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，國家啟動了“十一五”國家十大重點節(jié)能工程，電動機系統(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)，本著對社會負責(zé)的態(tài)度，積極響應(yīng)國家節(jié)約減排的號召，進一步挖掘節(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1250kW電機高壓電動機加裝高壓變頻器改造。

　　#5爐2臺引風(fēng)機1250kW電機在工頻" title="工頻">工頻狀態(tài)下為保證其滿足最大運行工況的需要，電機容量均按最大需求選取交流電動機，風(fēng)機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)機組滿負荷運行時，吸風(fēng)機入口擋板開度約46%，能量損失大，風(fēng)機效率低，振動大。同時由于電機電氣控制采用星/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)致電動機發(fā)熱，增加了電機維修成本，縮短電機的使用壽命。

　　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)機電機進行變頻控制，實現(xiàn)風(fēng)量的變負荷調(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，維護量減小，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟性，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" title="引風(fēng)機">引風(fēng)機為例，現(xiàn)場運行參數(shù)如下：

5#爐引風(fēng)機根據(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)社會公開招標方式產(chǎn)生。經(jīng)招標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單位。

二．工程內(nèi)容

　　#5爐甲、乙引風(fēng)機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?，F(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；高壓電源還可經(jīng)旁路刀閘QS3直接起動電動機。進出線刀閘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之間通過機械閉鎖，防止誤操作。電機及用戶側(cè)高壓斷路器QF保留用戶原有設(shè)備。

DCS方案描述

　　風(fēng)機電機進行變頻改造后，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節(jié)都進行了詳細反復(fù)綜合考慮，最終得出詳細的控制邏輯。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)熱器件進行溫度監(jiān)測；另外加裝緊急停機按鈕，并確保緊急停機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

　　A、 在運行時需要正常停機時，DCS給變頻器發(fā)出“停機”信號；

　　B、 變頻器接收到“遠方停止”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)機高壓開關(guān)”信號后，斷6kV高壓開關(guān)；

3）變頻緊急停機說明

　　變頻器控制柜設(shè)置“緊急停機”按鈕，可就地緊急分斷高壓開關(guān)。并向DCS提供緊急停機信號；

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

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)機電機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)機變頻器投運后節(jié)能效果明顯，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。節(jié)能情況如下：

改造前引風(fēng)機運行工況

高壓變頻改造后引風(fēng)機運行工況

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，額定負荷運行時間約4422小時，低負荷運行時間約：3615小時

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

A、以08年運行8037小時，額定負荷運行時間約4422小時，低負荷運行時間約：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，額定負荷運行時間約2604小時，低負荷運行時間約：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年平均額定負荷運行時間平均3406小時,低負荷平均運行時間為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標煤

b、節(jié)約1千克標準煤=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，額定負荷運行時間平均3406小時,低負荷平均運行時間為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。電機長期運行在37Hz以下，最大電流不超過40A，使電機運行電壓（約4500V）遠小于工頻運行電壓（6000V），電流遠小于工頻運行電流，大大減小電機絕緣的老化，延長電機壽命。由于轉(zhuǎn)速大大降低，電機軸承和風(fēng)機軸承磨損大大降低，風(fēng)葉的磨損大大降低，減小風(fēng)機和電機維護成本。風(fēng)門開度為100%，風(fēng)門前后壓差為0，風(fēng)門的維護工作降為0。風(fēng)量風(fēng)壓的調(diào)節(jié)更為平穩(wěn)，減小負荷波動，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)。