引言

　　此案例為湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司電廠高壓變頻" title="高壓變頻">高壓變頻應(yīng)用的典型案例之一,，節(jié)電效果明顯，在安裝后的實際應(yīng)用運行可靠,。其中的旁路方案,，DCS控制的樣板邏輯將為電力行業(yè)和其它行業(yè)的高壓變頻改造提供有力的技術(shù)借鑒作用

一． 工程概況

　　節(jié)能減排" title="減排">減排是我國的基本國策，國家制定了《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》,。為實現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo),，國家啟動了“十一五”國家十大重點節(jié)能工程，電動機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程是其中之一,。為此，青海橋頭鋁電公司從大局出發(fā),，本著對社會負(fù)責(zé)的態(tài)度,，積極響應(yīng)國家節(jié)約減排的號召，進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力,，降低發(fā)電生產(chǎn)成本,，決定對#5爐2臺引風(fēng)機(jī)1250kW電機(jī)高壓電動機(jī)加裝高壓變頻器改造。

　　#5爐2臺引風(fēng)機(jī)1250kW電機(jī)在工頻" title="工頻">工頻狀態(tài)下為保證其滿足最大運行工況的需要,，電機(jī)容量均按最大需求選取交流電動機(jī),，風(fēng)機(jī)均工作在最大工作需求狀態(tài)下，為滿足工況變化的需要,，風(fēng)機(jī)采用調(diào)整風(fēng)門擋板的開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法,。當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷運行時，吸風(fēng)機(jī)入口擋板開度約46%,，能量損失大,，風(fēng)機(jī)效率低，振動大。同時由于電機(jī)電氣控制采用星/三角形直接啟動,。頻繁的起停產(chǎn)生5～8倍的啟動電流,，會導(dǎo)致電動機(jī)發(fā)熱，增加了電機(jī)維修成本,，縮短電機(jī)的使用壽命,。

　　采用變頻調(diào)速控制技術(shù)是解決上述問題的重要手段之一。利用高壓變頻器對風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行變頻控制,，實現(xiàn)風(fēng)量的變負(fù)荷調(diào)節(jié),。這樣，不僅解決了風(fēng)門調(diào)節(jié)線性度差,、純滯延大等難以控制的缺點,，而且提高了系統(tǒng)運行的可靠性；更重要的是減小了因風(fēng)門變化造成的壓流損失,，減輕了風(fēng)門的磨損,，降低了系統(tǒng)對風(fēng)道密封性能的破壞，延長設(shè)備的使用壽命,，維護(hù)量減小,，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約能源,，為降低廠用電率提供了良好的途徑,。

　　以#5爐甲乙引風(fēng)機(jī)" title="引風(fēng)機(jī)">引風(fēng)機(jī)為例，現(xiàn)場運行參數(shù)如下：

5#爐引風(fēng)機(jī)根據(jù)理論測算變頻后頻率為32.5HZ，功耗為354kW,。

　　節(jié)能率=(785－354)/785＝54.90％

　　單臺年節(jié)電：(785－354)×6953=299.67萬kWh

　　合計節(jié)電2×299.67=599.34萬kWh,。

　　本工程項目施工單位是經(jīng)社會公開招標(biāo)方式產(chǎn)生。經(jīng)招標(biāo)組綜合評議最終確定湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司為本次改造項目的中標(biāo)單位,。

二．工程內(nèi)容

　　#5爐甲,、乙引風(fēng)機(jī)變頻改造工程項目為交鑰匙工程，工程包括：變頻器室土建施工（含電纜溝）,；電纜敷設(shè)及連接,；控制部分DCS邏輯的編程改造；變頻器的調(diào)試投運,，綜合驗收,；節(jié)能評估等。現(xiàn)對改造中主體的旁路配置和DCS控制描述如下：

旁路柜配置

　　變頻器采用“一拖一手動旁路柜”配置方案：為了充分保證系統(tǒng)的可靠性,，變頻器加裝工頻旁路裝置,。當(dāng)變頻器異常不能正常運行時,，電機(jī)可以手動切換到工頻運行狀態(tài)下運行，以保證生產(chǎn)的需要,；其原理圖如下：

