榮獲“2005年度工控及自動化領(lǐng)域優(yōu)秀案例”有獎評選 　三等獎 寫作心得：

        

專家點評：
1.該論文選題為電廠改造中降耗所選的熱門題目，降耗明顯，但實際應(yīng)用中還有部分難題沒有解決。
2.改造成本很高。
3.論文分析透徹，效率數(shù)據(jù)不準確。
4.文章論述較規(guī)范。



1 概述
在火力發(fā)電廠中，風(fēng)機和水泵是最主要的耗電設(shè)備，這些設(shè)備都是長期連續(xù)運行并常常處于變負荷運行狀態(tài)，節(jié)能潛力巨大。發(fā)電廠輔機的經(jīng)濟運行，直接關(guān)系到廠用電率的高低。隨著電力行業(yè)改革的不斷深化，廠網(wǎng)分家、競價上網(wǎng)等政策的逐步實施，降低廠用電率，降低發(fā)電成本，已成為發(fā)電廠努力追求的經(jīng)濟目標。在目前電力短缺的情況下，厲行節(jié)能，已被推到能源戰(zhàn)略的首位。我廠#7機組額定容量為330MW，#7爐配有兩臺離心式一次風(fēng)機，采用6kV、1600kW定速電機驅(qū)動運行，靠調(diào)節(jié)進口擋板開度來調(diào)整一次風(fēng)量，以適應(yīng)鍋爐負荷變化。由于當(dāng)初選型時風(fēng)量裕量和壓力裕量都比較大，改造前機組滿負荷運行時一次風(fēng)機電流約120A，擋板開度在60%左右，風(fēng)壓約8.9 kPa，節(jié)流損失較大。在此背景下，對#7爐一次風(fēng)機進行變頻控制改造，降低廠用電，為社會多提供一點電力就顯得很有必要。
2 可行性分析
一次風(fēng)機是火電廠燃煤鍋爐直吹式制粉系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一。根據(jù)鍋爐運行工況，控制一次風(fēng)機進口擋板開度調(diào)節(jié)風(fēng)量大小。風(fēng)機的流量-壓力關(guān)系曲線如圖1所示。在現(xiàn)場控制中，通常采用風(fēng)機定速運行由進口擋板來控制風(fēng)量。


當(dāng)流量從Q0減小至Q1時，擋板開度減小使管網(wǎng)阻力由r0變?yōu)閞1，受其節(jié)流作用壓力H0變?yōu)镠1，工作點由原來的A點移至B點。風(fēng)機軸功率實際值（kW）可由公式： P =Q?H／（ηc?ηb）×10-3得出。其中，P、Q 、H 、ηc 、ηb 分別表示功率、流量、壓力、風(fēng)機效率、傳動裝置效率，直接傳動為1。假設(shè)總效率（ηc?ηb）為1，則風(fēng)機由A點移至B點工作時，電機節(jié)省的功耗為A Q0 O H0和B Q1 O H1的面積差。如果能采用調(diào)速手段改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，那么當(dāng)流量從Q0減小至Q1時，工作點將由原來的A點移至C點，風(fēng)機的運行也更趨合理。在擋板全開，沒有管網(wǎng)阻力的情況下，能耗勢必降低。此時，電機節(jié)省的功耗為A Q0 O H0和C Q1 O H2的面積差；與擋板控制相比更為有效合理，既達到了改變風(fēng)量的目的，又明顯改善了風(fēng)機運行工況，設(shè)備功耗也隨之得到大大降低。據(jù)統(tǒng)計，#7機組2001~2002年有關(guān)指標及一次風(fēng)機用電率見下表1。#7A、#7B一次風(fēng)機及電機的技術(shù)參數(shù)見表2、表3。


