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高压变频器在循环流化床锅炉(CFB)风机的应用 |
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作者： |
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摘 要：本文主要介绍北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT系列高压变频器在循环流化床锅炉风机上的应用，应用于梅州宝丽华集团荷树园发电厂，主要涉及改造的风机有：引风机、一次风机、二次风机、硫化风机等。通过现场的实际应用，采用变频调速技术来控制风机系统的风量和风压，不仅可以起到节约能源的作用，还可以提高其控制精度和缩短响应时间，从而使风机系统运行更加合理可靠。
关键词：高压变频器、循环流化床锅炉、引风机、一、二次风机、流化风机。
一、 企业概况：
广东宝丽华电力有限公司（以下简称公司），是广东宝丽华新能源股份有限公司（深圳证券交易所上市公司，证券简称：宝新能源，证券代码：000690）全资子公司，下设梅县荷树园电厂。
根据宝新能源核心主业新能源电力"1221"（即一个核心：新能源电力；两大业务板块：洁净煤燃烧技术发电和可再生能源发电；两大能源基地：梅县荷树园电厂资源综合利用洁净煤燃烧技术发电基地和陆丰甲湖湾清洁能源基地；形成1000万千瓦装机规模）发展计划，公司梅县荷树园电厂是宝新能源两大能源基地之一的资源综合利用洁净煤燃烧技术发电基地，规划总装机规模147万千瓦。其中，2003年开始建设的梅县荷树园电厂一期工程资源综合利用技术改造项目2×135MW煤矸石劣质煤发电机组（以下简称一期工程）是当时广东省第一家采用先进循环流化床洁净煤燃烧技术综合利用煤矸石劣质煤发电、单机容量最大的资源综合利用项目，2005年5月、9月一期工程投入运营，创造了业内建设最快、效益最佳、环境最好的奇迹。梅县荷树园电厂二期工程2×300MW资源综合利用循环流化床发电机组，采用国内首台具有自主知识产权的国产300MW等级的循环流化床锅炉，同时也是世界上单机容量最大的第一台投产运行的单炉膛300MW等级的循环流化床锅炉，已于2008年6月、8月投产。梅县荷树园电厂三期工程2×300MW资源综合利用循环流化床发电机组，已于2010年1月获得国家发改委批准，现正在做前期工作，计划2010年12月开工，2012年6月投产发电。
为综合循环利用资源，公司梅县荷树园电厂以综合利用煤矸石发电为主，以灰渣回收再利用开发新型建筑材料为辅，配套建设的新型综合利用环保建材厂第一条隧道窑生产线已建成投产，全部生产线达产后可年产3.6亿块灰渣砖，初步形成了煤矸石-发电-灰渣砖（水泥填充材料）的循环经济产业链条，实现了经济效益、社会效益和生态效益的有机结合。
梅县荷树园电厂的建设，是宝新能源实施差异化竞争策略、进行错位发展、打造中国上市公司中新能源电力龙头的重要清洁能源基地，对梅州推动绿色崛起、实现科学发展，对建设资源节约型、环境友好型社会起到了积极地促进作用。
二、关于循环流化床锅炉（CFB）的介绍
锅炉的燃烧方式的三种形式：层燃（火床燃烧）、室燃（悬浮燃烧）、沸腾燃烧（介于前两者之间）。循环流化床属于沸腾燃烧方式，即所谓的半悬浮燃烧方式，适用于燃烧颗粒状固体燃料。
在循环流化床锅炉中，存有大量床料，首次启动时人为添加床料，在锅炉运行时床料主要由煤中的灰、未反应的石灰石、石灰石脱硫反应产物等构成。床料在从布风板下送入的一次风的作用下处于流化状态，煤粒、床料及石灰石被烟气夹带在炉膛内向上运动，在炉膛的不同高度部分大颗粒将沿着炉膛边壁下落，形成物料的内循环；较小固体颗粒被烟气夹带进入分离器，进行分离，绝大多数颗粒被分离下来，一部分通过回料阀直接返回炉膛，另一部分通过外置式换热器后返回炉膛，形成物料的外循环；飞灰随烟气进入尾部烟道。通过炉膛的内循环和炉外的外循环，从而实现燃料不断的往复循环燃烧。
2.1循环流化床锅炉技术的优缺点：
