【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)機上的應用，應用于梅州寶麗華集團荷樹(shù)園發(fā)電廠(chǎng)，主要涉及改造的風(fēng)機有：引風(fēng)機、一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、硫化風(fēng)機等。通過(guò)現場(chǎng)的實(shí)際應用，采用變頻調速技術(shù)來(lái)控制風(fēng)機系統的風(fēng)量和風(fēng)壓，不僅可以起到節約能源的作用，還可以提高其控制精度和縮短響應時(shí)間，從而使風(fēng)機系統運行更加合理可靠。

   【關(guān)鍵詞】：高壓變頻器、循環(huán)流化床鍋爐、引風(fēng)機、一、二次風(fēng)機、流化風(fēng)機。

   一、 企業(yè)概況：
  
      

  廣東寶麗華電力有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng)：寶新能源，證券代碼：000690）全資子公司，下設梅縣荷樹(shù)園電廠(chǎng)。

   根據寶新能源核心主業(yè)新能源電力"1221"（即一個(gè)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(shù)園電廠(chǎng)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(wàn)千瓦裝機規模）發(fā)展計劃，公司梅縣荷樹(shù)園電廠(chǎng)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，規劃總裝機規模147萬(wàn)千瓦。其中，2003年開(kāi)始建設的梅縣荷樹(shù)園電廠(chǎng)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)電機組（以下簡(jiǎn)稱(chēng)一期工程）是當時(shí)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月一期工程投入運營(yíng)，創(chuàng )造了業(yè)內建設最快、效益最佳、環(huán)境最好的奇跡。梅縣荷樹(shù)園電廠(chǎng)二期工程2×300MW資源綜合利用循環(huán)流化床發(fā)電機組，采用國內首臺具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)300MW等級的循環(huán)流化床鍋爐，同時(shí)也是世界上單機容量最大的第一臺投產(chǎn)運行的單爐膛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(shù)園電廠(chǎng)三期工程2×300MW資源綜合利用循環(huán)流化床發(fā)電機組，已于2010年1月獲得國家發(fā)改委批準，現正在做前期工作，計劃2010年12月開(kāi)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(shù)園電廠(chǎng)以綜合利用煤矸石發(fā)電為主，以灰渣回收再利用開(kāi)發(fā)新型建筑材料為輔，配套建設的新型綜合利用環(huán)保建材廠(chǎng)第一條隧道窯生產(chǎn)線(xiàn)已建成投產(chǎn)，全部生產(chǎn)線(xiàn)達產(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)濟產(chǎn)業(yè)鏈條，實(shí)現了經(jīng)濟效益、社會(huì )效益和生態(tài)效益的有機結合。

   梅縣荷樹(shù)園電廠(chǎng)的建設，是寶新能源實(shí)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(dòng)綠色崛起、實(shí)現科學(xué)發(fā)展，對建設資源節約型、環(huán)境友好型社會(huì )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(dòng)時(shí)人為添加床料，在鍋爐運行時(shí)床料主要由煤中的灰、未反應的石灰石、石灰石脫硫反應產(chǎn)物等構成。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向上運動(dòng)，在爐膛的不同高度部分大顆粒將沿著(zhù)爐膛邊壁下落，形成物料的內循環(huán)；較小固體顆粒被煙氣夾帶進(jìn)入分離器，進(jìn)行分離，絕大多數顆粒被分離下來(lái)，一部分通過(guò)回料閥直接返回爐膛，另一部分通過(guò)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(guò)爐膛的內循環(huán)和爐外的外循環(huán)，從而實(shí)現燃料不斷的往復循環(huán)燃燒。

   2.1循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)：

   優(yōu)點(diǎn)：燃料適性好、燃燒效率高、氣體污染物排放低、負荷調節范圍大、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)應用。

   缺點(diǎn)：由于流化床獨有的布風(fēng)板裝置和飛灰再循環(huán)燃燒系統，使送風(fēng)系統的風(fēng)壓一般運行在10KPA以上。由于風(fēng)壓的增大，使得鍋爐受熱面、耐火防磨內襯材料、風(fēng)帽等系統的磨損度比一般的高，冷渣器的落渣堵塞，燃煤粒徑過(guò)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)機電耗大，煙風(fēng)道阻力高缺點(diǎn)。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：

  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(guò)一次風(fēng)機（有的鍋爐一、二次風(fēng)機共用，稱(chēng)為送風(fēng)機或者鼓風(fēng)機），將先經(jīng)過(guò)空氣預熱器加熱過(guò)的熱空氣，送入爐膛，主要是流化爐內物料，同時(shí)提供爐膛下部密相區燃料燃燒所需要的氧氣。對于容量較大的流化床鍋爐，還專(zhuān)門(mén)設計有多臺流化風(fēng)機，起到流化爐內物料的作用。同時(shí)，通過(guò)二次風(fēng)機，提供補爐內燃料燃燒所需要的氧氣并加強物料的摻混，還對整爐內溫度場(chǎng)合的分布。爐膛里燃燒后的煙氣，通過(guò)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(guò)除塵器，通過(guò)引風(fēng)機排入大氣中。