在變頻控制狀況下運行，假定年運行小時為8000h,全年的平均負荷率為85%,風(fēng)量約為60%，則一次風(fēng)機的實際功率為30%×1600kW=480kW，2臺一次風(fēng)機年耗電量為:
480kW×8000h×2=7680000kWh
若選定的高壓變頻器容量為2400kVA,其綜合效率為97%，則年損耗電量為:
2400kVA×0.9×0.03×8000×2=1036800 kWh
若室內(nèi)配置10kW功率的空調(diào)，則年耗電10×8000=80000 kWh
全年節(jié)電：18303568×8000/8157-(7680000+1036800+80000)=9154474kWh
全年節(jié)約資金：2002年平均上網(wǎng)電價為0.32元/kWh，考慮到機組低負荷時節(jié)電多而電價低，設(shè)全年平均節(jié)電價0.20元/kWh，則全年節(jié)電效益為9154475kWh ×0.20/kWh＝183萬元；高壓變頻改造總投資約450萬元，按上述工況運行，則大約需2.5年即可收回改造投資。因此，從經(jīng)濟性方面來說，一次風(fēng)機高壓變頻改造是可行的。
從技術(shù)性方面來說，電機的調(diào)速控制可采用液力偶合器、電磁轉(zhuǎn)差離合器、繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、變極調(diào)速、變頻控制等方式。在電力電子器件、變頻和交流電機控制技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外許多科研機構(gòu)及大公司都傾注大量人力物力對中高壓變頻器進行了研究，高壓變頻器技術(shù)已趨于成熟，已成為目前電機調(diào)速技術(shù)的首選方案。
3 設(shè)備選型
目前，國內(nèi)外高壓變頻器的生產(chǎn)廠家較多，主要有AB、羅賓康、ABB、西門子、三菱及國內(nèi)的利德華福、天寵等等。各廠家所生產(chǎn)的高壓變頻器核心差別在于所選用的器件類型有所不同，相應(yīng)地系統(tǒng)配備（變壓器、電抗器、濾波裝置等）都會有所差別，系統(tǒng)的可靠性、效率、諧波抑制效果、熱損值、故障模式都會有所差別。不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計又會使得散熱效果、環(huán)境要求、應(yīng)用友好性和系統(tǒng)可維護性存在諸多差別。經(jīng)過調(diào)研，2004年1月初，我廠邀請了浙大能源科技有限公司（羅克韋爾自動化AB）、保定中能自控技術(shù)有限公司（羅賓康）、北京利德華福技術(shù)有限公司、北京天寵電力技術(shù)有限公司等四個單位參加#7爐一次風(fēng)機高壓變頻改造設(shè)備招標，經(jīng)對各廠家的業(yè)績以及所提供的技術(shù)方案進行認真的審查，并結(jié)合其報價進行綜合比較，選定浙大能源科技有限公司（羅克韋爾自動化AB公司）。從技術(shù)角度看，AB 公司CSI-PWM電流源型變頻器設(shè)計簡單，可靠性高，應(yīng)用已經(jīng)有超過10年的歷史，發(fā)展相對成熟。其免維護設(shè)計、大屏幕操作員界面和獨有的自動整定功能使得系統(tǒng)的可靠性、可維護性、可用性方面較為突出，而且經(jīng)過十幾年的發(fā)展，該產(chǎn)品已正日益成為標準化產(chǎn)品。
4 設(shè)備主要技術(shù)性能
浙大能源科技有限公司中標的設(shè)備包括美國AB公司生產(chǎn)的PowerFlex7000變頻器、保定天威順達公司生產(chǎn)的干式整流變壓器及廣東明陽電器有限公司生產(chǎn)的旁路柜三部分，利用原有的6kV開關(guān)和電動機，系統(tǒng)框圖如圖2所示。


4.1PowerFlex7000中壓變頻器


AB高壓變頻器使用CSI-PWM技術(shù)，此技術(shù)已獲得多于2,400,000匹馬力現(xiàn)場安裝運行記錄的驗證。羅克韋爾自動化/AB 是中/高壓馬達驅(qū)動裝置的主要供應(yīng)商，其產(chǎn)品電壓等級可從2300V到6900V，功率高達16,000匹馬力。CSI-PWM集電流源逆變功率結(jié)構(gòu)及脈寬調(diào)制模式的優(yōu)勢于一體，創(chuàng)造了與傳統(tǒng)六步方波電流源變頻截然不同的產(chǎn)品。CIS-PWM使用很少功率器件，系統(tǒng)簡單可靠�？刂撇呗詾閹Щ虿粠�測速反饋的直接矢量控制，其運行效果近似直流驅(qū)動裝置，遠遠優(yōu)于電壓/頻率定比變頻器。主要特點如下：


