第19卷第10期 广东电力 VO1.19 NO.10 2006年10月 GUANGD0NG ELECTRIC pOWER Oct.2006 文章编号:1 0O7—290X(20()6)1 0-()050—04 变频调速技术在电厂节能改造中的应用 冯征超,李成刚,区真理 (番禺南沙电力有限公司,广州511458) 摘要:随着电力系统商业化运营的逐步实施,发电厂的节能降耗日显重要,减少厂用电量以降低生产成本为 各电厂所重视,这使得交流变频调速技术在发电厂的应用逐步增多。为此.在介绍变频器调速原理的基础上, 以某柴油机发电厂变频调速节能改造为例,探讨了发电企业变频调速节能改造的意义,同时针对现有系统存在 的弊端,提出了改造措施,改造后实际运行表明,节电率约达4()%,节电效果明显。 关键词:变频调速技术;发电厂;节能改造;滑油泵;发电机 中图分类号:TM621.7;TM921.51 文献标识码:B Frequency control technique applied to energy conservation transformation of power plants FENG Zheng—chao,LI Cheng—gang,OU Zhen—li (Panyu Nansha Power Co.,Ltd.,Guangzhou 5 1 1 458,China) Abstract:With the gradual implementation of commercialized operation of power system.energy conservation and loss reduction of power plants have become increasingly important,and lessening auxiliary power consumption to reduce production costs has been stressed.As a result,AC frequency control technique finds more and more application in power plants.In this paper,the principle of frequency converters is described.Taking a diesel power plant as an example,the paper approaches the significance of energy conservation transformation adopting frequency control technique,and puts forth specific measures aiming at the problems of the existing system.Operation shows that the transformation has brought about remarkable electricity saving effects with about 40%of power saved. Key words:frequency control technique;power plant;energy conservation transformation;lubricating oil pump;generator 转速,从而起到明显的节能效果。目前,这已经成 1变频调速系统简介 为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。 1.2变频器简介 1.1变频器的产生背景 目前的变频器主要采用交一直一交方式,先把 异步电动机是生产企业最主要的动力设备之 T_频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再 一。作为高能耗设备,其输出功率往往不能随负荷 把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源 按比例变化。