1　引言

貴州省甕福礦肥基地是國家“八五”和“九五”期間建設(shè)的五個大型磷礦肥基地之一，目前擁有全國最大的磷礦山和磷肥廠。

甕福礦肥基地由甕福磷礦和甕福磷肥廠兩個國家重點項目組成。甕福磷礦1990年11月開工，1995年建成。甕福磷肥廠1997年建設(shè)，1999年通過72h考核。從而形成250萬t/年磷礦石、210萬t/年磷精礦、80萬t/年重鈣、3萬kW余熱發(fā)電的生產(chǎn)能力，以及年吞吐能力345萬t的自備鐵路專線。

甕福磷肥廠下設(shè)磷酸一銨分廠、磷酸二銨分廠、硫酸分廠、磷酸分廠、熱電分廠5個主生產(chǎn)單位和水處理分廠、動力分廠、機(jī)修分廠、儀修分廠、工程車隊5個輔助生產(chǎn)單位。而電機(jī)的變頻調(diào)速運行，是降低廠用電率、節(jié)電增效的有效措施及有效手段。#2爐電機(jī)調(diào)速用擋板調(diào)節(jié)，風(fēng)道壓力損失嚴(yán)重，浪費大，通過變頻調(diào)速，實現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)無級調(diào)速，調(diào)速范圍寬，調(diào)節(jié)精度高，效率高,實現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動，減少了啟動沖擊及設(shè)備磨損。另外變頻裝置安裝較方便，只需在原斷路器與電機(jī)之間串聯(lián)變頻裝置即可，無需對負(fù)載和電機(jī)做任何改動;正常運行后，可靠性高，基本上無維護(hù)量。通過對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造而達(dá)到節(jié)能增效，無疑是必要的。熱電廠總共有三臺鍋爐拖動三臺風(fēng)機(jī)，其中一臺常年運行，余下兩臺分別用兩臺變頻器拖動，其中一臺為哈爾濱九洲電氣的PowerSmartTMM高壓變頻器產(chǎn)品。

2　高壓變頻裝置原理及特點

變頻裝置采用多電平串聯(lián)技術(shù)，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6kV系列變頻裝置由18個功率單元構(gòu)成，每6個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，如圖1所示。

圖1　6kV系列變頻裝置原理圖
功率單元的電路結(jié)構(gòu)及原理:每個功率單元由、整流、濾波、逆變、旁通、驅(qū)動、保護(hù)、模擬量采集、PWM形成等電路組成。
輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組;這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1。

另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規(guī)低壓變頻器。

輸出側(cè)由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過對每個單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造;同時，電機(jī)的諧波損耗也大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。
由于應(yīng)用了先進(jìn)的電力電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和高壓電氣、電機(jī)拖動等綜合性領(lǐng)域的學(xué)科技術(shù)，因此變頻調(diào)速具有其它調(diào)速方式無法比擬的優(yōu)點:

(1)變頻器采用液晶顯示數(shù)字界面，調(diào)整觸摸式面板，可隨時顯示電壓、電流、頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速等，可非常直觀地顯示電機(jī)在任何時間的實時狀態(tài);

(2)精確的頻率分辨率和高的調(diào)速精度，完全可以滿足各種生產(chǎn)工藝工況的要求;

(3)高壓變頻器具有國際通用的外部接口，可以同可編程控制器(PLC)和工控機(jī)等各種儀表相連，并可與原設(shè)備控制回路相連接，構(gòu)成部分閉環(huán)系統(tǒng)，如與原DCS系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和連鎖控制等;

(4)具有就地和異地操作功能，另可通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能;

(5)具有電力電子保護(hù)和工業(yè)電氣保護(hù)功能，保證變頻器和電機(jī)在正常運行和故障時的安全可靠;

(6)電機(jī)可實現(xiàn)軟啟動、軟制動，啟動電流小，小于電機(jī)的額定電流，電機(jī)啟動時間可連續(xù)可調(diào)，減少了對電網(wǎng)影響;

(7)減少配件的損耗，延長設(shè)備使用壽命，提高勞動生產(chǎn)效率。

3　變頻器改造方案簡介

表1　熱電廠#2爐電機(jī)及引風(fēng)機(jī)的參數(shù)表




甕福熱電廠#2爐引風(fēng)機(jī)是兩臺雙側(cè)布置，目前其引風(fēng)機(jī)的出力調(diào)節(jié)由人工調(diào)節(jié)擋板來實現(xiàn)。由于引風(fēng)機(jī)設(shè)計時冗余功率較大，加上風(fēng)量控制采用檔風(fēng)板引起的阻力損耗，造成廠用電率高，影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運行。表1為熱電廠#2爐電機(jī)及引風(fēng)機(jī)的參數(shù)表。
根據(jù)電機(jī)的參數(shù)以及現(xiàn)場工況和運行的經(jīng)驗，最終確定#2爐引風(fēng)機(jī)的電機(jī)配套變頻器選用型號為九洲電氣的Power
Smart10000-1A/063，變頻器額定電流為60A，同電機(jī)額定容量匹配，完全滿足現(xiàn)場負(fù)載運行的要求。為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，同時為變頻器加裝如圖2所示的工頻旁路裝置，變頻器異常時，變頻器停止運行，電機(jī)可以直接手動切換到工頻下運行。工頻旁路由3個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成。要求QS2不能與QS3同時閉合，在機(jī)械上實現(xiàn)互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開;工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。

為了實現(xiàn)變頻器故障的保護(hù)，變頻器對6kV開關(guān)QF進(jìn)行聯(lián)鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF，要求甲方對QF的合分閘電路進(jìn)行適當(dāng)改造。工頻旁路時，變頻器應(yīng)允許QF合閘，撤消對QF的跳閘信號，使電機(jī)能正常通過QF合閘工頻啟動.