*可靠性高：AB CSI-PWM高壓變頻器品采用6500V/1500A的高壓SGCT器件，器件數(shù)量少，耐壓及電流裕量大。變頻器電壓等級高，變頻電流小，器件開關(guān)損耗少，設(shè)備安全可靠。
*輸入波形好：AB CSI-PWM高壓變頻器的輸入側(cè)采用多脈沖(18脈沖) 整流器。18脈沖整流器可對17次以下的高次諧波進行有效的抑制，總體諧波畸變THD小于5%，不需諧波分析及外加濾波環(huán)節(jié)，可直接滿足IEEE519-1992及國標的諧波抑制標準。
*輸出波形好：AB CSI-PWM高壓變頻器無需增加任何選項，可直接輸出完美的正弦電壓和電流波形，不存在轉(zhuǎn)矩脈動，無潛在共振問題,水簾廠家。逆變時無dv/dt及di/dt的產(chǎn)生，諧波畸變THD小于５%，可直接拖帶普通高壓電動機，電機無額外溫升，連接變頻器及電機之間的距離可長達15km。
*四象限運行：AB CSI-PWM高壓變頻器固有能量回饋能力，可將降速工況(發(fā)電機運行狀態(tài))下負載反饋回的能量回送電網(wǎng), 利用再生制動快速降低電機轉(zhuǎn)速。電流型變頻器具有電流內(nèi)環(huán)，可利用強大的電流控制能力快速調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，特別適用需頻繁快速調(diào)節(jié)的大慣性負載(風(fēng)機)的控制。
*使用簡單：AB CSI-PWM高壓變頻器使用大屏幕液晶顯示的操作員終端, 中文界面。變頻器的狀態(tài)、輸入輸出變量、自診斷結(jié)果、故障報警均可顯示在屏幕上, 信息量大。通過終端上的鍵盤，可輕松對變頻器進行參數(shù)設(shè)置及工作方式的組態(tài)。
*維護方便：AB CSI-PWM高壓變頻器使用高集成度的SGCT器件及專利產(chǎn)品PowerCage機架，提高了系統(tǒng)模塊化程度，友善的人機界面提供了所有的維護信息，從而保證了功率模塊的更換時間小于5分鐘。
*通訊能力強：AB CSI-PWM高壓變頻器總共提供16個數(shù)字量DI接口及16個數(shù)字量DO接口，根據(jù)用戶需要，變頻器可提供4-20mA或4-10V模擬量輸入輸出接口。變頻器可配置各種數(shù)據(jù)串行通訊接口，提供開放的網(wǎng)絡(luò)與廠級監(jiān)控設(shè)備(DCS，PLC，值班室操作站)進行通訊。變頻器內(nèi)的變量、參數(shù)可傳給其他監(jiān)控設(shè)備進行記錄、顯示或參與控制。變頻器通訊接口選項豐富，用戶可根據(jù)需要選其中之一，如 ：DeviceNet, Profibus，Modbus，Remote IO, ContrlNet及RS-232/485等。

4.2 干式整流變壓器
干式整流變壓器按照AB公司提供的技術(shù)規(guī)范，由保定天威順達公司生產(chǎn)。變壓器為6kV輸入，2,六葉模壓風(fēng)機.1kV輸出，18脈沖裂相，F(xiàn) 絕緣等級，允許溫升為120K，實際溫升小于90K，AN冷卻。初級為三角形接法帶4級調(diào)整，三組次級線圈：一組三角形接法，兩組延邊三角形接法。延邊三角形接法產(chǎn)生-20°、0°、20°相移。
干式整流變壓器起到跟系統(tǒng)隔離的作用，同時，其次級繞組進行必要的移相，以消除進線諧波。一組次級繞組輸出一個三相中間交流，移相變壓器的副邊繞組共9組(每相3組)，構(gòu)成18脈波整流方式。這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善輸入電流波形。

4.3 旁路柜
旁路柜由廣東明揚電氣公司生產(chǎn)，內(nèi)裝K1、K2、K3三把高壓隔離開關(guān)及相關(guān)的閉鎖裝置，實現(xiàn)電氣和機械互鎖。其作用為變頻/工頻運行方式的切換。變頻運行方式時,K1斷開,K2和K3閉合；工頻運行方式時, K1閉合, K2及K3斷開。滿足電力系統(tǒng)五防要求，變頻/工頻相互閉鎖, 操作手柄與高壓柜門完全連鎖。旁路柜操作與上級高壓斷路器DL聯(lián)鎖，合閘時，絕對不允許操作隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)帶負荷拉閘現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。本裝置設(shè)計為當(dāng)程序鎖切至操作位置時跳上級高壓斷路器DL，同時旁路柜的K1、K3設(shè)有電磁鎖，K1與K2、K3不能同時合；K2、K3操作有程序鎖，合時先合K2，分時先分K3。

