The High-voltage inverter is in the environmental protection application of the hot power station
東方日立（成都）電控設備有限公司 鄭書衡
摘要：本文扼要的介紹高壓變頻調速裝置工作原理、富春江環保熱電公司引風機高壓變頻調速裝置的應用以及技術和經濟分析。
關鍵詞：高壓變頻器 節能 應用
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
綠色環保無公害是現代化城市“三廢”處理必須要考慮的，城市中工業垃圾和生活垃圾是主要污染物，過去垃圾主要是以填埋處理，既占用大量的土地又不能從根源上徹底消除危害。而近些年來出現的環保型熱電廠，通過將垃圾燃燒產生的熱量加熱水，產生蒸汽實現發電。在目前能源供應緊張、價格不斷上漲的今天更具有特殊意義，它不但解決了垃圾處理問題，同時也帶來了莫大的經濟利益，真正實現了污染物處理的減量化、無害化、資源化、花園化、國產化五化要求。
2. 概述
富春江環保熱電有限公司是富春江集團控股子公司，是目前浙江省最大的環保熱電(垃圾發電)項目，公司位于富陽市靈橋鎮，緊臨富春江邊，公司現設計總裝機容量7.4萬千瓦，配置“7爐4機”，采用130t/h循環硫化床鍋爐，汽輪機采用2臺25MW，2臺12MW，現“4爐3機”已正式投入生產運行。其中兩臺循環硫化床焚燒爐每年可處理26萬噸生活垃圾和工業廢料，節約標煤近20萬噸，減少二氧化硫排放1873噸，減少煙塵排放539噸，同時可以取代周邊100多家企業的小型供熱鍋爐，大大減輕燃煤對大氣造成的污染，還可為當地120多家造紙企業供熱。公司在作好環保工作的同時，為響應國家建設節約型社會倡導，積極做好節水節電，廠內廣泛采用綠色節能燈、汽動給水泵、高效節能風機。
考慮到鍋爐風機的風量和風壓裕量可能達到20%以上。在鍋爐風機的用電量中，很大一部分是因風機型號和管網系統參數不匹配而被白白消耗的。同時，發電廠的負荷必須要跟隨用戶的使用狀況而改變，發電機的負荷調節要求鍋爐和風機相應作出調節，調節過程中又有大量能量被截流閥門浪費了。但是如果在風機上加裝目前國內已經開始普遍采用的高壓變頻器，由變頻器對電動機進行調壓調頻，從而實現對風量的調節以滿足負荷的變動，這樣就能將風機擋板在節流過程中造成的能量損失和因風機型號和管網系統參數不匹配形成的能量損失節約下來。通過考察，東方日立（成都）電控設備有限公司以其優秀的技術方案、良好的運行業績、規模化的生產能力以及專業的售后服務等，得到了富春江環保熱電有限公司技術人員的一致認可。為了試點，采用東方日立（成都）電控設備有限公司生產的DHVECTOL-DI系列高壓大功率變頻器先對4號爐引風機進行了變頻改造，到達了預期的節能效果，而后又陸續對3號、5號、6號、7號爐進行了變頻改造，都取得了很好的效果。
3. 變頻器工作原理
目前國內高壓大功率變頻器普遍采用“高-低-高”的變換形式，由多個功率單元構成多重化串連的拓撲結構，每個單元輸出固定的低壓電平，再由多個單元串連疊加為所需的高壓，見系統圖3－1。DHVECTOL-DI系列高壓大功率變頻器也不例外，以10kV每相九個單元串聯為例,系統如下圖所示。每相由九個相同的功率單元串聯而成，相電壓為5773V。每個功率單元輸出有效值Ve＝641V，峰值輸出電壓 。多重化串連結構使用低壓器件實現了高壓輸出，不僅降低了對功率器件的耐壓要求，而且還使輸出波形得到了極大的改善。它對電網諧波污染非常小，輸入電流諧波畸變率小于4%，滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準；輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置；輸出波形接近正弦波，不存在輸出諧波引起的電機發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，對普通異步電機不必加輸出濾波器就可以直接使用。
圖3－1 系統圖
4. 可靠性設計
130t/h循環硫化床鍋爐采用一臺一次風機，一臺二次風機，一臺引風機，因此對可靠性的要求非常的高，詳細見附圖4－1。

圖4－1 130t/h循環硫化床鍋爐示意圖
 為了保證設備的使用壽命，DHVECTOL-DI系列高壓大功率變頻器功率單元采用了冗余設計，每相功率單元采用9級串連。
 為了保證變頻器的可靠性，DHVECTOL-DI系列高壓大功率變頻器功率單元采用了自動旁通設計，功率單元原理見附圖4－2。當單個功率單元故障后，變頻器會自動旁通掉該功率單元，保證系統的連續運行，9級系統可旁通掉兩個功率單元。

