高压变频器在循环流化床锅炉中应用

摘要：本文介绍了循环流化床锅炉的工艺特点及节能应用前景，以及北京合康亿盛科技有限公司在应用变频调速设备上的经验和现有变频装置的特点。通过北京合康亿盛科技有限公司对江苏森达沿海热电有限公司循环流化床锅炉的应用实例，证明了使用高压变频系统适用性强、可靠性高、操作方便、对设备的运行工况改善较大、企业节能效果明显等优点。
关键字：高压风机、变频、可靠性 
一、概述
　　高压交流变频调速技术是上个世纪90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，主要用于交流电机的变频调速，其技术和性能远远胜过以前采用的调速方式（如串级调速、液力耦合器调速、转子水阻调速等）。高压变频以其显著的节能效益、完善的保护功能、方便的通信功能以及高调速精度、宽调速范围，得到了广大用户的认可，成为企业电机节电方式的首选方案。
　　江苏森达沿海热电有限公司现有三台循环流化床锅炉，三大风机采用液力耦合器调速，三大风机的稳定运转对正常生产至关重要，对设备要求特别苛刻，因此在高压变频器的选用上非常谨慎，2007年12月15日我公司扩建一台4#炉UG－130/5.3－M8采用了北京合康HIVERT-Y06/096高压变频器2台和HIVERT-Y06/048高压变频器1台在公司4#炉安装调试，稳定运行至今，为国产高压变频器赢得了荣誉。
二、循环流化床锅炉工艺
　　循环流化床是一种适于固体燃料的清洁高效燃烧技术。固体颗粒（燃料、石灰石、砂粒、炉渣等）在炉膛内以一种特殊的气固流动方式（流态化）运动，离开炉膛的颗粒又被分离并送回炉膛循环燃烧。炉膛内固体颗粒的浓度高，燃烧、传质、传热、混合剧烈，温度分布均匀，固体颗粒在炉膛内的内循环和外循环十分强烈，在炉膛内的停留时间较长，保证了较高的燃烧效率。
　　循环流化床燃烧技术是近二十多年来发展的洁净煤燃烧技术，其燃烧方式特别适用于高灰分低挥发的煤矸石、洗中煤等劣质煤，具有较好的燃料适应性，可变废为宝，体现节能要求。另外，循环流化床锅炉在燃烧过程采用炉内加石灰石、低温燃烧，可同时达到脱硫脱硝的目的，具有较好的环保特性。
　　燃料由给煤机送入炉膛；一次风由锅炉底部送入,主要用于维持燃料粒的流化；二次风沿燃烧室侧壁多点送入，主要用于增加燃烧室的氧量，提高燃烧效率；燃烧后的大量颗粒随烟气进入旋风分离器，与烟气分离；分离出来的颗粒经回料阀回到燃烧室继续燃烧；分离出来的烟气则经过除尘器除尘后，由引风机引入烟囱排出。实际运行中，循环流化床的燃烧效率可高达97%～99%。
三、技术方案分析
　　由于其独特的燃烧特性，与传统的煤粉炉相比，循环流化床锅炉对风量、风压的控制有更高的要求：为了保证锅炉燃烧的经济性，当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使之与燃料量匹配；为了保证锅炉运行的安全性，必须使引风量与一次风量相配合以保证炉膛压力在正常范围内；通过一次风量及风压的调节以保证炉膛内物料的正常流化。
　　与常规煤粉炉相比，循环流化床锅炉配置的风机压头较高，目前调节风量的主要是通过调节风门开启度或采用变频调速技术控制风机转速。当采用调节风门开启度的方式进行风量控制时，容易出现这样几个问题：（1）节流损失大；（2）系统响应速度慢、调节品质差，自动投入率低，难以满足实际要求；（3）执行机构易出问题，维修费用高；（4）电机启动时会产生过电流，影响电机绝缘性能和使用寿命。变频调速技术由于较好地解决了上述问题，正逐步在循环流化床机组中得以运用。