很多现代工业工程中需要对设备的转 以供给电动机。变频器的电路主要由整流(交流变 速进行控制,例如:造纸机转速、水泵转速、风机 直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱 转速等等。近年来,随着变频器技术的成熟以及变 动单元、检测单元、微处理单元等部分组成。整流 频器应用范围的日益广泛,使用变频器对电动机电 部分一般为三相桥式整流器,逆变部分为绝缘栅双 源进行技术改造成为十分有前途的事业。变频器可 极晶体管(IGBT)三相桥式逆变器,且输出为脉宽 以根据负荷的变化或者控制要求随时改变电动机的 调制(PWM)波形,中间直流环节为滤波、直流储 能和缓冲无功功率。 收稿日期:2006.【)1.18 现在,全世界范围内的变频器应用极为广泛。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第10期 冯 超等:变频调速技术在电厂节能改造中的应用 主流的变频器品牌包括:ABB、西门子、丹佛斯、 施耐德等,基本上所有著名电气设备厂商都有一系 列的产品推出。从产品T艺和应用技术上来看,现 在的变频器已经非常成熟。 1.3变频器调速原理 变频器通过控制电压和频率来实现调节转速。 电机学中有如下公式: ,z=60_『’(1一S)/p. (1) 式中:,z——异步电动机的转速; 厂——异步电动机的频率; ——电动机转差率; p——电动机极对数。 由式(1)可知,转速n与频率厂成正比,只要 改变频率即可改变电动机的转速,当频率『、在()~ 50 Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常 宽。变频凋速就是通过改变电动机电源频率实现速 度调节的。实际应用中,如果仅降低频率,电机绕 组的电流将会随之增大,特别是当频率降到很低 时,该问题就非常突出,电机将被烧坏。所以,为 了防止电机烧毁事故的发生,变频器在改变频率的 同时必须要同时改变电压。 2发电企业进行变频调速节能改造的意义 现今电力系统改革正在不断深化,厂网分开、 竞价上网开展实施,降低厂用电率、降低发电 成本,提高出厂电价的竞争力,就成为每个电厂的 当务之急。现以装机总容量115 5 MW(10.5 MW ×11)的柴油机发电厂为例,对其辅机设备采用变 频凋速技术改造进行探讨。 该火力发电厂的各种辅助动力设备中,风机、 水泵、油泵类负载占绝大部分,整个发电厂最高厂 用电负荷记录约为2.5 Mw,辅助动力设备中主滑 油泵总容量为0.99 MW(0.()9 MW×11),占发电 厂厂用电40%,如果能够采用变频调速技术对辅 机设备进行节电改造,效果是相当明显的。 3系统现状描述 3.1 设备简介 在该柴油机发电厂中,主滑油泵是发电机组润 滑系统的重要组成部分,在管路固定的情况下,润 滑系统的滑油压力为关键受控对象。机组处于运行 状态时,滑油压力太低会影响机组润滑效果,对机 组运动部件造成损害;滑油压力太高则对过滤器、 管道及密封胶圈有破坏作用。润滑系统的主滑油泵 为德国莱斯特瑞慈(Leistritz)螺杆泵,由L2型滑 油螺杆泵、滑油泵电机(啸驰防爆9()kW电机)和 相关的机械调压机构等构成,润滑系统概况如图1 所示。 图1柴油发电厂润滑系统概略图 3.2存在节能空间 目前,此润滑系统采用机械调压机构保证机组 滑油压力控制在允许的范围内,超出正常范围的压 力全部由机械调压机构回流管道排放回油柜,这样 一来,电机输 功率的很大一部分被排放掉,浪费 了大量能源。根据滑油泵厂家资料显示,滑油泵输 出压力设计在().8 MPa,而该发电厂柴油机只需要 ().6 MPa就可满足_丁况需要,滑油泵在0.6 MPa、 运动黏度15 mm /s、温度85℃时所需要的功率为 48 kW,而滑油泵电动机功率为9()kW,证明余量 很大。咨询生产厂家后得知,设计时选用大功率电 动机的原因是由于螺杆泵起动时需要较大扭矩,如 果起动方式是直接起动而电机储量不够时易烧毁电 机,变频技术在当时还未能推广,故选用大功率电 动机来达到工况要求。现在只需要配备比滑油泵功 率稍大的电动机,通过变频器实现高起动转矩,并 且用平滑无冲击的软起动就可以了。 3.3现有系统的弊端 现有系统存在以下弊端: a)直接起动的交流电机因起动电流大(通常为 额定电流的5~7倍),在很短的起动过程中,笼型 绕组或阻尼绕组将承受很高的热应力和机械应力, 致使笼条(或导条)和端环在很高的应力作用下疲劳 断裂; b)直接起动时的大电流还会在绕组端部产生 维普资讯 http://www.cqvip.com