5 項目實施
5.1 基礎(chǔ)施工
2臺干式整流變安裝在原四期增壓泵房中，變頻器柜及旁路柜安裝在380V7A、7B段母線室內(nèi)。2004年4月22日，開始拆除增壓泵房中的軟化水裝置，開挖電纜溝，至5月15日完成澆筑變壓器基礎(chǔ)及變頻器柜、旁路柜基礎(chǔ)槽鋼埋設(shè)等。
5.2 設(shè)備安裝
本項目設(shè)備安裝就位及電纜敷設(shè)由浙江華業(yè)公司承包，動力電纜由檢修分場接線，控制電纜由自動化分場接線。5月17日，旁路柜、干式整流變運抵我廠，5月27日，2臺干式變安裝就位。5月28日即開始干式變側(cè)動力電纜頭制作。6月5日，變頻器柜運抵我廠。6月7日變頻器柜、旁路柜均安裝就位。6月8日至10日，完成變頻器柜、旁路柜側(cè)動力電纜頭制作，電纜預(yù)試等。6月11日至16日，完成控制電纜接線，#7A、7B一次風(fēng)機6KV開關(guān)柜控制回路改造以及風(fēng)道制作安裝等。
5.3 裝置的連鎖保護
系統(tǒng)保留原有對電機的保護及其整定，以確保電機工頻旁路時的啟動和正常運行，同時實現(xiàn)工頻旁路時對電機的保護和變頻運行時對變頻器的保護。
為了防止產(chǎn)生操作和事故情況下產(chǎn)生過電壓等影響變頻器的壽命的因素，變頻器在控制系統(tǒng)受電自檢正常后才能允許合6kV開關(guān)，具體實現(xiàn)在6kV開關(guān)的合閘回路中，6kV開關(guān)合上變頻器充電后，自檢正常發(fā)出準備好信號，才能啟動變頻器運行。此邏輯由熱控實現(xiàn)，同樣在正常或緊急停運時均先停變頻器，然后斷開高壓開關(guān)，為此在綜合保護出口和風(fēng)機緊急跳閘出口控制回路中串有中間繼電器，直接去關(guān)變頻器，短延時去斷開高壓開關(guān)。
5.4 設(shè)備調(diào)試
6月15日，控制電源上電開始設(shè)備調(diào)試。主要進行了以下檢查、測試項目：
a.裝置外觀檢查。
b.硬件及跳線設(shè)置檢查。
c.檢查一次接線和控制回路接線正確。
d.絕緣檢查，用2500V搖表測一次回路對地絕緣電阻歷時一分鐘其值為120MΩ。
e.檢查冷卻風(fēng)扇工作正常，風(fēng)壓值為3.1V，報警值2.7V，跳閘值2.1V。
f.核對變壓器和變頻器相位，發(fā)現(xiàn)#7A一次風(fēng)機變頻隔離變壓器高壓側(cè)電纜接反，在旁路柜改接后正確。
g.電阻檢查,驗證SCR、SGCT功率器件和所有相關(guān)緩沖電路正常。
h.控制電源測試。因380V7A段電源低電壓切換時會造成變頻器停運，控制電源改接至#7機UPS。
i.門極測試、系統(tǒng)測試、18脈沖相序測試。
j.直流電源測試。
k.變頻器參數(shù)整定。
l.變頻器加中壓，做運行前檢查。
m.變頻器帶電機空載調(diào)試，轉(zhuǎn)速從180~1500rpm時電流保持在20A，電壓從520V升至5800V。
n.變頻器帶風(fēng)機負載調(diào)試。