變頻調(diào)速由安裝在鍋爐操作臺上的啟動、停機(jī)、轉(zhuǎn)速調(diào)整開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并可同DCS系統(tǒng)接口，通過DCS實現(xiàn)變頻器的調(diào)速控制，變頻調(diào)速裝置還提供報警指示、故障指示、待機(jī)狀態(tài)、運行狀態(tài)、旁路狀態(tài)、高壓合閘允許、高壓緊急分?jǐn)嗟缺Ｗo(hù)信息以及轉(zhuǎn)速給定值和風(fēng)機(jī)實際轉(zhuǎn)速值等必要指示，以便操作人員進(jìn)行操作控制。

九洲公司開發(fā)了GPRS監(jiān)控功能,可以對高壓變頻在現(xiàn)場運行的情況及其數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控,如有問題,可以最快捷地做出解決方案,將損失降到最低,并可以使公司和用戶方面進(jìn)行雙向溝通，以便使變頻器更加長期有效的運行。




圖2　高壓變頻器旁路系統(tǒng)圖

4　變頻器節(jié)能原理

異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與頻率f、電動機(jī)轉(zhuǎn)差率s、電動機(jī)磁極對數(shù)p有如下關(guān)系，即:
n=60f(1-s)/p
根據(jù)相似理論有:
Q/Q0=n/n0
M/M0=(n/n0)2
N/N0=(n/n0)3
注:n、Q、M、N為調(diào)節(jié)變化的轉(zhuǎn)速、流量、轉(zhuǎn)矩、功率，n0、Q0、M0、N0為額定轉(zhuǎn)速、流量、轉(zhuǎn)矩、功率。
風(fēng)機(jī)消耗的功率是和其轉(zhuǎn)速的三次方成正比的，可見通過風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的節(jié)能效果是十分顯著的。
由電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可知:改變其中任何一個參數(shù)都可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變，變頻器是通改變電源頻率f的方式來改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速的。在異步感應(yīng)電動機(jī)的設(shè)計制造完成后,轉(zhuǎn)速與頻率的線性關(guān)系既確定，如圖3所示:



圖3　電機(jī)的供電頻率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

由于轉(zhuǎn)速n與頻率f之間為線性關(guān)系，從理論上分析調(diào)速范圍在0～100%內(nèi)，線性度都很好,因此變頻調(diào)速是當(dāng)今調(diào)速應(yīng)用的主力軍.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,高電壓大功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn),高壓變頻器應(yīng)運而生,使發(fā)電廠大型輔機(jī)的調(diào)速運行成為現(xiàn)實.從而省去由于閥門、擋板節(jié)流等帶來的功率損失，達(dá)到節(jié)能的目的,提高了發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

5　變頻節(jié)能效果計算
變頻器在正常帶負(fù)荷運行72h后,為了方便的對設(shè)備的節(jié)能效果進(jìn)行分析,筆者進(jìn)行了一周的設(shè)備運行記錄,2006年2,3,8月份2#鍋爐引風(fēng)機(jī)參數(shù)如表2所示。





在變頻器改造以前，根據(jù)統(tǒng)計情況，鍋爐引風(fēng)機(jī)的運行工頻電流在30A左右，通過變頻器調(diào)節(jié)裝置改造后，目前在鍋爐相同運行情況下，鍋爐引風(fēng)機(jī)在變頻后的電流為10—17A左右，平均降低電流達(dá)到10—11A。根據(jù)計算，平均節(jié)電80kW.h/h，考慮裝置自耗電及將來空調(diào)用電16kW.h/h，總體節(jié)電可達(dá)到65kW.h/h，節(jié)電率達(dá)到35%，年節(jié)電可達(dá)40萬元，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)顯著。因此，鍋爐引風(fēng)機(jī)高壓變頻器節(jié)能技術(shù)改造項目是相當(dāng)成功的。

6　結(jié)束語

高壓變頻調(diào)速控制作為一種新型的調(diào)速方法，其性能優(yōu)于其它調(diào)速方式，是現(xiàn)代化大型電廠廣泛采用的一種節(jié)能控制手段。甕福熱電廠的變頻改造工程促進(jìn)了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的明顯提高，并且它以高性能、高可靠性和調(diào)節(jié)的靈活性以及操作的簡便性，贏得了運行人員的認(rèn)可。

隨著電力體制改革的推進(jìn)和競價上網(wǎng)新格局的形成、深化，甕福磷肥廠還將在未來的新興項目等輔助設(shè)備進(jìn)行變頻改造，勢必將優(yōu)化企業(yè)資源配置，為促進(jìn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件，早日實現(xiàn)成為中國節(jié)能大廠的宏大目標(biāo)。