  2.2循環(huán)流化床風(fēng)機系統控制難點(diǎn)：

   由于循環(huán)流化床鍋獨特的燃燒特性，使得其對風(fēng)量和風(fēng)壓的控制的要求更高：

   A、通過(guò)一次風(fēng)壓與風(fēng)量的保證物料在爐膛內的正常流化，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（一般為較小負壓），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)機的風(fēng)量需要隨時(shí)調整，以保證鍋爐正常高效燃燒。但對于傳統設計上的風(fēng)機，一般均采用入口導流器（即擋板或者風(fēng)門(mén)）的開(kāi)度調節風(fēng)壓與風(fēng)量。由于一般設計的風(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)機選型和電動(dòng)機的選型偏大，運行中又由于負荷的變化可能經(jīng)常需要調節，實(shí)際風(fēng)門(mén)開(kāi)度在30%~90%之間調整，且風(fēng)門(mén)調節的風(fēng)量線(xiàn)性度不好，在進(jìn)行風(fēng)門(mén)開(kāi)度調節時(shí)經(jīng)常出現風(fēng)量變化異常情況，調節的響應速度也跟不上，加大了調節的難度。再者通過(guò)風(fēng)門(mén)調節風(fēng)量，使得風(fēng)機經(jīng)常工作的低效區，浪費大量能源。

  三、循環(huán)流化床風(fēng)機系統的變頻改造

   對于大容量的循環(huán)流化床鍋爐，采用的是雙風(fēng)機系統，其可靠性要求與普通煤粉鍋爐相同，當一臺風(fēng)機（變頻器）故障時(shí)，不至于引起鍋爐滅火，只是會(huì )引起比較大的擾動(dòng)，并會(huì )甩掉一部分負荷。為將擾動(dòng)降到最小，所以對于大容量的循環(huán)流化床風(fēng)機的一、二次風(fēng)機、引風(fēng)機的變頻改造采用了“一拖一”自動(dòng)旁路控制系統，而對于兩用一備用流化風(fēng)機，考慮到經(jīng)濟性，則采用“一拖一”手動(dòng)旁路的控制系統，以下本文簡(jiǎn)單介紹HARVEST系列的變頻器及兩種控制系統在循環(huán)流化床風(fēng)機上的應用。

  3.1HARVEST系列高壓變頻器的介紹：
 
                 
                              HARVEST系列高壓變頻器典型結構

   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(gè)獨立的低壓功率單元串聯(lián)來(lái)實(shí)現高壓輸出，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，如主控箱、PLC等，讓變頻器的運行狀態(tài)能夠實(shí)時(shí)記錄，并有完整的保護功能。

  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(guò)多重化設計，使得變壓器二次側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(shí)現變壓變頻輸出的基本單元，每個(gè)功率單元都相當于一臺交－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(gè)功率單元相互間有確定的相位偏移，串聯(lián)疊加以后，在變頻器輸出側得到的是正弦階梯狀PWM波。

   C、變頻器的控制采用DCS遠程控制，通過(guò)一路4-20MA模擬量，直接控制變頻器的輸出轉速，以達到控制風(fēng)機風(fēng)壓、風(fēng)量的目的。在DCS側，通過(guò)自動(dòng)控制程序，根據負荷、爐膛壓力等數據進(jìn)行自動(dòng)調節控制。

   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(wú)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輔助冷卻，變頻器散熱的熱風(fēng)，通過(guò)水冷器進(jìn)行熱交換，又回到室內繼續循環(huán)，采用空水冷方式冷卻，變頻器室實(shí)際與外界沒(méi)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(shí)，在后期維護上，空水冷相對于其他散熱方式，如空調循環(huán)，維護量都相對應少很多。在變頻室內還安裝有空調，在空水冷設備正常投入使用的情況下，空調只做為備用。

   3.2“一拖一”手動(dòng)旁路變頻改造介紹，主要應用負載為流化風(fēng)機：

   如圖所示，“一拖一”手動(dòng)旁路變頻器一次回路由三個(gè)手動(dòng)刀閘構成，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(gè)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之前的機械互鎖，其中一個(gè)合閘之后，另一個(gè)不能合閘，主要是防止兩個(gè)刀閘同時(shí)合閘時(shí)，變頻器的反送電，導致變頻器功率單元的損壞。
 
                      

