DHC高压变频器在环保热电厂的应用

The High-voltage inverter is in the environmental protection application of the hot power station
东方日立（成都）电控设备有限公司 郑书衡
摘要：本文扼要的介绍高压变频调速装置工作原理、富春江环保热电公司引风机高压变频调速装置的应用以及技术和经济分析。
关键词：高压变频器 节能 应用
Abstract： In this paper，Introduce to high voltage frequency conversion timing installation operational principle to the point. The high voltage frequency conversion timing installations application along with technique and economic analysis on Fuchunjiang environment protect thermoelectricity company.
Key word: High-voltage inverter Energy saving Application
1. 引言
绿色环保无公害是现代化城市“三废”处理必须要考虑的，城市中工业垃圾和生活垃圾是主要污染物，过去垃圾主要是以填埋处理，既占用大量的土地又不能从根源上彻底消除危害。而近些年来出现的环保型热电厂，通过将垃圾燃烧产生的热量加热水，产生蒸汽实现发电。在目前能源供应紧张、价格不断上涨的今天更具有特殊意义，它不但解决了垃圾处理问题，同时也带来了莫大的经济利益，真正实现了污染物处理的减量化、无害化、资源化、花园化、国产化五化要求。
2. 概述
富春江环保热电有限公司是富春江集团控股子公司，是目前浙江省最大的环保热电(垃圾发电)项目，公司位于富阳市灵桥镇，紧临富春江边，公司现设计总装机容量7.4万千瓦，配置“7炉4机”，采用130t/h循环硫化床锅炉，汽轮机采用2台25MW，2台12MW，现“4炉3机”已正式投入生产运行。其中两台循环硫化床焚烧炉每年可处理26万吨生活垃圾和工业废料，节约标煤近20万吨，减少二氧化硫排放1873吨，减少烟尘排放539吨，同时可以取代周边100多家企业的小型供热锅炉，大大减轻燃煤对大气造成的污染，还可为当地120多家造纸企业供热。公司在作好环保工作的同时，为响应国家建设节约型社会倡导，积极做好节水节电，厂内广泛采用绿色节能灯、汽动给水泵、高效节能风机。
考虑到锅炉风机的风量和风压裕量可能达到20%以上。在锅炉风机的用电量中，很大一部分是因风机型号和管网系统参数不匹配而被白白消耗的。同时，发电厂的负荷必须要跟随用户的使用状况而改变，发电机的负荷调节要求锅炉和风机相应作出调节，调节过程中又有大量能量被截流阀门浪费了。但是如果在风机上加装目前国内已经开始普遍采用的高压变频器，由变频器对电动机进行调压调频，从而实现对风量的调节以满足负荷的变动，这样就能将风机挡板在节流过程中造成的能量损失和因风机型号和管网系统参数不匹配形成的能量损失节约下来。通过考察，东方日立（成都）电控设备有限公司以其优秀的技术方案、良好的运行业绩、规模化的生产能力以及专业的售后服务等，得到了富春江环保热电有限公司技术人员的一致认可。为了试点，采用东方日立（成都）电控设备有限公司生产的DHVECTOL-DI系列高压大功率变频器先对4号炉引风机进行了变频改造，到达了预期的节能效果，而后又陆续对3号、5号、6号、7号炉进行了变频改造，都取得了很好的效果。
3. 变频器工作原理
目前国内高压大功率变频器普遍采用“高-低-高”的变换形式，由多个功率单元构成多重化串连的拓扑结构，每个单元输出固定的低压电平，再由多个单元串连叠加为所需的高压，见系统图3－1。DHVECTOL-DI系列高压大功率变频器也不例外，以10kV每相九个单元串联为例,系统如下图所示。每相由九个相同的功率单元串联而成，相电压为5773V。每个功率单元输出有效值Ve＝641V，峰值输出电压 。多重化串连结构使用低压器件实现了高压输出，不仅降低了对功率器件的耐压要求，而且还使输出波形得到了极大的改善。它对电网谐波污染非常小，输入电流谐波畸变率小于4%，满足IEEE519-1992的谐波抑制标准；输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形接近正弦波，不存在输出谐波引起的电机发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，对普通异步电机不必加输出滤波器就可以直接使用。
图3－1 系统图
4. 可靠性设计
130t/h循环硫化床锅炉采用一台一次风机，一台二次风机，一台引风机，因此对可靠性的要求非常的高，详细见附图4－1。

图4－1 130t/h循环硫化床锅炉示意图
 为了保证设备的使用寿命，DHVECTOL-DI系列高压大功率变频器功率单元采用了冗余设计，每相功率单元采用9级串连。
 为了保证变频器的可靠性，DHVECTOL-DI系列高压大功率变频器功率单元采用了自动旁通设计，功率单元原理见附图4－2。当单个功率单元故障后，变频器会自动旁通掉该功率单元，保证系统的连续运行，9级系统可旁通掉两个功率单元。