　　由于循环流化床锅炉中的一次风机、二次风机、引风机均属于二次方转矩负载，在忽略风道变化因素后，有风量与转速成正比、风压与转速二次方成正比、机械轴功率与转速立方成正比的关系。当采用高压变频器对这些电机进行变频调速控制时，仅通过相对小范围内的频率改变，调节电机转速，即可实现风量的控制，而且调节精度及响应速度有很大改善。同时，当电机转速降低时，由于轴功率与转速三次方成正比的对应关系，电机的轴功率显著下降，节能效果明显。
四、高压变频装置特点
　　高压变频技术的具体实现有多种方式，国内外的高压变频器厂家目前主要采用如下一些解决方案：高－低－高方案、三电平－多电平方案、电流源方案、功率单元串联方案等等。高－低－高方案需要输入、输出变压器，存在中间低压环节电流大、效率低、可靠性下降、体积大等缺点，只适合很小容量的高压电动机；三电平－多电平方案存在控制复杂、需要加滤波器等缺点，只有少数国外厂家采用。电流源存在输入功率因数低，维护成本高等缺点。
　　在实际运行中，性能优良的高压变频器对电网谐波污染小，北京合康亿盛科技有限公司采用多重化的脉宽调制技术，输出波形为非常完美的正弦波。噪音低，发热低，不会引起电机转矩脉动，对电机没有特殊要求。由于使用移相技术和二极管整流，在整个调速范围内功率因数达到95％以上，且整机效率≧97％，无需进行功率因数补偿。电压输入范围较大，输入电压在-20％～15％，频率在45Hz～55Hz波动范围内设备均能正常工作。采用空间矢量PWM控制方式，单元叠波输出，有效抑制输出谐波含量，避免输出共模电压过大。采用双电源切换技术，独特的供电设计，特有的过电压保护技术，保证高压变频器稳定、可靠运行。实践证明采用单元串联、直接高－高方式的拓朴结构的高压变频器在负载连续运转要求严格的环境中应用具有独到的优势。
五、变频前后耗电情况对比
　　我公司于2007年12月起开始将高压变频器应用4#炉UG－130/5.3－M8的三大风机（引风机，一次风机，二次风机），目前高压变频运转稳定，平均节电率达到20%以上，取得了显著的经济效益。以下为我公司安装高压变频前后数据对比：

    节能计算：
    工频条件下：4#炉三台风机平均每小时耗电量为：1558.1 kWh
    变频条件下：4#炉三台风机平均每小时耗电量为：1185.9 kWh
    平均每小时的节电量：1558.1－1185.9＝372.2kWh
    年节电量：372.2×6500＝2419300kWh（按年运行6500小时计算）
    年节电收益：2419300×0.45＝108.8万元（按每度电0.45元计算）
    成本回收时间： 4#炉三台风机年节电收益108.8万元情况下，具有显著的经济效益。短期内就能回收成本。
　　除了明显的节电效益，采用变频器还有以下优点：（1）高压变频器优良的软启动/停止功能（可以零转速启动），启动过程最大电流小于额定电流，大大减小了启动冲击电流对电动机合电网的冲击，有效减少了电机故障，从而大大延长了电机的检修周期和使用寿命，同时还可有效避免冲击负荷对电网的不利影响；（2）使用变频后，原调节风门全开，大大减少其磨损，延长了风门使用寿命，降低检修维护费用，进一步降低了风道阻力；（3）使用变频后，原液力耦合器取消，节省了液力耦合器的维护费用；（4）高压变频器特有的平滑调节减少了风机以及电机的机械磨损，同时降低了轴承、轴瓦的温度，有效减少了检修费用，延长了设备的使用寿命。
六、结论
　　高压变频调速器已经在多家电厂、水泥厂、化工厂、金属冶炼厂的风机和离心式水泵中得到实际应用，并取得良好的运行效果和节能效益。作为未来大型节能锅炉的发展趋势，循环流化床锅炉中包含大量能应用高压变频调速技术的设备，由于循环流化床燃烧介质多样性，风系统、水系统设计选型时比煤粉炉偏大，实际节能效果比煤粉炉明显。因此，将高压变频调速技术应用于循环流化床锅炉的设计和改造，对于降低损耗、节约能源、减少成本、提高自动化控制水平，具有十分重要的意义和广阔的前景。