   循環(huán)流化床鍋爐的流化風(fēng)機一般是三到五臺，主要看爐膛及風(fēng)煙管道的結構及配套風(fēng)機功率大小，寶麗華電廠(chǎng)流化風(fēng)機為三臺，正常運行情況下為兩用一備，其中備用流化風(fēng)機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(kāi)關(guān)QF在合閘狀態(tài)，變頻器處于高壓帶電待機狀態(tài)，在其他兩臺風(fēng)機或者變頻器如果出現故障時(shí)，可以隨時(shí)啟動(dòng)備用風(fēng)機，立即投入使用，再將故障風(fēng)機退出運行檢修，檢修完畢后再投入備用。

  由于流化風(fēng)機是兩用一備，在其出現故障之后可以立即開(kāi)啟備用風(fēng)機，留有充裕的檢修時(shí)間，所以考慮到經(jīng)濟狀態(tài)，采用“一拖一”手動(dòng)旁路系統即可滿(mǎn)足連續生產(chǎn)的要求。

   3.3“一拖一”自動(dòng)旁路變頻改造介紹，主要應用負載為引風(fēng)機，一、二次風(fēng)機：

   如圖所示，“一拖一”自動(dòng)旁路變頻器一次回路由兩個(gè)手動(dòng)刀閘及三個(gè)真空接觸器構成，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(shí)，可以將手動(dòng)刀閘QS41與QS42斷開(kāi)，形成明顯的斷點(diǎn)，以確保安全。變頻運行時(shí)，合上KM41與KM42，當變頻器出現故障時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)分斷KM41與KM42，并延時(shí)合上KM43，電機以工頻狀態(tài)運行。
 
                        

   雖然對于雙風(fēng)機循環(huán)流化床鍋爐系統，其中一臺風(fēng)機有故障時(shí)，鍋爐并不會(huì )熄火，只需要降負荷運行。為保證系統的連續運行，引風(fēng)機，一、二次風(fēng)機采用“一拖一”自動(dòng)旁路系統，在變頻器發(fā)生故障時(shí)，變頻器將自動(dòng)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(kāi)始發(fā)出關(guān)風(fēng)門(mén)指令，當風(fēng)門(mén)關(guān)到一定開(kāi)度時(shí)，變頻器自動(dòng)合上KM43，此時(shí)風(fēng)機以工頻狀態(tài)運行。

   在經(jīng)過(guò)現場(chǎng)多次的試驗后，當變頻器出現故障時(shí)，此時(shí)風(fēng)門(mén)開(kāi)度最好關(guān)到30%左右為最佳值，此時(shí)再將風(fēng)機以工頻狀態(tài)運行起來(lái)，對整個(gè)鍋爐系統的影響最小。在多次試驗風(fēng)門(mén)開(kāi)關(guān)速度以后，確定了變頻器故障切換工頻的時(shí)間，即當變頻器出現故障之后立刻開(kāi)始計時(shí)，并分閘KM41與KM42，同時(shí)發(fā)“重故障”信號至DCS，DCS開(kāi)始執行關(guān)風(fēng)門(mén)邏輯，在經(jīng)過(guò)29秒之后，風(fēng)門(mén)大概關(guān)至30%開(kāi)度，此時(shí)變頻器自動(dòng)將KM43合閘，風(fēng)機恢復工頻運行。

   所以，對于引風(fēng)機、一、二次風(fēng)機系統來(lái)說(shuō)，當變頻器有故障時(shí)，只有大概30秒左右的負荷壓力波動(dòng)時(shí)間，即可以恢復到雙風(fēng)機運行狀態(tài)。這樣可以保證系統的連續運行。

   可能對于不同現場(chǎng)來(lái)說(shuō)有不一樣的運行工況，可能風(fēng)門(mén)的機械動(dòng)作時(shí)間也不盡相同，HARSVERT系列變頻器可以從界面上面自由設定切換工頻的時(shí)間，以滿(mǎn)足不同現場(chǎng)的工況的要求。

  四、結束語(yǔ)：

  對于寶麗華集團荷樹(shù)園電廠(chǎng)變頻器的改造情況來(lái)看，循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)機系統的變頻改造取得了很好的效果，方便了運行人員的調節，整個(gè)鍋爐運行工況相對于工頻狀態(tài)下穩定得多，再者，通過(guò)變頻改造，也降低了廠(chǎng)用電比率，起到很好的節能效果。

  參考文獻資料：

1、 倚鵬 主編，高壓大功率變頻器技術(shù)原理及應用，人民郵電出版社，2008.2第一版
2、 中國動(dòng)力工程學(xué)會(huì )編，火力發(fā)電設備技術(shù)手冊，北京：機械工業(yè)出版社，1999
3、 廣東寶麗華電力有限公司介紹 

                
                                  現場(chǎng)圖1

                 
                              現場(chǎng)圖2
                        
                                       現場(chǎng)圖3