高壓變頻器在綏化中盟熱電廠熱網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用

0 引言

綏化市現(xiàn)有建筑面積831.4 萬(wàn)m2，2006 年綏化中盟熱電廠投產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)集中供熱640萬(wàn)m2。

綏化中盟熱電廠是綏化市目前唯一的熱電聯(lián)產(chǎn)的燃煤電廠，含2 臺(tái)B25-8.83/0.294 背壓機(jī)和1 臺(tái)CC25-8.83/0.98/0.294 雙抽凝汽機(jī)，配2 臺(tái)25 MW發(fā)電機(jī)和1臺(tái)30 MW 發(fā)電機(jī)。還建有4 臺(tái)130 t/h高溫高壓循環(huán)流化床蒸汽鍋爐和2臺(tái)116 MW 循環(huán)流化床熱水鍋爐，配套建設(shè)17.87 km 一級(jí)熱力網(wǎng)、20.5 km二級(jí)熱力網(wǎng)和32 個(gè)熱力站，建設(shè)蒸汽熱力網(wǎng)4.51 km。

該工程全年生產(chǎn)能力為供熱量523.2伊104 GJ，其中供采暖416.9伊104 GJ，供工業(yè)用汽106.27伊104 GJ，發(fā)電量為39.89伊104 MW·h。

熱力網(wǎng)的穩(wěn)定主要取決于鍋爐、熱網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)和管線。鍋爐安全、穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行一般遵循“一守三動(dòng)”的控制原則，即主要是以風(fēng)、灰、煤相互配比來(lái)完成鍋爐的經(jīng)濟(jì)性燃燒。而熱網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)主要保證水循環(huán)穩(wěn)定和壓力恒定，即控制好水位達(dá)到安全運(yùn)行的目的。

供熱負(fù)荷變化時(shí)需要調(diào)節(jié)水量，如果通過(guò)調(diào)節(jié)泵的出口閥門的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上是靠壓損來(lái)減少給水流量，而電機(jī)的出力并沒(méi)有變化。所以熱網(wǎng)循環(huán)泵最佳方案就是采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，這樣就可以將出口閥門全部打開(kāi)，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)控制流量，可以方便地調(diào)整機(jī)組的供熱量，這樣具有非常大的節(jié)能潛力。2006年10月綏化市中盟熱電廠實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)泵的電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。

1 高壓變頻器的原理

哈爾濱九洲公司Power SmartTM系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓(高-高)方式，它主要由輸入切分變壓器、功率單元柜和控制單元柜三部分組成。

主電路開(kāi)關(guān)器件為IGBT。由于IGBT耐壓所限，無(wú)法直接逆變輸出10 kV，所以變頻器采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術(shù)，因而具有很高的可靠性。Power SmartTM系列高壓變頻器典型系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

隔離變壓器為三相干式整流變壓器，變壓器一次輸入為10 kV，Y 接;二次繞組數(shù)量27 相，延邊三角形接法，為每個(gè)功率單元提供三相電源輸入。為了最大限度抑制輸入側(cè)諧波含量，同一相的二次繞組通過(guò)延邊三角形接法移相，繞組間的相位差即移相角度= 60毅/每相單元數(shù)量。由于為功率單元提供電源的變壓器二次繞組間有一定的相位差，從而消除了大部分由單個(gè)功率單元所引起的諧波電流，所以Power SmartTM系列高壓變頻器輸入電流的總諧波含量(THD)遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數(shù)。圖2為變頻器輸入電流波形實(shí)錄，電流峰值136 A，幾近完美的正弦波。

變頻器輸出是將多個(gè)三相輸入、單相輸出的低壓功率單元串聯(lián)疊波得到。如額定輸出641 V功率單元9個(gè)串聯(lián)時(shí)產(chǎn)生5 770 V相電壓，相鄰單元之間的脈沖在時(shí)間上相差1/9個(gè)開(kāi)關(guān)周期，單元串聯(lián)疊加后的相電壓共有19(2伊9+1)個(gè)不同的電平，輸出線電壓為10 kV。

由于增加了電壓波形的電平數(shù)使電壓的波形接近正弦，從而減小了dv/dt 對(duì)電機(jī)絕緣的破壞，并大大削弱了輸出電壓的諧波含量，圖3 為10 kV變頻器輸出的Uab線電壓波形實(shí)錄圖，峰值電壓為14.1 kV。

