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案例頻道 【摘 要】：本文主要介紹北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT系列高壓變頻器在循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用，應(yīng)用于梅州寶麗華集團(tuán)荷樹園發(fā)電廠，主要涉及改造的風(fēng)機(jī)有：引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、硫化風(fēng)機(jī)等。通過現(xiàn)場的實際應(yīng)用，采用變頻調(diào)速技術(shù)來控制風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)量和風(fēng)壓，不僅可以起到節(jié)約能源的作用，還可以提高其控制精度和縮短響應(yīng)時間，從而使風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行更加合理可靠。
【關(guān)鍵詞】：高壓變頻器、循環(huán)流化床鍋爐、引風(fēng)機(jī)、一、二次風(fēng)機(jī)、流化風(fēng)機(jī)。
一、 企業(yè)概況：
廣東寶麗華電力有限公司（以下簡稱公司），是廣東寶麗華新能源股份有限公司（深圳證券交易所上市公司，證券簡稱：寶新能源，證券代碼：000690）全資子公司，下設(shè)梅縣荷樹園電廠。
根據(jù)寶新能源核心主業(yè)新能源電力"1221"（即一個核心：新能源電力；兩大業(yè)務(wù)板塊：潔凈煤燃燒技術(shù)發(fā)電和可再生能源發(fā)電；兩大能源基地：梅縣荷樹園電廠資源綜合利用潔凈煤燃燒技術(shù)發(fā)電基地和陸豐甲湖灣清潔能源基地；形成1000萬千瓦裝機(jī)規(guī)模）發(fā)展計劃，公司梅縣荷樹園電廠是寶新能源兩大能源基地之一的資源綜合利用潔凈煤燃燒技術(shù)發(fā)電基地，規(guī)劃總裝機(jī)規(guī)模147萬千瓦。其中，2003年開始建設(shè)的梅縣荷樹園電廠一期工程資源綜合利用技術(shù)改造項目2×135MW煤矸石劣質(zhì)煤發(fā)電機(jī)組（以下簡稱一期工程）是當(dāng)時廣東省第一家采用先進(jìn)循環(huán)流化床潔凈煤燃燒技術(shù)綜合利用煤矸石劣質(zhì)煤發(fā)電、單機(jī)容量最大的資源綜合利用項目，2005年5月、9月一期工程投入運(yùn)營，創(chuàng)造了業(yè)內(nèi)建設(shè)最快、效益最佳、環(huán)境最好的奇跡。梅縣荷樹園電廠二期工程2×300MW資源綜合利用循環(huán)流化床發(fā)電機(jī)組，采用國內(nèi)首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)300MW等級的循環(huán)流化床鍋爐，同時也是世界上單機(jī)容量最大的第一臺投產(chǎn)運(yùn)行的單爐膛300MW等級的循環(huán)流化床鍋爐，已于2008年6月、8月投產(chǎn)。梅縣荷樹園電廠三期工程2×300MW資源綜合利用循環(huán)流化床發(fā)電機(jī)組，已于2010年1月獲得國家發(fā)改委批準(zhǔn)，現(xiàn)正在做前期工作，計劃2010年12月開工，2012年6月投產(chǎn)發(fā)電。
為綜合循環(huán)利用資源，公司梅縣荷樹園電廠以綜合利用煤矸石發(fā)電為主，以灰渣回收再利用開發(fā)新型建筑材料為輔，配套建設(shè)的新型綜合利用環(huán)保建材廠第一條隧道窯生產(chǎn)線已建成投產(chǎn)，全部生產(chǎn)線達(dá)產(chǎn)后可年產(chǎn)3.6億塊灰渣磚，初步形成了煤矸石-發(fā)電-灰渣磚（水泥填充材料）的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈條，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益的有機(jī)結(jié)合。
梅縣荷樹園電廠的建設(shè)，是寶新能源實施差異化競爭策略、進(jìn)行錯位發(fā)展、打造中國上市公司中新能源電力龍頭的重要清潔能源基地，對梅州推動綠色崛起、實現(xiàn)科學(xué)發(fā)展，對建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會起到了積極地促進(jìn)作用。
二、關(guān)于循環(huán)流化床鍋爐（CFB）的介紹
鍋爐的燃燒方式的三種形式：層燃（火床燃燒）、室燃（懸浮燃燒）、沸騰燃燒（介于前兩者之間）。循環(huán)流化床屬于沸騰燃燒方式，即所謂的半懸浮燃燒方式，適用于燃燒顆粒狀固體燃料。