圖4－2 功率單元原理圖
 同時為了保證系統的連續運行，整套變頻器配備有手動旁通裝置。變頻器異常時，變頻器停止運行，電機可以直接手動切換到工頻運行。如圖4-3，工頻旁路由2個高壓隔離開關QS1、QS2組成。變頻運行時，QS1合，QS2處于變頻位置；工頻運行時，QS2處于工頻位置，QS1斷開。

圖4－3 一次系統圖
5. 成功應用
4#爐引風機的變頻器于2005年1月到現場，3月中旬開始安裝，4月24日送電調試，5月變頻器配合鍋爐進行各種動力實驗，試驗期間各種連鎖可靠，故障聲報警準確，和DCS系統連接方便、控制精度高。6月4#爐投入生產運行，另外3#、5#爐也分別于12月和2006年1月投入生產，通過實際生產期間對引風機工頻啟動運行和變頻啟動運行的大量對比測試，鍋爐引風機采用變頻啟動運行后具有明顯優勢。
 改善啟動性能，減少電網沖擊，引風機電機采用變頻器從靜態啟動，運行人員通過DCS系統緩慢提升轉速至工作范圍，最大啟動電流約為額定電流0.8倍，避開了電機6-8倍啟動電流，轉動力矩平穩上升，減少對電網的沖擊。
 減少機械震動、噪音和磨損，提高運行的可靠性，延長機械壽命,變頻調速時引風機入口擋板全開，升降轉速平穩，慣性力矩減少，各部力矩為最小，風機轉動部件磨損最小，環境噪音降到最低。
 利用變頻器對鍋爐引風機進行壓力、風量調節，調節過程平滑靈活可靠，同時解決風門擋板線性差、調節延遲問題，特別在點爐初期和低負荷情況下，變頻調節非常方便平穩、控制精度高，爐膛負壓容易控制也非常穩定，與擋板節流調節相比，變頻調節明顯改善調節性能。
6. 節能效益分析
在3#、4#爐鍋爐系統正常運行、熱負荷基本相等的工況下，其中3#爐引風機采用風機進口風門調節風量，4#爐引風機變頻調速調節風量（兩臺鍋爐并列布置，煙道截面、煙管長度基本相等），根據杭州市能源監測中心于2005年11月對浙江富春江環保熱電有限公司引風機進行的耗電量測試，得出兩臺鍋爐引風機在采用不同方式調節風壓風量時的排煙量、耗電量數據如下：
序號 項目名稱 符號 單位 計算公式或數據來源 數值
工頻 變頻
1 測試時間 T1 Min 實測 60 60
2 大氣壓力 PB Pa 實測 101500 101500
3 環境溫度 t℃ ℃ 實測 28.1 23.4
4 電機轉速 r r/min 實測 996 472
5 畢托管系數 k 標定值 1 1
6 測試斷面煙溫 ty ℃ 實測 108 101
7 測試斷面靜壓 ps Pa 實測 48.7 33.5
8 斷面均方根動壓 Hd Pa 2
13.14 13.14
9 標態下咽氣重度 γo N/Nm³ 查表 9.9457 10.1522
10 測試斷面咽氣重度 γ N/Nm³
9.8016 10.1522
11 測試斷面風速 v m/s
9.8016 8.0462
12 每小時引風量 qf m³ / h V×F×3600 216478 177709
13 平均電壓 U V 實測 10644 10827
14 平均電流 I A 實測 29.85 5.10
15 功率因數 COSΦ — 實測 0.637 0.989
16 視在功率 s KVa 實測 550.31 95.88
17 無功功率 q kvar 實測 424.41 14.35
18 有功功率 p kW 實測 350.55 94.80
19 輸入無功電量 wq Kvar.h 實測 424.41 14.35
20 輸入有功電量 wp Kw.h 實測 350.55 94.8
21 電源頻率 f HZ 實測 50.01 23.55
22 風門開度 Fm % 實測 24.7 100
23 每萬立方米引風量所耗電量 pd Kwh/nm³ Wp/ qf 16.1932 5.3346
采用變頻調速后，引風機節電率：

=
7. 結束語
現階段國家電力供應缺口較大，供需矛盾十分突出，但是電力浪費也非常嚴重，與發達國家相比，每單位GDP消耗能源高1倍甚至數倍，因此在加快電力建設速度的同時，依靠科技進步，加大節電力度，最大限度降低電力消耗，對緩解電力供需緊張局面，同樣有著不可忽視的作用。富春江環保熱電有限公司通過對引風機加裝變頻調速裝置，取得了明顯的節電效果，并獲得了良好的經濟效益和社會效益，在國家大力提倡建設節約型社會的今天，為環保熱電廠又增加了一個新的亮點。

參考文獻：
[1] 吳忠智 吳加林 變頻器應用手冊 機械工業出版社
[2] 產品技術手冊 東方日立（成都）電控設備有限公司
[3] 韓安榮 通用變頻器及其應用 機械工業出版社
[4] 王占奎 變頻調速應用百例 科學出版社



作者簡介：
鄭書衡 男 東方日立（成都）電控設備有限服務工程師，長期負責高壓變頻器改造工作，有高壓變頻器應用豐富經驗。