　　QF為用戶側(cè)高壓開關(guān)" title="高壓開關(guān)">高壓開關(guān)柜,，由用戶提供；QS1,、QS2,、QS3由供方與變頻器配套提供。高壓電源經(jīng)用戶開關(guān)柜高壓開關(guān)QF到刀閘柜,，經(jīng)輸入刀閘QS1到高壓變頻裝置,，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘QS2送至電動機(jī)；高壓電源還可經(jīng)旁路刀閘QS3直接起動電動機(jī),。進(jìn)出線刀閘QS1,、QS2和旁路刀閘QS3的作用是：一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開出線刀閘QS2,，再斷進(jìn)線刀閘QS1,，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘QS3,，在工頻電源下起動電機(jī)運行,。QS1、QS2,、QS3安裝在一個刀閘柜中與變頻裝置配套供貨,。QS2與QS3之間通過機(jī)械閉鎖，防止誤操作,。電機(jī)及用戶側(cè)高壓斷路器QF保留用戶原有設(shè)備,。

DCS方案描述

　　風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行變頻改造后，原先DCS系統(tǒng)對風(fēng)系統(tǒng)的控制方式發(fā)生了根本改變,，必須對所有設(shè)計一次風(fēng)系統(tǒng)的順控,、自動邏輯和畫面進(jìn)行全面修改，增加變頻模式下操作,、順控啟停、事故聯(lián)鎖,、協(xié)調(diào)控制等功能,。橋頭鋁電DCS系統(tǒng)使用北京國電智深產(chǎn)品，為充分保證系統(tǒng)的可靠,，橋頭鋁電熱工,、電氣部門對邏輯控制的每個步驟和細(xì)節(jié)都進(jìn)行了詳細(xì)反復(fù)綜合考慮，最終得出詳細(xì)的控制邏輯,。首先在此邏輯中對手動旁路的3個刀閘位置在控制中予以監(jiān)測,，確?？煽浚黄浯螌χ饕l(fā)熱器件進(jìn)行溫度監(jiān)測,；另外加裝緊急停機(jī)按鈕,，并確保緊急停機(jī)直接控制斷開高壓開關(guān)。同時工變頻切換時,，保證調(diào)節(jié)擋板調(diào)節(jié)方式一致,。此邏輯在安裝后的實際應(yīng)用中也證明是一套較為全面完整可靠的邏輯，亦為電廠變頻改造DCS控制的典型樣板邏輯,。邏輯控制描述如下：

1） DCS變頻正常啟動

　　A,、 手動合上QS1、QS2,，斷開QS3,；

　　B、 DCS開關(guān)狀態(tài)顯示QS1,、QS2已經(jīng)手動合上,，QS3斷開（變頻狀態(tài)）；

　　C,、 DCS調(diào)節(jié)擋板開度（小于5%）,；

　　D、 DCS發(fā)送的“變頻方式運行”指令,，在變頻系統(tǒng)條件允許（柜門已關(guān),、控制電源正常、風(fēng)扇開關(guān)正常和沒有其它電氣故障）情況下,，向DCS發(fā)出“變頻器就緒”信號,；向DCS發(fā)出“引風(fēng)機(jī)開關(guān)合閘允許”信號；

　　E,、 DCS在接收到“開關(guān)合閘允許”信號后,，合6kV高壓開關(guān)；

　　F,、 變頻器在接收到6kV高壓開關(guān)已合信號后,延時給DCS發(fā)一個“請求運行”信號,；

　　G、 DCS在接受到“請求運行”信號后,，發(fā)出“啟動運行指令”,。變頻器在接收到“運行指令”信號后變頻器開始運行，同時給DCS發(fā)一個“變頻運行”狀態(tài)信號,，運行頻率從0Hz按照設(shè)定的時間升頻至給定頻率值,；

　　H、 DCS調(diào)節(jié)擋板開度（大于95%）,；

　　I,、 DCS可以在變頻器啟動以前將“轉(zhuǎn)速給定信號”給定到預(yù)定值,；

2） DCS變頻正常停機(jī)