很大电磁力,使绕组端部变形和振动,造成定子绕 组绝缘的机械损伤和磨损,导致定子绕组绝缘 击穿; c)直接起动时的大电流还会造成铁心振动, 使铁心松弛,引起电动机的发热; d)机械调压方式经常导致滑油泵 口压力变 化偏大,不符合发电机需要 口压力平稳的技术特 点,影响发电机设备寿命。 4改造措施 4.1改造方案 a)异步电动机采用软起动方式 在火力发电厂中,大容量交流异步电动机应用 非常广泛,由于直接起动所造成的电动机烧毁和转 子断条事故屡屡发生,给主机设备的安全经济运行 带来很大的威胁,因此大容量异步电动机采用软起 动方式,对于延长电动机使用寿命,减少对电网的 冲击,保证正常生产是非常必要的。 b)在润滑系统中应用变频调速系统 在润滑系统中应用变频调速系统,变频器以及 配套的控制系统根据滑油压力来调节滑油泵的电机 转速,避免了电机频率恒定、满负荷输 而带来的 电能浪费。而且,每次起停滑油泵时,变频器使电 机按照一定的斜率加速,对电机本身和相关的机械 机构的冲击都大大减少,从而延长了设备的使用 寿命。 4.2改造所需设备 每改造1台机组的滑油系统,就需要配套使用 如下设备:1台110 kV变频器、断路器、电抗器、 综合保护器、变频器柜、变频控制器、2台接触器 及相关的通信软件。 4.3控制策略 一般情况下,滑油泵电机的进线电源来自变频 器,另有旁路电源作为故障备用。当运行人员启动 滑油泵时,变频器驱动滑油泵电机以一定斜率增速 起动。滑油压力传感器将滑油系统当前的滑油压力 数值反馈回变频器系统的控制装置,控制装置根据 反馈的压力数值和操作人员预先设定的滑油系统标 准压力值进行比较运算,然后变频器向滑油泵电机 输出一个特定的频率,使滑油泵电机以适当的转速 运转,从而使滑油系统当前的滑油压力数值维持在 一个最合适的压力范围内。这样,通过泄压装置回 第19卷 流的润滑油非常少,避免了能源浪费。 变频器自动调节需要的压力反馈信号从机组的 传感器设备中直接获得,控制逻辑由控制设备内部 的软件实现,可以通过编程,按照经验值设定调节 范围,选择合理的控制参数。基于厂内现有的控制 系统,可以使变频系统通过控制网络与其无缝集 成,变频系统的参数设定、运行模式选择、起停等 既可就地进行操作也可在主控室遥控,运行值班人 员可以在主控室的电脑画面上实时监控变频系统状 态。滑油变频系统主回路原理如图2所示。 图2滑油变频系统主回路原理 5改造方案的特点 5.1 与现有工艺完全配合,无技术风险 只改动电气驱动部分,对现有滑油系统工艺无 影响,不会因为变频改造而产生任何不可靠因素。 当变频系统进行检修时,运行人员只需稍做操作, 就可以将系统切换成原来的状态,使原有的机械调 节装置能够重新发挥作用,做到了平滑切换、无风 险整合。 5.2可靠性好 使用国际名牌变频器,技术成熟,类似的解决 方案已经得到广泛应用。而且,在参数设置时,充 分考虑了广州地区高温、高湿的环境特性,将变频 器电流限幅为低于额定电流的状态,以保证设备长 期良好运行。除了变频器涉及的基本电气回路外, 对厂里的一次回路没有改动,基本不会因为变频系 统的安装和运行而对其他系统产生影响,使系统的 可靠性进一步提高。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第10期 冯征超等:变频调速技术在电厂节能改造中的应用 5.3与现有控制系统紧密集成 该厂现有的主要控制系统是用于机组控制的控制 系统、相关的控制网络及上位机软件系统。改造时, 我们将变频系统和现有的控制系统网络集成,使其与 机组控制系统直接通信,以实现全自动控制和调节。 经过编程和组态,变频系统的相关运行参数可以直接 显示到上位机控制软件的监控画面上,不仅便于运行 人员监控和遥控,而且便于检修人员维护,管理人员 也能够通过远程监控网络了解变频系统的相关信息。 