优点：燃料适性好、燃烧效率高、气体污染物排放低、负荷调节范围大、飞灰和炉渣可综合利用等；循环流化床技术是目前最成熟，并已经商业化运行的洁净煤燃烧技术，在燃用劣质燃料和污染控制方面得到广泛的商业应用。
缺点：由于流化床独有的布风板装置和飞灰再循环燃烧系统，使送风系统的风压一般运行在10KPA以上。由于风压的增大，使得锅炉受热面、耐火防磨内衬材料、风帽等系统的磨损度比一般的高，冷渣器的落渣堵塞，燃煤粒径过大，灰渣含碳量高、蒸汽温度难以保证，由于风压的增大，也使得循环流化床锅炉风机电耗大，烟风道阻力高缺点。一般循环流化床锅炉用电比率比煤粉炉至少高4%－5%以上。
循环流化床锅炉的风烟系统：
循环流化床锅炉示意图如图所示。
循环流化床锅炉示意图
循环流化床锅炉通过一次风机（有的锅炉一、二次风机共用，称为送风机或者鼓风机），将先经过空气预热器加热过的热空气，送入炉膛，主要是流化炉内物料，同时提供炉膛下部密相区燃料燃烧所需要的氧气。对于容量较大的流化床锅炉，还专门设计有多台流化风机，起到流化炉内物料的作用。同时，通过二次风机，提供补炉内燃料燃烧所需要的氧气并加强物料的掺混，还对整炉内温度场合的分布。炉膛里燃烧后的烟气，通过循环灰分离器，飞灰回送装置等，将燃烧未完充分的烟气循环燃烧，废气最后经过除尘器，通过引风机排入大气中。
2.2循环流化床风机系统控制难点：
由于循环流化床锅独特的燃烧特性，使得其对风量和风压的控制的要求更高：
A、通过一次风压与风量的保证物料在炉膛内的正常流化，并要使风量与燃料量相匹配，以保证燃烧的经济性；
B、必须使引风量与送风量相匹配以维持炉膛压力在正常范围内（一般为较小负压），以保证锅炉的安全性。为了保证物料的流化，循环以化床锅炉所配置的一次风机的风压都较高。
循环流化床锅炉的燃烧要求以上各风机的风量需要随时调整，以保证锅炉正常高效燃烧。但对于传统设计上的风机，一般均采用入口导流器（即挡板或者风门）的开度调节风压与风量。由于一般设计的风量、风压均按需求比额定工况留有较大裕量，因此一般风机选型和电动机的选型偏大，运行中又由于负荷的变化可能经常需要调节，实际风门开度在30%~90%之间调整，且风门调节的风量线性度不好，在进行风门开度调节时经常出现风量变化异常情况，调节的响应速度也跟不上，加大了调节的难度。再者通过风门调节风量，使得风机经常工作的低效区，浪费大量能源。
三、循环流化床风机系统的变频改造
对于大容量的循环流化床锅炉，采用的是双风机系统，其可靠性要求与普通煤粉锅炉相同，当一台风机（变频器）故障时，不至于引起锅炉灭火，只是会引起比较大的扰动，并会甩掉一部分负荷。为将扰动降到最小，所以对于大容量的循环流化床风机的一、二次风机、引风机的变频改造采用了“一拖一”自动旁路控制系统，而对于两用一备用流化风机，考虑到经济性，则采用“一拖一”手动旁路的控制系统，以下本文简单介绍HARVEST系列的变频器及两种控制系统在循环流化床风机上的应用。
3.1HARVEST系列高压变频器的介绍：
HARVEST系列高压变频器典型结构
北京利德华福电气技术有限公司的HARVEST系列为单元串联多电平高压变频器，采用多个独立的低压功率单元串联来实现高压输出，主要包括移相变压器与功率单元两大部分。并辅以其他控制系统，如主控箱、PLC等，让变频器的运行状态能够实时记录，并有完整的保护功能
A、移相变压器，主要功能为将输入电压降为700V左右的电压，供给功率模块，并通过多重化设计，使得变压器二次侧各绕组的谐波电流相互抵消，基本上消除了变频器对电网的谐波污染。
B、功率单元是整台变频器实现变压变频输出的基本单元，每个功率单元都相当于一台交－直－交电压型单相输出的底压变频器，输出等幅的PWM波形，但每个功率单元相互间有确定的相位偏移，串联叠加以后，在变频器输出侧得到的是正弦阶梯状PWM波。
C、变频器的控制采用DCS远程控制，通过一路4-20MA模拟量，直接控制变频器的输出转速，以达到控制风机风压、风量的目的。在DCS侧，通过自动控制程序，根据负荷、炉膛压力等数据进行自动调节控制。
D、变频器控制电源采用两路交流220V电源，两路电源互为备用，在其中一路电源失电之后可以进行无扰切换，并将报警信号送至DCS，方便检修人员的故障排除。
