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高压交流变频调速技术在热源厂的应用

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：张春林

[导读] 摘要：本文根据热源厂各种高压辅机的实际运行工况，进行了节能方案分析，并指出了变频调速的方法和节能原理，分析了风机、水泵的节能情况，认为变频调速技术方案已经成熟，节电效果显著，选用变频调速设备将大大降低运营成本，提高企业经济效益。

        （天津泰达热电四厂）
        摘要：本文根据热源厂各种高压辅机的实际运行工况，进行了节能方案分析，并指出了变频调速的方法和节能原理，分析了风机、水泵的节能情况，认为变频调速技术方案已经成熟，节电效果显著，选用变频调速设备将大大降低运营成本，提高企业经济效益。
        关键词：热源厂；风机；水泵；变频调速；节能运行
        1.引言
        高压交流变频调速技术是二十世纪90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，主要用于交流电动机的变频调速，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式。变频调速以其显著的节能效益，高精确的调速精度，宽泛的调速范围，完善的电力电子保护功能，以及易于实现的自动通信功能，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给企业带来了极大的便利，使之成为国内外企业采用电机节能方式的首选。
        2.变频器的硬件组成
        （1）总体结构
        变频器由控制柜、单元柜、变压器柜、旁路柜、上位机等几部分组成。
        （２）控制柜
        主要由主控（CPU）、PLC、UPS、开关电源、控制电源开关、继电器、接触器、人机界面、操作按钮等几部分组成。
        ①主控系统
        主控系统为变频器的核心，它接收和处理来自上位控制及PLC的控制命令，产生每项各级功率单元的触发脉冲，同时采集和处理所有功率单元反馈回来的故障信息。
        ②内置PLC
        变频器通过内置的PLC实现柜体内外开关量信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的接口。
        ③ UPS
        当外部提供的交流220V控制电源掉电时，继续向变频器提供控制电源，以保证变频器的正常运行。
        （3）单元柜
        功率柜主要用于安装功率单元，由功率单元、风机和附件、电流LEM、接线端子等组成。
        （４）变压器柜
        ①变压器柜主要由移相变压器、温度控制器、冷却风机等部件组成。
        ②移相变压器柜设有顶风机，提供冷却功能。通过温度设置实现超温报警和保护跳闸的功能。
        （５）旁路柜
        在变频器退出运行时，可通过开关切换旁路将电动机和机械设备直接挂接工频电网运行，而将变频器隔离。

                                         图1
        3.高压变频器的手动工频旁路工作原理：
        ⑴ 如图1所示，工作在变频状态时，断路器QF1、刀闸QS1合通，刀闸QS2置于变频位置，此时变频器串接于电源和电动机之间，系统处于变频工作状态；
        ⑵ 当出现变频器系统故障时，变频器自动停机，并主动分断QF1。
        ⑶ 如果需要继续运行电动机，可以通过人工手动将QS2置于工频位置并分断系统中的QS1，再合通QF1，电动机进入工频运行状态。
        ⑷ 这里需要注意的是，转入工频运行后，必须重新控制节流装置（风门或阀门），以保证运行工况满足工艺要求。
        4.高压的单元智能旁通功能
        单元智能旁通功能是一种快速地、自动的切除出现故障功率单元保证系统继续运行的方法。如图2所示：