在循環(huán)流化床鍋爐中，存有大量床料，首次啟動時人為添加床料，在鍋爐運(yùn)行時床料主要由煤中的灰、未反應(yīng)的石灰石、石灰石脫硫反應(yīng)產(chǎn)物等構(gòu)成。床料在從布風(fēng)板下送入的一次風(fēng)的作用下處于流化狀態(tài)，煤粒、床料及石灰石被煙氣夾帶在爐膛內(nèi)向上運(yùn)動，在爐膛的不同高度部分大顆粒將沿著爐膛邊壁下落，形成物料的內(nèi)循環(huán)；較小固體顆粒被煙氣夾帶進(jìn)入分離器，進(jìn)行分離，絕大多數(shù)顆粒被分離下來，一部分通過回料閥直接返回爐膛，另一部分通過外置式換熱器后返回爐膛，形成物料的外循環(huán)；飛灰隨煙氣進(jìn)入尾部煙道。通過爐膛的內(nèi)循環(huán)和爐外的外循環(huán)，從而實現(xiàn)燃料不斷的往復(fù)循環(huán)燃燒。
2.1循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的優(yōu)缺點：
優(yōu)點：燃料適性好、燃燒效率高、氣體污染物排放低、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、飛灰和爐渣可綜合利用等；循環(huán)流化床技術(shù)是目前最成熟，并已經(jīng)商業(yè)化運(yùn)行的潔凈煤燃燒技術(shù)，在燃用劣質(zhì)燃料和污染控制方面得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用。
缺點：由于流化床獨(dú)有的布風(fēng)板裝置和飛灰再循環(huán)燃燒系統(tǒng)，使送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)壓一般運(yùn)行在10KPA以上。由于風(fēng)壓的增大，使得鍋爐受熱面、耐火防磨內(nèi)襯材料、風(fēng)帽等系統(tǒng)的磨損度比一般的高，冷渣器的落渣堵塞，燃煤粒徑過大，灰渣含碳量高、蒸汽溫度難以保證，由于風(fēng)壓的增大，也使得循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)機(jī)電耗大，煙風(fēng)道阻力高缺點。一般循環(huán)流化床鍋爐用電比率比煤粉爐至少高4%－5%以上。
循環(huán)流化床鍋爐的風(fēng)煙系統(tǒng)：
循環(huán)流化床鍋爐示意圖如圖所示。
循環(huán)流化床鍋爐示意圖
循環(huán)流化床鍋爐通過一次風(fēng)機(jī)（有的鍋爐一、二次風(fēng)機(jī)共用，稱為送風(fēng)機(jī)或者鼓風(fēng)機(jī)），將先經(jīng)過空氣預(yù)熱器加熱過的熱空氣，送入爐膛，主要是流化爐內(nèi)物料，同時提供爐膛下部密相區(qū)燃料燃燒所需要的氧氣。對于容量較大的流化床鍋爐，還專門設(shè)計有多臺流化風(fēng)機(jī)，起到流化爐內(nèi)物料的作用。同時，通過二次風(fēng)機(jī)，提供補(bǔ)爐內(nèi)燃料燃燒所需要的氧氣并加強(qiáng)物料的摻混，還對整爐內(nèi)溫度場合的分布。爐膛里燃燒后的煙氣，通過循環(huán)灰分離器，飛灰回送裝置等，將燃燒未完充分的煙氣循環(huán)燃燒，廢氣最后經(jīng)過除塵器，通過引風(fēng)機(jī)排入大氣中。
2.2循環(huán)流化床風(fēng)機(jī)系統(tǒng)控制難點：
由于循環(huán)流化床鍋獨(dú)特的燃燒特性，使得其對風(fēng)量和風(fēng)壓的控制的要求更高：
A、通過一次風(fēng)壓與風(fēng)量的保證物料在爐膛內(nèi)的正常流化，并要使風(fēng)量與燃料量相匹配，以保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性；
B、必須使引風(fēng)量與送風(fēng)量相匹配以維持爐膛壓力在正常范圍內(nèi)（一般為較小負(fù)壓），以保證鍋爐的安全性。為了保證物料的流化，循環(huán)以化床鍋爐所配置的一次風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓都較高。
循環(huán)流化床鍋爐的燃燒要求以上各風(fēng)機(jī)的風(fēng)量需要隨時調(diào)整，以保證鍋爐正常高效燃燒。但對于傳統(tǒng)設(shè)計上的風(fēng)機(jī)，一般均采用入口導(dǎo)流器（即擋板或者風(fēng)門）的開度調(diào)節(jié)風(fēng)壓與風(fēng)量。由于一般設(shè)計的風(fēng)量、風(fēng)壓均按需求比額定工況留有較大裕量，因此一般風(fēng)機(jī)選型和電動機(jī)的選型偏大，運(yùn)行中又由于負(fù)荷的變化可能經(jīng)常需要調(diào)節(jié)，實際風(fēng)門開度在30%~90%之間調(diào)整，且風(fēng)門調(diào)節(jié)的風(fēng)量線性度不好，在進(jìn)行風(fēng)門開度調(diào)節(jié)時經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)量變化異常情況，調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度也跟不上，加大了調(diào)節(jié)的難度。再者通過風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量，使得風(fēng)機(jī)經(jīng)常工作的低效區(qū)，浪費(fèi)大量能源。