6其他技术细节探讨 6.1 相关的传感器和控制系统 变频器自动调节需要的压力反馈信号从机组的 传感器设备中直接获得,控制逻辑由控制设备内部 的软件实现,可以通过编程,按照经验值设定调节 范围,选择合理的控制参数。 该厂控制系统网络均采用施耐德公司的 MODICOM984系列PLC。控制器用标准9针RS. 485串行端口;控制器之间,使用984梯形图指令 集的MSTR指令进行数据交换;控制器与下位编 程T控机、上位监控机之间使用Modbus Plus(简 称MB+)网络通信。通信介质为同轴电缆。T控 机用AS.SA85.000网络插卡,实现相互问的数据 读写。网络用屏蔽双绞线构成总线形拓扑结构。人 机界面(HMI)软件为英国Invensys plc子公司 Wonderware的InTouch。 6.2远程监控 改造中变频器采用施耐德公司产品,与发电机 控制系统为同一公司生产,其通信功能易与发电机 现有工控网络的控制系统实现无缝集成,直接采集 现有滑油系统压力值调节变频器,达到发电机T况 要求,避免因另外设点而导致采集值与原值有差 异,造成发电机保护误动作或不动作。变频系统的 参数设定、运行模式选择、起停等既可就地操作也 可在主控室遥控,运行值班人员可以在主控室的电 脑画面上实时监控变频系统状态。 6.3主设备选型 该厂采用的ATV71变频器系施耐德公司最新 产品,也是施耐德公司电气驱动方面的主打产品, 是专门应用于恒转矩负载的节能型变频器。控制方 式除了常见的开环、闭环矢量控制和电压一频率控 制之外,还增加了转矩控制和同步电机控制等;除 了继承施耐德电气传统的宽电压T作范围、强过载 能力外,更有多达1 50多种应用功能,不论在 “质”还是“量”上都能满足用户对于品质和革新 不断提高的需求。拥有较宽的功率范围,具有多种 通信方式(各种常用通信协议),提供了变频器和 电机的热保护、过电压保护,逻辑输}f1报警,能够 实现停电时的快速停车,内置PID调节器,还具 有自动、人T切换等先进功能。在变频器的参数设 置时,进行了低于变频器额定电流的电流限幅,以 保证设备更良好的长期运行。 6.4高次谐波抑制 由于变频器逆变电路的开关特性,对其供电电 源形成了一个典型的非线性负载。变频器在现场通 常与其它设备同时运行,例如计算机和传感器,这 些设备常常安装得很近,这样可能会造成相互影 响。谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致, 当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系, 就形成非正弦电流,从而产生谐波。 在清楚地了解谐波产生的原因之后,治理上可 采用无源滤波器、有源滤波器,减少回路阻抗,切 断谐波传输路径等方法。现在还出现了无源滤波器 (LC滤波器)与有源滤波器互补混合使用的方式, 可充分发挥LC滤波器结构简单、易实现、成本 低,有源电力滤波器补偿性能好的优点,克服有源 电力滤波器容量大、成本高的缺点。两者结合使 用,从而使整个系统获得良好的性能,力求将变频 器产生的谐波控制在最小范围内,达到科学合理用 电,抑制电网污染,提高电源质量的目的。 7节电效果 该柴油机发电厂原来的节电效果可通过单耗方 法计算:综合2005年2—6月5个月的数据,得出 单耗为5 418.3 kwh/23 158 h=233.97 kW。其中 前项为5个月的厂用电,后项为11台机组5个月 的总运行时间。 安装变频系统后,以同样方法算出的单耗(7— 1 1月)为140.85 kW,节省出来的单耗为93.12 kW,节电率39.8%,节电效果相当明显。 8结束语 交流变频调速技术是目前世界上技术先进、性 (下转第72页) 维普资讯 http://www.cqvip.com