                         图2
        （1）当一个功率单元出现故障时，故障报警信号传输给主控系统，在允许旁通的情况下，用最短的时间实现故障功率单元的旁通，保证负载继续运行，同时发出报警信号。
        （2）当引发功率单元出现旁通的故障消失后，功率单元将该信息通知主控系统，主控系统根据实际情况自动恢复该功率单元的正常，大大降低了停机的几率。
        （3）如果引发功率单元出现旁通的故障不能消失，变频器可以一直连续工作到有停机条件时，再进行功率单元的更换。
        5.变频调速的节能原理
        通过流体力学的基本定律可知：风机（或水泵）类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力（扬程）H以及轴功率P具有如下关系：
        Q1/ Q2＝n1/n2                （１）
        H1/ H2＝（n1/n2）2            （２）
        P1/ P2＝（n1/n2）3           （３）
        式中 Q1、H1、P1—风机（或水泵）在 n1转速时的流量、压力（或扬程）、轴功率；
        Q2、H2、P2——风机（或水泵）在n2转速时的相似工况条件下的流量、压力（或扬程）、轴功率。
        由公式（１）、（２）、（３）可知，风机（或水泵）的流量与其转速成正比，压力（或扬程）与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。
        由公式（３）可知，在其它运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速度，其节电效果是与转速降落成立方的关系，节电效果非常明显。
        6.高压变频调速系统优点
        现在有很多电力企业已经采用新型的高压大功率变频调速装置拖动风机，取得了良好的节能效果。
        （1）采用先进的拓扑结构与输入变压器副边多极绕组移相整流技术，减少了输出侧的电流谐波，提高了功率因数，解决了对电网的谐波污染，无需任何滤波或功率因数的补偿。
        （2）电动机实现了软启动、软停运，变频器提供给电动机的无谐波干扰的正弦波电流，峰值电流和峰值时间大为减少，可消除对电网和负载的冲击，避免产生操作过电压而损伤电动机绝缘。风机、水泵工作平稳，轴承磨损减少，启动平滑，消除了机械的冲击力，延长了设备的使用寿命。
        （3）变频器自身保护功能完善，更灵敏，瞬间过流保护（超过200%额定电流峰值）10μs，动作有效过流保护（150%额定电流）3s动作，过载保护（120%额定电流）1min动作，大大加强了对电动机的保护。
        （4）调速控制由锅炉DCS控制系统完成，DCS系统负责采集模拟量、开关量等信号，变频器输出的模拟量、开关量信号全部进入DCS系统，形成闭环控制，同时实现相关辅机联锁功能等。
        （5）采用变频调节，实现了挡板、阀门全开，减少了挡板、阀门节流损失，有效地减小了管线的内部阻力，且能够均匀调速，满足调峰需要，具有显著的节电效果。智能调速增强了工艺调节能力。
        （6）由于电动机降低速度运行以及工作在高效率区，电动机的温升和轴承温升下降明显，延长了风机系统的使用寿命。
        （7）低负荷下转速降低，减少了机械部分的磨损和振动，延长了风机大修周期，可节省大量的检修费用。
        7.采用高压变频调速在水泵使用上的经济比较
        水泵的转速在某一范围内变化时，流量、总扬程、轴功率依次有线性、平方、立方关系。但对于实际的水泵负载，通常存在一个与高低差有关的实际扬程，扬程越小，轴功率越接近于同转速成立方的特性，而且转速控制产生的节电效果也越大。水泵是由恒速电动机驱动出口阀及调节阀控制水的流量和压力，当所需水量不是满负荷时，通过人为增加阻力和回流的办法达到调节流量的目的，因而在运行中产生了大量的能量损失。一般老热电联产企业大型水泵平均流量的余量大于20％，即有多于20％的流量损耗在节流阀和回流调节上，若所需要的流量减少20％，则相应的电动机转速也应降低20％，即实际转速为80％，则根据流量与转速的关系式我们可得出：（80%）3≈51％，即按此工况水泵节电近50％。由此可见，节能潜力之大，效益之高。

                                             图3
        8.结束语
        随着国家节能减排政策的出台，加之煤、水、电力价格在随着市场的变化不断上涨，节能已成为各热电联产企业的重要工作。只有降低厂用电率、降低生产成本才能提高企业的经济效益，增强企业的竞争力。实践证明，变频器用于风机、泵类设备取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期。另外，能源的节约还有着巨大的社会效益，因此，采用变频技术节约能源，降低生产成本是各热电联产企业的当务之急。

        参考文献：
        [1] 滨海能源四号热源厂电气设备初步设计上海协鑫电力设计院
        [2] 杜金城，张少军等.电气变频调速设计技术[M].北京：中国电力出版社，2001.
        [3] 吴小洪等：发电厂电动机变频调速系统技术综述《变频器世界》2001.9