三、循環(huán)流化床風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的變頻改造
對于大容量的循環(huán)流化床鍋爐，采用的是雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，其可靠性要求與普通煤粉鍋爐相同，當(dāng)一臺風(fēng)機(jī)（變頻器）故障時，不至于引起鍋爐滅火，只是會引起比較大的擾動，并會甩掉一部分負(fù)荷。為將擾動降到最小，所以對于大容量的循環(huán)流化床風(fēng)機(jī)的一、二次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的變頻改造采用了“一拖一”自動旁路控制系統(tǒng)，而對于兩用一備用流化風(fēng)機(jī)，考慮到經(jīng)濟(jì)性，則采用“一拖一”手動旁路的控制系統(tǒng)，以下本文簡單介紹HARVEST系列的變頻器及兩種控制系統(tǒng)在循環(huán)流化床風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用。
3.1HARVEST系列高壓變頻器的介紹：
HARVEST系列高壓變頻器典型結(jié)構(gòu)
北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的HARVEST系列為單元串聯(lián)多電平高壓變頻器，采用多個獨(dú)立的低壓功率單元串聯(lián)來實現(xiàn)高壓輸出，主要包括移相變壓器與功率單元兩大部分。并輔以其他控制系統(tǒng)，如主控箱、PLC等，讓變頻器的運(yùn)行狀態(tài)能夠?qū)崟r記錄，并有完整的保護(hù)功能。
A、移相變壓器，主要功能為將輸入電壓降為700V左右的電壓，供給功率模塊，并通過多重化設(shè)計，使得變壓器二次側(cè)各繞組的諧波電流相互抵消，基本上消除了變頻器對電網(wǎng)的諧波污染。
B、功率單元是整臺變頻器實現(xiàn)變壓變頻輸出的基本單元，每個功率單元都相當(dāng)于一臺交－直－交電壓型單相輸出的底壓變頻器，輸出等幅的PWM波形，但每個功率單元相互間有確定的相位偏移，串聯(lián)疊加以后，在變頻器輸出側(cè)得到的是正弦階梯狀PWM波。
C、變頻器的控制采用DCS遠(yuǎn)程控制，通過一路4-20MA模擬量，直接控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、風(fēng)量的目的。在DCS側(cè)，通過自動控制程序，根據(jù)負(fù)荷、爐膛壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)控制。
D、變頻器控制電源采用兩路交流220V電源，兩路電源互為備用，在其中一路電源失電之后可以進(jìn)行無擾切換，并將報警信號送至DCS，方便檢修人員的故障排除。
E、變頻器冷卻采用空水冷方式冷卻加空調(diào)輔助冷卻，變頻器散熱的熱風(fēng)，通過水冷器進(jìn)行熱交換，又回到室內(nèi)繼續(xù)循環(huán)，采用空水冷方式冷卻，變頻器室實際與外界沒有空氣交換，對變頻器室的環(huán)境起好很好的改善效果，同時，在后期維護(hù)上，空水冷相對于其他散熱方式，如空調(diào)循環(huán)，維護(hù)量都相對應(yīng)少很多。在變頻室內(nèi)還安裝有空調(diào)，在空水冷設(shè)備正常投入使用的情況下，空調(diào)只做為備用。
3.2“一拖一”手動旁路變頻改造介紹，主要應(yīng)用負(fù)載為流化風(fēng)機(jī)：
如圖所示，“一拖一”手動旁路變頻器一次回路由三個手動刀閘構(gòu)成，變頻器輸入刀閘QS1，變頻器輸出刀閘QS2，工頻旁路刀閘QS3。并且三個刀閘之間有完整的互鎖功能：變頻器輸出刀閘QS2與工頻旁路刀閘QS3之前的機(jī)械互鎖，其中一個合閘之后，另一個不能合閘，主要是防止兩個刀閘同時合閘時，變頻器的反送電，導(dǎo)致變頻器功率單元的損壞。
循環(huán)流化床鍋爐的流化風(fēng)機(jī)一般是三到五臺，主要看爐膛及風(fēng)煙管道的結(jié)構(gòu)及配套風(fēng)機(jī)功率大小，寶麗華電廠流化風(fēng)機(jī)為三臺，正常運(yùn)行情況下為兩用一備，其中備用流化風(fēng)機(jī)變頻器處于熱備用狀態(tài)，即變頻器的輸入刀閘QS1與輸出刀閘QS2為合閘狀態(tài)，且高壓開關(guān)QF在合閘狀態(tài)，變頻器處于高壓帶電待機(jī)狀態(tài)，在其他兩臺風(fēng)機(jī)或者變頻器如果出現(xiàn)故障時，可以隨時啟動備用風(fēng)機(jī)，立即投入使用，再將故障風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行檢修，檢修完畢后再投入備用。
