0%—100%；因而可以根据生产工艺要求随意调节风量，减少了不必要的浪费；
3、变频节能运行，节约了大量能源。采用变频使用后，不再使风机一直处于满负荷工作状态，另外风机阀门处于全开状态，其节能效率显著；
4、降低风机工作强度，延长使用寿命。采用变频使用后，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、使用变频后，由于启动和停止时间都可以设定，减少了对烟道、风道和风门挡板的冲击腐蚀，相应的延长了很多零件的使用寿命，有效的提高了相应设备的检修周期，节约了大量维护费用。
6、可使电动机与风机直接相连接，减少传动环节的费用；
7、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；
8、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；
9、与DCS系统的可靠衔接，其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。
8、结束语：
Power SmartTM高压变频系统由于其节能效果明显，特别是在低负荷（如锅炉在点火、压火、停炉）时更为显著，采用变频调速后实现了电机软启动，延长了电机和风机的使用寿命，由于风门全开，极大的延长了风门的使用和检修周期，也减少了风管道的振动和摩擦。提高了锅炉的利用效率。通过数月的连续运行，该变频系统工作稳定、性能可靠，在循环流化床锅炉上的应用，发挥着不可磨灭的效能。
9、参考文献：
1、《电厂锅炉原理》 丁立新（主编）中国电力出版社
2、《锅炉技术问答1100题》 丁明舫 等 中国电力出版社
3、Power SmartTM高压变频系统技术、应用手册 2/17/2009

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