　　A、 在運行時需要正常停機(jī)時,，DCS給變頻器發(fā)出“停機(jī)”信號,；

　　B、 變頻器接收到“遠(yuǎn)方停止”信號后,，運行頻率按照設(shè)定的時間降至0Hz,，然后斷開“變 頻運行”信號，發(fā)出“跳高壓開關(guān)”信號,；

　　C,、 DCS在接收到“跳引風(fēng)機(jī)高壓開關(guān)”信號后，斷6kV高壓開關(guān),；

3）變頻緊急停機(jī)說明

　　變頻器控制柜設(shè)置“緊急停機(jī)”按鈕,，可就地緊急分?jǐn)喔邏洪_關(guān)。并向DCS提供緊急停機(jī)信號,；

4）工頻正常運行

　　A,、 手動斷開QS1、QS2,，合上 QS3,；

　　B、 DCS開關(guān)狀態(tài)顯示QS1,、QS2已經(jīng)手動斷開,，QS3合上（工頻狀態(tài)）；

　　C,、 按原工頻邏輯執(zhí)行,；

5）工頻正常停機(jī)

按原工頻邏輯執(zhí)行；

6）變頻工頻切換

　　A,、 手動斷開QS1,、QS2，合上 QS3,；

　　B,、 DCS開關(guān)狀態(tài)顯示QS1、QS2已經(jīng)手動斷開,，QS3合上（工頻狀態(tài)）,；

　　C、 手動合上QS1,、QS2，斷開QS3,；

　　D,、 DCS開關(guān)狀態(tài)顯示QS1,、QS2已經(jīng)手動合上，QS3斷開（變頻狀態(tài)）,；

變頻器與DCS信號定義

1）變頻器到DCS開關(guān)量信號:

　　以上所有數(shù)字量采用無源節(jié)點輸出,，節(jié)點容量均為DC220V/5A。

2）變頻器到DCS模擬量信號：

　　調(diào)速裝置可以提供兩路4～20mA的電流源輸出,，帶負(fù)載能力均為250Ω

3）DCS到變頻器開關(guān)量信號:

4）DCS到變頻器模擬量信號：

　　該給定值可以為4～20mA的電流源信號（帶負(fù)載能力必須大于250Ω）,。

5）DCS原工頻模擬量信號：

7）電氣到變頻：

8）根據(jù)以上信號DCS需配置卡件如下：（2臺）

5.6.5組態(tài)后可監(jiān)測狀態(tài)如下：

三、項目改造效果

湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司有為#5爐2臺引風(fēng)機(jī)電機(jī)上分別加裝一套湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司生產(chǎn)的6kV/1440kW高壓變頻器裝置,。高壓變頻裝置經(jīng)過50多天的安裝調(diào)試后,，現(xiàn)已投入正常運行。高壓變頻裝置經(jīng)過72小時的工頻和變頻運行對比,，#5爐甲,、乙引風(fēng)機(jī)變頻器投運后節(jié)能效果明顯，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,。節(jié)能情況如下：

改造前引風(fēng)機(jī)運行工況

高壓變頻改造后引風(fēng)機(jī)運行工況

高壓變頻改造前后比較

1,、100MW工況比較

2、125MW工況比較

經(jīng)查表:08年,，額定負(fù)荷運行時間約4422小時,，低負(fù)荷運行時間約：3615小時

經(jīng)查表:09年，額定負(fù)荷運行時間約2604小時,，低負(fù)荷運行時間約：3907小時

A,、以08年運行8037小時，額定負(fù)荷運行時間約4422小時,，低負(fù)荷運行時間約：3615小時工況為例,，以此為依據(jù)預(yù)估年節(jié)能情況：

變頻運行功耗為：643*3615+879*4422=6211383kWh

變頻運行節(jié)能量為：13502676-6211383=7291293kWh

平均節(jié)能率為：（59.04%*3615+44.96%*4422）/8037=51.3%

節(jié)約電費：7291293*0.26=189.6萬

節(jié)約標(biāo)煤：7291293*0.35/1000=2552噸

二氧化碳減排：2552*2.493=6362噸

碳減排：2552*0.68=1735噸

B、以08年運行6511小時,，額定負(fù)荷運行時間約2604小時,，低負(fù)荷運行時間約：3907小時工況為例，以此為依據(jù)預(yù)估年節(jié)能情況：