由于流化風(fēng)機(jī)是兩用一備，在其出現(xiàn)故障之后可以立即開啟備用風(fēng)機(jī)，留有充裕的檢修時間，所以考慮到經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，采用“一拖一”手動旁路系統(tǒng)即可滿足連續(xù)生產(chǎn)的要求。
3.3“一拖一”自動旁路變頻改造介紹，主要應(yīng)用負(fù)載為引風(fēng)機(jī)，一、二次風(fēng)機(jī)：
如圖所示，“一拖一”自動旁路變頻器一次回路由兩個手動刀閘及三個真空接觸器構(gòu)成，變頻器輸入刀閘QS1，輸入接觸器KM1，變頻器輸出刀閘QS2，輸出接觸器KM2，工頻旁路接觸器KM3。要檢修變頻器時，可以將手動刀閘QS41與QS42斷開，形成明顯的斷點，以確保安全。變頻運(yùn)行時，合上KM41與KM42，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動分?jǐn)郖M41與KM42，并延時合上KM43，電機(jī)以工頻狀態(tài)運(yùn)行。
雖然對于雙風(fēng)機(jī)循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)，其中一臺風(fēng)機(jī)有故障時，鍋爐并不會熄火，只需要降負(fù)荷運(yùn)行。為保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，引風(fēng)機(jī)，一、二次風(fēng)機(jī)采用“一拖一”自動旁路系統(tǒng)，在變頻器發(fā)生故障時，變頻器將自動將KM41與KM42分閘，并發(fā)“重故障”狀態(tài)信號至DCS，DCS接到變頻器“重故障”狀態(tài)信號之后，開始發(fā)出關(guān)風(fēng)門指令，當(dāng)風(fēng)門關(guān)到一定開度時，變頻器自動合上KM43，此時風(fēng)機(jī)以工頻狀態(tài)運(yùn)行。
在經(jīng)過現(xiàn)場多次的試驗后，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，此時風(fēng)門開度最好關(guān)到30%左右為最佳值，此時再將風(fēng)機(jī)以工頻狀態(tài)運(yùn)行起來，對整個鍋爐系統(tǒng)的影響最小。在多次試驗風(fēng)門開關(guān)速度以后，確定了變頻器故障切換工頻的時間，即當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障之后立刻開始計時，并分閘KM41與KM42，同時發(fā)“重故障”信號至DCS，DCS開始執(zhí)行關(guān)風(fēng)門邏輯，在經(jīng)過29秒之后，風(fēng)門大概關(guān)至30%開度，此時變頻器自動將KM43合閘，風(fēng)機(jī)恢復(fù)工頻運(yùn)行。
所以，對于引風(fēng)機(jī)、一、二次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)來說，當(dāng)變頻器有故障時，只有大概30秒左右的負(fù)荷壓力波動時間，即可以恢復(fù)到雙風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。這樣可以保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。
可能對于不同現(xiàn)場來說有不一樣的運(yùn)行工況，可能風(fēng)門的機(jī)械動作時間也不盡相同，HARSVERT系列變頻器可以從界面上面自由設(shè)定切換工頻的時間，以滿足不同現(xiàn)場的工況的要求。
四、結(jié)束語：
對于寶麗華集團(tuán)荷樹園電廠變頻器的改造情況來看，循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的變頻改造取得了很好的效果，方便了運(yùn)行人員的調(diào)節(jié)，整個鍋爐運(yùn)行工況相對于工頻狀態(tài)下穩(wěn)定得多，再者，通過變頻改造，也降低了廠用電比率，起到很好的節(jié)能效果。
參考文獻(xiàn)資料：
1、 倚鵬 主編，高壓大功率變頻器技術(shù)原理及應(yīng)用，人民郵電出版社，2008.2第一版
2、 中國動力工程學(xué)會編，火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999
3、 廣東寶麗華電力有限公司介紹
現(xiàn)場圖1
現(xiàn)場圖2
現(xiàn)場圖3
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號