5.5 與西門子DCS系統(tǒng)的連接
一次風(fēng)機變頻控制與#7機西門子DCS的接口如下：首先，DCS上原一次風(fēng)機的控制邏輯基本保持不變，控制對象改為一次風(fēng)機的6KV動力電源，新增了兩臺變頻器的控制和調(diào)節(jié)。為了防止運行人員誤啟動未滿足條件的變頻器，我們增加了變頻器的啟動條件，即當(dāng)該變頻器就地已準備好且其指令小于5%時才允許啟動變頻器。對于原一次風(fēng)機的控制邏輯，其跳閘保護邏輯保持不變，也即保持其安全性不變，在機組發(fā)生異常情況下能快速切斷一次風(fēng)量及燃料，以確保機組的安全，在此基礎(chǔ)上增加了啟動條件：對應(yīng)變頻器的進、出線開關(guān)處于合閘狀態(tài)或其旁路開關(guān)處于合閘狀態(tài)，這樣能有效防止運行人員未檢查就地電源回路而匆忙合閘的弊端。
對于變頻器的調(diào)節(jié)，我們主要解決了鍋爐主控中所需風(fēng)量和變頻器轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系，將不同負荷所需的不同風(fēng)量，轉(zhuǎn)換成不同的對應(yīng)轉(zhuǎn)速。通過反復(fù)研究變頻器廠家提供的資料及本廠鍋爐的特性，我們設(shè)計了適合于本廠鍋爐風(fēng)量特性的變頻調(diào)節(jié)PID邏輯，具體地說主要有：四層一次風(fēng)量調(diào)節(jié)擋板的開度指令、鍋爐主控的風(fēng)量要求、兩臺變頻器的指令平衡。通過以上參數(shù)的邏輯組態(tài)，實現(xiàn)一次風(fēng)壓力的可靠調(diào)節(jié)。通過機組啟動后的多次擾動試驗，將其PID參數(shù)進行了多次的優(yōu)化，真正做到了一次風(fēng)壓力的穩(wěn)定可靠調(diào)節(jié)。
和原一次風(fēng)機進口調(diào)節(jié)擋板進行調(diào)節(jié)一次風(fēng)量相比較，由于擋板存在熱脹冷縮問題，在熱態(tài)工況下，曾多次發(fā)生進口調(diào)節(jié)擋板卡澀，無法進行調(diào)節(jié)，并曾發(fā)生由此而使得執(zhí)行機構(gòu)的鏈桿拉斷，從而導(dǎo)致風(fēng)量無法調(diào)節(jié)，使得磨煤機無法啟動，嚴重影響機組的出力。而變頻改造后，進口調(diào)節(jié)擋板平時處于全開狀態(tài)，無需參與調(diào)節(jié)，利用變頻器的轉(zhuǎn)速來進行調(diào)節(jié)其一次風(fēng)量，調(diào)節(jié)特性平穩(wěn)可靠，線性度好。
6 運行情況
機組負荷在130MW以下時，一套制粉系統(tǒng)投入運行；機組負荷在130~230 MW時，二套制粉系統(tǒng)投入運行；機組負荷在230~330MW以下時，三套制粉系統(tǒng)投入運行；在以上這三種工況下，維持一次風(fēng)壓在9.0kPa時，變頻器的主要參數(shù)如下：


7 改造費用
我廠以臺電生[2004]58號文向東南公司上報了“關(guān)于#7A、#7B一次風(fēng)機變頻改造費用的請示”，東南公司以東南發(fā)電生[2004]37號文批復(fù)了該項目，項目實際投資額近550萬元。
8 效益分析
8.1 節(jié)電效益
#7A、#7B一次風(fēng)機變頻控制控制改造后，系統(tǒng)在經(jīng)濟性上有了很大的改善。根據(jù)運行提供的廠用電電量積數(shù)計算，#7A、#7B一次風(fēng)機運行8個月來的平均功率為590kW，發(fā)電機平均功率為306MW,見下表。


再查閱2001~2003年統(tǒng)計年鑒有關(guān)數(shù)據(jù)，得知機組的平均功率為297MW，計算得#7A、#7B一次風(fēng)機的平均功率為1150kW。#7A、#7B一次風(fēng)機控制電源及室內(nèi)空調(diào)總功率為15kW。2臺一次風(fēng)機變頻改造后節(jié)省的功率為：2*1150-2*590-15=1105 kW
以年運行8000小時計算節(jié)電：1105*8000/10000=884萬kWh
該項目總投資約為550萬元，使用時間15年。
以0.20元/ kWh計算，年節(jié)電經(jīng)濟效益為：
884*0.20-550/15＝140.13萬元
稅后利潤：140.13*（1-33%）=93.89萬元
8.2 其他效益
8.2.1 與原擋板調(diào)節(jié)相比，變頻改造后加快了一次風(fēng)量的調(diào)節(jié)速度，提高了機組的穩(wěn)定性。
8.2.2 避免了電機啟動時大電流沖擊對電機的損壞，延長了電機和擋板的檢修周期和壽命，減輕了維修工作量。
[結(jié)束語]
#7A、#7B一次風(fēng)機變頻器至今已投運8個月，性能穩(wěn)定，運行情況良好。今后要加強設(shè)備點檢及運行巡檢，保持室內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生，在室溫高于30℃時開啟室內(nèi)空調(diào)機。做好日常維護工作，每季度對柜門濾網(wǎng)進行一次清灰，以避免其他廠曾出現(xiàn)的因超溫而跳閘的現(xiàn)象。