1000MW级机组动叶可调式轴流一次风机变频改造创新与实践

摘要：华润电力(贺州)有限公司2*1045MW机组，每台锅炉配2台动叶可调式轴流一次风机，2016年9月对#2机组一次风机先进行了变频改造。1000MW级机组动叶可调式轴流一次风机变频改造在国内同行业中尚属首次，由于一次风机可靠性要求高，在设计上采用了全自动旁路，另外变频设备散热采用空水冷系统，这不仅增加了设备可靠性，同时还实现二次节能，大大节省了空调运行成本。本文详细介绍了一次风机变频从设计、施工、运行数据及节能效果评价等方面的创新与实践。

前言

我司锅炉一次风机是按照热值为4775kcal的贫瘦煤设计，由于煤炭市场变化，实际燃用煤种为发热量在5500kcal左右的高热值烟煤，风机运行裕量极大，机组满负荷运行时，一次风机动叶开度只有60%左右，电动机最大功率只有1950kW左右，远低于额定容量2500kW，根据2015年机组负荷率(平均565MW)及对未来几年电力市场的预估，未来我司负荷率将会更低，虽然一次风机为动叶调节轴流风机，但是由于负荷较低、风机动叶开度较小，大部分时间仍然工作在低效区(约60～70%)，存在很大的节能空间。基于上述实际情况，电厂的一次风机节能改造是个必然趋势。

设备概述

我司每台机组配两台上海鼓风机厂生

产的PAF20-12.5-2型双级动调轴流一次风机，风机及配套电机参数见表1所示，一次风机设计参数见表2所示。

3 设备布置及改造方案

(1)根据现场实际测量，本着改动最小、费用最低的原则，综合考虑设备安装位置、电缆长度、敷设通道等因素在一次风机A旁新建变频器配电室，每间变频器室内两台变频器背向布置。现场布置图如图1所示。

图1 现场布置图

(2)设备一次系统改造方案。主系统接线图如图2所示。

图2 主系统接线图

一次风机变频采用一拖一带自动旁路的方式，每台风机配一套变频器系统，配备自动旁路柜，变频器在运行中如果突然发生故障，此时变频器会自动把QF2断路器跳开，然后DCS自动把QF4断路器断开，QF4断开后延时5S(等剩磁电压衰减完毕)合旁路断路器QF3，电机由变频状态切换到工频运行，此时DCS将控制风门逐渐恢复到改造前的开度、保证工频运行的风量符合锅炉系统要求。电机和风机均使用原有设备。变频器系统布置在炉后侧面新建的变频器室内。

10kV动力电缆：一次风机原电缆(ZRC-YJV-8.7/10 3X120)从电机侧拆下，改接至变频柜输入端开关QF2上口及旁路开关QF3上口，变频器输出端开关下口新增敷设一根电缆(ZRC-YJV-8.7/10 3X120)到电机接线盒。

(3)设备散热：变频设备由大功率电力电子元件组成，对设备本体散热要求较高。两台变频器发热量按照总功率3%计算为150kW。为保证设备节能稳定运行，采用空水冷方式进行冷却;每间配电室配备2台60kW水冷器，冷却水源引至厂内工业冷却水。同时每台机配备10匹分体式空调作为紧急备用。若采用普通电空调约需13台10匹空调，不仅配电室面积大，空调运行消耗的电能造成运行成本高，空水冷系统的应用不仅降低了用电成本而且使得室内冷空气形成闭式循环，保证室外的灰尘无法进入，大大提高变频器本身使用寿命。空水冷系统图如图3所示，空水冷系统安装布置图如图4所示。

图3 空水冷系统图

图4 空水冷系统安装布置图

(4)变频器选型及参数：变频器采用TMEIC(东芝三菱)，型号为TMdrive-MVe2—3000kVA-10KV，采用无速度传感器矢量控制方式。

1)TMEIC MVe2变频器原理及结构

图5.MVe2 内部结构拓扑图

图5右手边为TMEIC 10kV变频器内部结构拓扑图，该变频为全球最新研发技术、投入市场近5年。由于采用了新的输入可控整流控制技术和三菱第五代三电平IGBT使得变频器内部结构变得简单，三电平单元串联耐压高、数量少、故障概率大大降低，它与目前市场上传统的2电平IGBT串联结构有着本质的不同，必然是高压变频器发展的方向和突破。

2)TMEIC MVe2 变频器的特点

(a)变频器的输入

由于MVe2变频器采用单相IGBT PWM整流，减少了整流元件数量，整流电流和电压同相位，可降低单元和变压器二次绕组之间整流电流的谐波。与二极管整流相比，谐波更小，损耗更低。同时提高了整流侧的功率因数。在整个调速范围内整机功率因数为1.0。在整流过程中输入的谐波和功率因数均可以控制。由于单元采用PWM整流，可以再生制动，四象限运行。可以提供额定容量80%的回馈能力，减速时可以将电机和负载的动能变成电能反馈回电网，无需制动电阻，就可以实现快速的减速和制动。MVe2 的输入功率因数如图6所示，MVe2的输入谐波如图7所示。