图4－2 功率单元原理图
 同时为了保证系统的连续运行，整套变频器配备有手动旁通装置。变频器异常时，变频器停止运行，电机可以直接手动切换到工频运行。如图4-3，工频旁路由2个高压隔离开关QS1、QS2组成。变频运行时，QS1合，QS2处于变频位置；工频运行时，QS2处于工频位置，QS1断开。

图4－3 一次系统图
5. 成功应用
4#炉引风机的变频器于2005年1月到现场，3月中旬开始安装，4月24日送电调试，5月变频器配合锅炉进行各种动力实验，试验期间各种连锁可靠，故障声报警准确，和DCS系统连接方便、控制精度高。6月4#炉投入生产运行，另外3#、5#炉也分别于12月和2006年1月投入生产，通过实际生产期间对引风机工频启动运行和变频启动运行的大量对比测试，锅炉引风机采用变频启动运行后具有明显优势。
 改善启动性能，减少电网冲击，引风机电机采用变频器从静态启动，运行人员通过DCS系统缓慢提升转速至工作范围，最大启动电流约为额定电流0.8倍，避开了电机6-8倍启动电流，转动力矩平稳上升，减少对电网的冲击。
 减少机械震动、噪音和磨损，提高运行的可靠性，延长机械寿命,变频调速时引风机入口挡板全开，升降转速平稳，惯性力矩减少，各部力矩为最小，风机转动部件磨损最小，环境噪音降到最低。
 利用变频器对锅炉引风机进行压力、风量调节，调节过程平滑灵活可靠，同时解决风门挡板线性差、调节延迟问题，特别在点炉初期和低负荷情况下，变频调节非常方便平稳、控制精度高，炉膛负压容易控制也非常稳定，与挡板节流调节相比，变频调节明显改善调节性能。
6. 节能效益分析
在3#、4#炉锅炉系统正常运行、热负荷基本相等的工况下，其中3#炉引风机采用风机进口风门调节风量，4#炉引风机变频调速调节风量（两台锅炉并列布置，烟道截面、烟管长度基本相等），根据杭州市能源监测中心于2005年11月对浙江富春江环保热电有限公司引风机进行的耗电量测试，得出两台锅炉引风机在采用不同方式调节风压风量时的排烟量、耗电量数据如下：
序号 项目名称 符号 单位 计算公式或数据来源 数值
工频 变频
1 测试时间 T1 Min 实测 60 60
2 大气压力 PB Pa 实测 101500 101500
3 环境温度 t℃ ℃ 实测 28.1 23.4
4 电机转速 r r/min 实测 996 472
5 毕托管系数 k 标定值 1 1
6 测试断面烟温 ty ℃ 实测 108 101
7 测试断面静压 ps Pa 实测 48.7 33.5
8 断面均方根动压 Hd Pa 2
13.14 13.14
9 标态下咽气重度 γo N/Nm³ 查表 9.9457 10.1522
10 测试断面咽气重度 γ N/Nm³
9.8016 10.1522
11 测试断面风速 v m/s
9.8016 8.0462
12 每小时引风量 qf m³ / h V×F×3600 216478 177709
13 平均电压 U V 实测 10644 10827
14 平均电流 I A 实测 29.85 5.10
15 功率因数 COSΦ — 实测 0.637 0.989
16 视在功率 s KVa 实测 550.31 95.88
17 无功功率 q kvar 实测 424.41 14.35
18 有功功率 p kW 实测 350.55 94.80
19 输入无功电量 wq Kvar.h 实测 424.41 14.35
20 输入有功电量 wp Kw.h 实测 350.55 94.8
21 电源频率 f HZ 实测 50.01 23.55
22 风门开度 Fm % 实测 24.7 100
23 每万立方米引风量所耗电量 pd Kwh/nm³ Wp/ qf 16.1932 5.3346
采用变频调速后，引风机节电率：

=
7. 结束语
现阶段国家电力供应缺口较大，供需矛盾十分突出，但是电力浪费也非常严重，与发达国家相比，每单位GDP消耗能源高1倍甚至数倍，因此在加快电力建设速度的同时，依靠科技进步，加大节电力度，最大限度降低电力消耗，对缓解电力供需紧张局面，同样有着不可忽视的作用。富春江环保热电有限公司通过对引风机加装变频调速装置，取得了明显的节电效果，并获得了良好的经济效益和社会效益，在国家大力提倡建设节约型社会的今天，为环保热电厂又增加了一个新的亮点。

参考文献：
[1] 吴忠智 吴加林 变频器应用手册 机械工业出版社
[2] 产品技术手册 东方日立（成都）电控设备有限公司
[3] 韩安荣 通用变频器及其应用 机械工业出版社
[4] 王占奎 变频调速应用百例 科学出版社



作者简介：
郑书衡 男 东方日立（成都）电控设备有限服务工程师，长期负责高压变频器改造工作，有高压变频器应用丰富经验。