第19卷 行,主设备接着发生事故的概率是比较小的。但 阻器RV2合并共用的方式,氧化锌非线性电阻器 是,如果没有励磁变压器提供机组励磁电源,就必 的能量耐量再加大2()%~3()%,同时兼顾灭磁和 然造成机组失磁,这时由于直流电源处于故障之 各种转子过压保护,其跨接器的动作值应该设计得 中,就无法保证继电保护正确动作,从而使得事故 比RV3的值略小,这样就可以避免出现类似事 进一步扩大,造成主设备损坏。因此有必要坚持在 故了。 励磁系统尤其是白并励系统中引入励磁变压器电源 3.4定期检测氧化锌电阻器的工作特性 作为调节器的_[作电源,这在技术上实现并不5fj 对于氧化锌电阻器,要认真选型和严格审查其 难,经济上投资也非常少。 设计参数。氧化锌电阻器对T作环境要求较高,潮 3.2加强直流系统的维护管理 湿、高温、灰尘等都会加速其老化过程,应结合机 该电厂事故后检查发现直流系统蓄电池严重老 组检修定期检测其工作特性。一般应该按照制造厂 化,防硫化回路长期未投入使用。该电厂铅酸蓄电 标准(罔家标准中尚未有规定)测量氧化锌压敏阀片 池更换为免维护全密封阀控蓄电池后,多年没有对 的标称电压 …mA,其数值应该与出厂试验时的值 设备进行容量校核。事故后检查发现蓄电池I组中 基本一致;然后测量0.5 …mA下的泄漏电流,一 多个电池存在外壳变形、内阻很大甚至接近开路, 般应该小于5()t*A。 Ⅱ组有16个电池电压严重偏低,末端电池严重过 3.5定期检测跨接器及其回路 充变形等不良工作状态。直流系统是电力设备控制 大修时对于跨接器(例如晶闸管和二极管、触 和保护的关键设备,必须严格的按照规程对蓄电池 发器等)及其回路也要进行检测,以保证其能够按 定期进行检查维护,尤其是做好定期的容量检测试 照正确的逻辑动作;对于使用灭磁开关辅助触点做 验,防止直流失压引发严重的事故。 跨接器的,还应该检查其与主触头之间动作的时间 3.3对转子过电压保护进行改造 配合是否合适。 按照国内的标准,目前的转子过电压保护均未 3.6大修后实测发电机灭磁时的转子过电压 要求考虑大滑差及非全相运行,而国内每年都有一 大修后应该在启动发电机时进行空载或短路试 些机组由于这方面的原因而受到不同程度的损坏, 验条件下的发电机灭磁时的转子过电压实测,以检 水轮发电机容易受到损坏。因此,建议对该机组的 验总体效果。 转子过电压保护进行改造,使其能够承受一定时间 参考文献: 的大滑差及非全相运行(20 S以上即可)。这方面国 内已经有了一定的经验,其投资相对于发电机的损 [1]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京:中国电 力}十{版社.1996 坏是微不足道的。方案一,将RV2换成专用的大 滑差及非全相运行转子过电压保护,跨接器的动作 作者简介:陈旺(1973一),男,广东兴宁人,电气工程师,工学 值应该设计得比RV3还要高一些;方案二,采用 学士,主要从事水力发电厂生产管理工作,(电话)0762.6898899 灭磁用氧化锌电阻器和转子过电压保护用氧化锌电 (电子信箱)chenwang@gdyd corn。 ・-’Ptli in.*ill¨¨} 。“I I-.1¨…。¨¨ 。。I Ill… q I -“ ・“III ’II I。ll¨ ’。I 。I I…。¨¨ ‘。ll¨ t l0…。IIh ‘。II]I |lh…._¨…・。II] I‘。ll¨ III… ‘III l II 10¨。 ¨ I III III II h in,,nilI I(上接第53页) 参考文献: 能可靠的交流调速方式,它以优异的性能、明显的 节能效果、显著的经济效益迅猛地发展着,成为工 [1]王f_祥,王小曼.通用变频器选型、应用与维护EM3.北京: 人民邮电出版社,2()05 业驱动的中坚力量。目前变频器虽然在技术和价格 [2]姚锡禄变频器控制技术与应用EM].福州:福建科学技术出 上还存在一定难题,但是随着电力电子技术和变频 版社,2005. 调速技术的不断发展,变频技术及变频装置都会有 E33希思科特M J变压器交用技术大全EM3.王晓莺,译.北京: 很大的发展,交流变频调速技术在发电厂的应用也 机械工业出版社,2004. 将更为广泛,这一技术的推广应用将为火力发电厂 在节能降耗、提高经济效益、提高上网电价的竞争 作者简介:冯征超(1970一),男,山东邹平人,助理工程师,主 力方面发挥巨大的作用。 要从事发电运行电气管理工作。
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