图6 MVe2 的输入功率因数图7 MVe2的输入谐波(接近于0)

(b)变频器的输出

10kV输出41电平，输出电平数更多，输出波形更好。输出电压波形如图8所示，输出电流正弦波。

三电平输出与两电平输出的对比。

图8两电平 IGBT与三电平IGBT逆变对比

(c)变频器输出波形

图9MVe2 输出波形

3)MVe2的输入变压器

MVe2变频器输入采用单相PWM整流、谐波极小，这样使得输入变压器二次侧绕组不需要移相，结构变得简单;同时采用三电平IGBT串联输出，提高了单元耐压等级、减少了单元数量使得输入变压器二次侧绕组数量大大减少、工艺更简单可靠。

4)MVe2变频单元的硬件构成

整流：IGBT、逆变：IGBT为三菱原装产品，中间直流回路电容：可自愈式金属薄膜电容，使用寿命长。

(5)变频装置保护配置：一次风机原10kV电源开关保护配置不变，作为旁路运行方式的保护。在变频器上口开关柜配置CSC241C、保护装置中设置第二套定值作为变频方式运行的变压器主保护。变频装置本体保护和电机的各种保护由变频装置自身保护功能实现。

2.6 紧急停机：变频装置自身带有紧急停机按钮。另外在电动机事故按钮增加一对常开接点，接至变频装置用来在电动机故障时就地同时切除变频装置运行。

4 控制及逻辑说明

(1)变频运行方式

正常运行期间两台一次风机变频自动运行，动叶手动放置在60～80%开度，通过变频器自动调节风机转速，调整一次风压;

(2)工频运行方式

两台风机均工频运行期间，保持原逻辑不变，通过调整风机动叶自动调节一次风压;

(3)一台变频一台工频运行

1)变频器投入自动调节一次风压，工频运行风机手动调节动叶开度，调整两台风机出力平衡;

2)工频运行风机动叶投入自动调节一次风压，变频运行风机手动调节转速，调整两台风机出力平衡;

3)动叶及变频器禁止同时投入自动。

4)变频切工频

变频器重故障时自动切换为工频运行，具体逻辑如下：

→跳闸变频器入口开关，发信号至DCS;

→自动调节故障风机动叶至预定开度(对应关系表);

→ DCS延时2S跳闸变频器出口开关;

变频器重故障→→DCS延时5s，(取决于电动机剩磁消退时间、变频器具有检测剩磁电压的功能)在变频器进、出口开关均在分闸状态，且机组负荷>520MW时合闸变频器旁路开关;

→DCS延时6.5s，变频器出口开关与变频器旁路开关均在分闸位且机组负荷>520MW时触发RB。

(4)动叶开度与负荷对应关系

动叶与负荷对应关系如表3所示。

(5)其它说明问题

1)电机、风机原保护不变，保护直接跳闸10kV开关，满足条件直接触发RB;

2)只有在变频器发生重故障时自动切换为工频运行，其它情况下的切换均在风机停止运行后由手动切换完成。

5 项目节能后评价

(1)改造前后一次风机10kV电机电流情况统计，改造前后一次风机电流对比如表4所示。

(2)改造前后一次风机电流随负荷变化趋势如图10所示。

图10 改造前后一次风机电流随负荷变化趋势

根据表4计算：取所有测试负荷下各台风机运行电流，计算的改造前与改造后平均电流下降27.6A，平均每小时节电：1.732×10000×27.6×0.88=420.6kW，按此计算每年可节约运行费用：152万元。耗电量比原来降低了21.5%，节能效果显著。

(3)改造后机组运行的稳定性。变频在调试和运行以来未发生过故障。

6 结束语

由于一次风压要求高，一次风机在低转速、大动叶开度时失速余量较低，在负荷变动或启、停磨机时存在失速风险，目前#2机组改造后运行时间较短，各负荷对应的安全动叶开度仍在进一步试验摸索中。风机仍未达到最佳运行状态。此次一次风机变频改造采用一拖一自动旁路加空水冷的变频改造模式，在保证设备运行可靠性的前提下达到了节能的目的。为动调轴流一次风机的节能改造提供了参考，具有很好的经济意义和推广价值。

参考文献：

[1]胡小金. 锅炉一次风机变频改造与节能分析(机电技术2012年12月)。

[2] 郭庆华，风机变频改造节能技术的应用(出版源 《风机技术》2005(2)：43-45)。

{3} TMEIC，Mve2 高压变频器中文手册(2016年版)

FR:《变频器世界》 2017年5月刊