因?yàn)殡姍C(jī)電感的濾波效果，輸出電流波形更優(yōu)于電壓波形，圖4 即為輸出電流Ia的實(shí)錄波形圖，額定電流96 A。

變頻器控制單元由控制器(包括三塊光纖板，一塊信號(hào)板，一塊主控板)及外圍保護(hù)電路構(gòu)成，如圖1所示。主控制器的結(jié)構(gòu)為單元組合式，其核心為雙DSP 的CPU 單元，通過(guò)總線與接口板和相控A、B、C板互通信息。CPU板根據(jù)操作命令、給定信號(hào)及其它輸入信號(hào)，計(jì)算出控制信息及狀態(tài)信息。相控A、B、C板接受來(lái)自CPU 板的控制信息，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器向功率單元發(fā)送控制信號(hào)。來(lái)自功率單元的應(yīng)答信號(hào)在相控A、B、C 板中轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，予處理后送CPU板處理。狀態(tài)信息可通過(guò)接口板和接口子模板送出。

功率單元是一種H橋式變換器，由輸入切分變壓器的二次繞組供電。經(jīng)整流、濾波后，由來(lái)自主控制器的光信號(hào)，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，在控制信號(hào)處理電路中產(chǎn)生IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)或故障時(shí)的旁通信號(hào)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路后，以PWM方法控制4 個(gè)IGBT，輸出可變頻、變壓的交流電。多臺(tái)功率單元串聯(lián)疊加后可輸出50 Hz、線電壓10 kV 的三相交流電，以驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。功率單元中的狀態(tài)信息將被收集到應(yīng)答信號(hào)電路中進(jìn)行處理，集中后經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器變換，以光信號(hào)向主控制器發(fā)送。當(dāng)有故障信息時(shí)，主控制器將發(fā)出控制信號(hào)，干預(yù)功率單元的運(yùn)行，如封鎖、旁通等。

2 系統(tǒng)主回路方案

中盟熱電廠熱網(wǎng)循環(huán)泵采用變頻器為一拖一控制方案。變頻器接于電壓為10 kV的主動(dòng)力電源系統(tǒng)，用于電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。為了增加運(yùn)行安全性，變頻器另加一套旁路系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的主回路結(jié)構(gòu)方案如圖5所示。

此設(shè)計(jì)是采用手動(dòng)隔離刀閘式旁路系統(tǒng)，原理是采用3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1、QS2和QS3。要求QS2和QS3閉合時(shí)QS1不能閉合，在機(jī)械上互鎖。變頻運(yùn)行時(shí)，QS2和QS3閉合，QS1斷開(kāi);工頻運(yùn)行時(shí)，QS1閉合，QS2和QS3斷開(kāi)。為了實(shí)現(xiàn)變頻器故障保護(hù)，變頻器對(duì)用戶現(xiàn)場(chǎng)高壓斷路器QF進(jìn)行連鎖，一旦變頻器出現(xiàn)故障，變頻器發(fā)出跳閘信號(hào)，跳開(kāi)斷路器QF。電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，變頻器允許QF 合閘，撤消對(duì)QF 的跳閘信號(hào)，使電機(jī)能正常通過(guò)QF合閘工頻啟動(dòng)。

3 應(yīng)用高壓變頻器帶來(lái)的節(jié)能效應(yīng)

根據(jù)電機(jī)的參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)工況和運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，最終確定熱網(wǎng)循環(huán)水泵的電機(jī)配套變頻器選用型號(hào)

為Power Smart10000-A/096，變頻器額定電流為96 A，同電機(jī)額定容量匹配，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載運(yùn)行的要求。

熱網(wǎng)循環(huán)泵工頻運(yùn)行時(shí)，電機(jī)電流約為75 A左右;變頻運(yùn)行時(shí)，頻率在40 Hz時(shí)的電流約為60 A。