E、变频器冷却采用空水冷方式冷却加空调辅助冷却，变频器散热的热风，通过水冷器进行热交换，又回到室内继续循环，采用空水冷方式冷却，变频器室实际与外界没有空气交换，对变频器室的环境起好很好的改善效果，同时，在后期维护上，空水冷相对于其他散热方式，如空调循环，维护量都相对应少很多。在变频室内还安装有空调，在空水冷设备正常投入使用的情况下，空调只做为备用。
3.2“一拖一”手动旁路变频改造介绍，主要应用负载为流化风机：
如图所示，“一拖一”手动旁路变频器一次回路由三个手动刀闸构成，变频器输入刀闸QS1，变频器输出刀闸QS2，工频旁路刀闸QS3。并且三个刀闸之间有完整的互锁功能：变频器输出刀闸QS2与工频旁路刀闸QS3之前的机械互锁，其中一个合闸之后，另一个不能合闸，主要是防止两个刀闸同时合闸时，变频器的反送电，导致变频器功率单元的损坏。
循环流化床锅炉的流化风机一般是三到五台，主要看炉膛及风烟管道的结构及配套风机功率大小，宝丽华电厂流化风机为三台，正常运行情况下为两用一备，其中备用流化风机变频器处于热备用状态，即变频器的输入刀闸QS1与输出刀闸QS2为合闸状态，且高压开关QF在合闸状态，变频器处于高压带电待机状态，在其他两台风机或者变频器如果出现故障时，可以随时启动备用风机，立即投入使用，再将故障风机退出运行检修，检修完毕后再投入备用。
由于流化风机是两用一备，在其出现故障之后可以立即开启备用风机，留有充裕的检修时间，所以考虑到经济状态，采用“一拖一”手动旁路系统即可满足连续生产的要求。
3.3“一拖一”自动旁路变频改造介绍，主要应用负载为引风机，一、二次风机：
如图所示，“一拖一”自动旁路变频器一次回路由两个手动刀闸及三个真空接触器构成，变频器输入刀闸QS1，输入接触器KM1，变频器输出刀闸QS2，输出接触器KM2，工频旁路接触器KM3。要检修变频器时，可以将手动刀闸QS41与QS42断开，形成明显的断点，以确保安全。变频运行时，合上KM41与KM42，当变频器出现故障时，系统会自动分断KM41与KM42，并延时合上KM43，电机以工频状态运行。
虽然对于双风机循环流化床锅炉系统，其中一台风机有故障时，锅炉并不会熄火，只需要降负荷运行。为保证系统的连续运行，引风机，一、二次风机采用“一拖一”自动旁路系统，在变频器发生故障时，变频器将自动将KM41与KM42分闸，并发“重故障”状态信号至DCS，DCS接到变频器“重故障”状态信号之后，开始发出关风门指令，当风门关到一定开度时，变频器自动合上KM43，此时风机以工频状态运行。
现场图
在经过现场多次的试验后，当变频器出现故障时，此时风门开度最好关到30%左右为最佳值，此时再将风机以工频状态运行起来，对整个锅炉系统的影响最小。在多次试验风门开关速度以后，确定了变频器故障切换工频的时间，即当变频器出现故障之后立刻开始计时，并分闸KM41与KM42，同时发“重故障”信号至DCS，DCS开始执行关风门逻辑，在经过29秒之后，风门大概关至30%开度，此时变频器自动将KM43合闸，风机恢复工频运行。
所以，对于引风机、一、二次风机系统来说，当变频器有故障时，只有大概30秒左右的负荷压力波动时间，即可以恢复到双风机运行状态。这样可以保证系统的连续运行。
可能对于不同现场来说有不一样的运行工况，可能风门的机械动作时间也不尽相同，HARSVERT系列变频器可以从界面上面自由设定切换工频的时间，以满足不同现场的工况的要求。
四、结束语：
对于宝丽华集团荷树园电厂变频器的改造情况来看，循环流化床锅炉风机系统的变频改造取得了很好的效果，方便了运行人员的调节，整个锅炉运行工况相对于工频状态下稳定得多，再者，通过变频改造，也降低了厂用电比率，起到很好的节能效果。
参考文献资料：
1、 倚鹏 主编，高压大功率变频器技术原理及应用，人民邮电出版社，2008.2第一版
2、 中国动力工程学会编，火力发电设备技术手册，北京：机械工业出版社，1999
3、 广东宝丽华电力有限公司介绍(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(7/24/2013) |
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