變頻運行功耗為：643*3907+879*2604=4801117kWh

變頻運行節(jié)能量為：10817432-4801117=6016315kWh

節(jié)約電費：6016315*0.26=156.4萬

平均節(jié)能率為：（59.04%*3907+44.96%*2604）/6511=53.4%

節(jié)約標(biāo)煤：6016315*0.35/1000=2105.7噸

二氧化碳減排：2105.7*2.493=5249.5噸

碳減排：2105.7*0.68=1432噸

C,、以08,、09年平均運行小時數(shù)7274小時計，取08,、09年平均額定負(fù)荷運行時間平均3406小時,低負(fù)荷平均運行時間為3868小時,，以此為依據(jù)預(yù)估2010年節(jié)能情況：

變頻運行功耗為：643*7274*53%+879*7274*47%=5480998kWh

變頻運行節(jié)能量為：12147580-5480998=6666582kWh

節(jié)約電費：6666582*0.26=173.3萬

平均節(jié)能率為：（59.04%*3868+44.96%*3406）/7274=52.4%

節(jié)約標(biāo)煤：6666582*0.35/1000=2333.3噸

二氧化碳減排：2333*2.493=5817噸

碳減排：2333*0.68=1586噸

備注：

a、節(jié)約1kWh電量=節(jié)約350g標(biāo)煤

b,、節(jié)約1千克標(biāo)準(zhǔn)煤=減排2.493千克“二氧化碳”=減排0.68千克“碳”

上述節(jié)能情況匯總?cè)缦拢?/p>

1,、 以08年運行8037小時工況計算：節(jié)能量為： 7291293 kWh；節(jié)約電費：189.6萬,；平均節(jié)能率51.3%;節(jié)約標(biāo)煤： 2552噸,；二氧化碳減排： 6362噸,；碳減排： 1735噸。

2,、 以09年運行6511小時工況計算：節(jié)能量為： 6016315 kWh,；節(jié)約電費：156.4萬；平均節(jié)能率53.4%;節(jié)約標(biāo)煤： 2105.7噸,；二氧化碳減排： 5249.5噸,；碳減排： 1432噸。

3,、 以08,、09年平均運行小時數(shù)7274小時計，額定負(fù)荷運行時間平均3406小時,低負(fù)荷平均運行時間為3868小時計算,，節(jié)能量為： 6666582 kWh,；節(jié)約電費：173.3萬；平均節(jié)能率52.4%;節(jié)約標(biāo)煤： 2333噸,；二氧化碳減排： 5817噸,；碳減排： 1586噸。

4,、 通過變頻改造后,，電機(jī)啟動電流由原來的5~8倍額定電流降為1倍以下額定電流，大大減小電網(wǎng)的沖擊和無功損耗,。電機(jī)長期運行在37Hz以下,，最大電流不超過40A，使電機(jī)運行電壓（約4500V）遠(yuǎn)小于工頻運行電壓（6000V）,，電流遠(yuǎn)小于工頻運行電流,，大大減小電機(jī)絕緣的老化，延長電機(jī)壽命,。由于轉(zhuǎn)速大大降低,，電機(jī)軸承和風(fēng)機(jī)軸承磨損大大降低，風(fēng)葉的磨損大大降低,，減小風(fēng)機(jī)和電機(jī)維護(hù)成本,。風(fēng)門開度為100%，風(fēng)門前后壓差為0,，風(fēng)門的維護(hù)工作降為0,。風(fēng)量風(fēng)壓的調(diào)節(jié)更為平穩(wěn)，減小負(fù)荷波動,，工況更為穩(wěn)定,。

四、結(jié)論

　　通過此項目實施，橋頭鋁電公司達(dá)到了節(jié)能改造目的,，并超出預(yù)期效果,，積累了相關(guān)變頻改造項目的經(jīng)驗。

　　本次高壓變頻改造工程節(jié)能的效果良好,，工況改善明顯，當(dāng)年收回投資,，超出預(yù)期,，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。同時也為湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司今后的項目提供了堅實的現(xiàn)實依據(jù),。