綏化中盟熱電廠熱網(wǎng)循環(huán)水泵3 號(hào)機(jī)組，電機(jī)參數(shù)如表1所列，水泵參數(shù)如表2所列。哈爾濱九洲公司高壓變頻調(diào)速裝置額定電壓為10 kV，額定功率1 600 kW。在相同的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，工頻運(yùn)行時(shí)，有功電耗72 000 kW·h，無(wú)功電耗21 921 kvar·h，總出水量313 632 m3，功率因數(shù)0.875，平均單耗在229.5，運(yùn)行成本較高。在變頻調(diào)速正常運(yùn)行后，有功電耗33590kW·h，無(wú)功電耗9 321 kvar·h，總出水量235 224 m3，功率因數(shù)0.96，平均單耗降至142.8。節(jié)電率在35%左右，節(jié)能降耗效果非常顯著。

熱網(wǎng)循環(huán)水泵節(jié)電費(fèi)用，按全年運(yùn)行3 600 h(5個(gè)月)的日負(fù)荷分布統(tǒng)計(jì)，使用變頻調(diào)速熱網(wǎng)循環(huán)水泵，與通過(guò)調(diào)節(jié)出水口閥門相比較，經(jīng)計(jì)算，全年可以節(jié)電1 020 500 kW·h。按發(fā)電成本電價(jià)0.20 元/kW·h計(jì)算，1 020 500 kW·h 伊0.20元/kW·h=204 100元。

4 高壓變頻器增加GPRS功能

九洲公司的Power SmartTM系列高壓變頻器增加了GPRS 功能。此項(xiàng)功能是九洲公司Power SmartTM系列高壓變頻器所特有的功能。GPRS工作流程如圖6所示。

GPRS 是(Gerneral Packet Radio Service)的英文縮寫，中文譯為通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)，MA8-9ib是使用在機(jī)器對(duì)機(jī)器(Machine-to-Machine)應(yīng)用的完整無(wú)線解決方案，它是利用“分封交換”(Packet-Switched)的概念所發(fā)展出的一套無(wú)線傳輸方式。所謂的分封交換就是將Date 分裝成許多獨(dú)立的封包，再將這些封包一個(gè)一個(gè)傳送出去，形式上有點(diǎn)像寄包裹，采用分封交換的好處是只有在有資料需要傳送時(shí)才會(huì)占用頻寬，而且可以以傳輸?shù)馁Y料量計(jì)價(jià)。在硬件上MA8-9ib 提供了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RS-232/RS-485 接口，可以直接與觸摸屏通過(guò)串口連接。并配合即插即用方式，讓變頻器透過(guò)TCP/IP方式經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)及Internet 與公司的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連結(jié)。

由于GPRS 使用了“分組”的技術(shù)，所以免受斷線的影響。此外，相對(duì)于GSM的9.6 kb/s的訪問(wèn)速度而言，GPRS擁有171.2 kb/s的訪問(wèn)速度;在連接建立時(shí)間方面，GPRS只需要極短的時(shí)間就可以訪問(wèn)到相關(guān)請(qǐng)求;GPRS對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源的利用率相對(duì)較高。

GPRS功能強(qiáng)大、用途廣泛，提供安全、透明的傳輸信道。變頻器增加GPRS功能可經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有效地使公司和用戶方面進(jìn)行雙向溝通，以便使變頻器更加長(zhǎng)期有效地運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

綏化市中盟熱電廠對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)的電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造后，有以下的優(yōu)越性。

1)節(jié)能效果非常顯著按全年5 個(gè)月供暖時(shí)間算，每年可節(jié)約運(yùn)行成本20萬(wàn)元。

2)減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊工頻起動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流達(dá)到額定電流的6~7 倍，甚至更高，這對(duì)接于該母線上的負(fù)荷都會(huì)造成沖擊。采用變頻器調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流很小，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊很小，同時(shí)減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)的機(jī)械損傷，從而有效地延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。

3)工作強(qiáng)度降低由于變頻器采用觸摸屏操作，使操作界面變得人性化，變頻器與運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制，以及相應(yīng)的保護(hù)及故障報(bào)警，操作工作由手動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運(yùn)營(yíng)提供了可靠保證。

4)維護(hù)量減少采用變頻調(diào)速后，可以避免因通過(guò)調(diào)節(jié)閥門控制使泵過(guò)多偏離額定工作區(qū)而引起的振動(dòng)。通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了降低泵的轉(zhuǎn)速，由于啟動(dòng)緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長(zhǎng)了許多零部件，特別是密封件以及軸承的壽命。

5)成本減少使用GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)及診斷，減少了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)成本。