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          高壓變頻器在風機泵類應用技術方案探討

          文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2017/1/13     瀏覽次數:    

            風機泵類高壓輔機采用變頻調速技術實現節能運行是我國節能的一項重點推廣技術。目前,國內外廠家生產的高壓變頻器已在各工礦企業引風機、送風機、一次性風機、排風機、給水泵、凝泵等風機泵類設備上投入運行,取得了較好的節能效果,直接的是廠用電量明顯降低。但是,運行中軸承、動葉產生裂紋,變頻工頻切換失敗,變壓器或模塊過熱跳閘等異常情況時有發生,給企業安全生產、經濟效益帶來不利影響。為此,把相關問題提出來進行探討,希望對高壓變頻器節能技術的經濟、安全、成熟、標準化應用起到積極的作用。


           一、經濟性、安全性分析

                考慮高壓變頻器節能應用時,先關心的就是經濟性、安全性,沒有節能效果或節能效果不明顯,以及沒有安全運行保障,基本打動不了決策層的心。

          高壓變頻器節能應用的經濟性分析,應根據企業實際情況進行科學的、量化的、綜合的分析,防止出現簡單的統計就得出節能效果很好,很快回收投資甚至產生很大經濟效益的結論。其實,變頻器本身并不是一個節能設備,相反,它是一個耗能設備(設計值5%左右)。變頻器是一個方便而穩定的調速設備,在風機與泵類輔機的調節上,它的節能量較大,但靜調風機的靜葉全開,節能效果就未必好。有人反駁說,即使滿負荷時工頻運行的電機供電電流也比同工況同容量電機變頻運行的供電電流大許多。這主要是因為選擇的電機額定容量大于實際需求的電機功率。

            高壓變頻器的應用,尤其是變頻改造項目,在項目策劃時要進行嚴格的安全性評估,對同類型風機或泵類輔機在其他火電廠的應用情況進行收資,了解變頻器運行是否發生軸承、動葉裂紋、變頻工頻切換失敗、變頻器模塊損壞等設備異常,掌握變頻器設計、安裝、調試及投運考慮的安全問題,需要進行哪些試驗,以及日常維護應該怎么做等等。較好,請有資質和能力的科研單位進行相應項目測試及出具評審報告。

            高壓變頻器不是節能應用的優先選擇,要通過綜合的經濟、安全指標分析,來確認高壓變頻器節能應用是某個具體項目的優先選擇。


          二、設備選型與國產品牌的發展

                   了解國產、國際高壓變頻器品牌、產品、技術現狀,滿足安全、技術要求的前提下,選擇性價比高的國產品牌,為支持鼓勵國產品牌發展壯大、走向國際市場貢獻力量。我國高壓大功率變頻器生產廠家,主要有合康變頻、東方日立、成都佳靈、中山明陽、廣州智光、上??七_、山東風光、九洲電氣等。在國家節能政策的鼓勵和扶持下,隨著科研的進一步深入,理論上和功能上國產高壓變頻器逐漸可以與進口變頻器相媲美,但變頻器中使用的功率半導體、驅動電路、電解電容等關鍵器件基本依賴進口,而且在未來相當長時間內狀況不容易改變。在自動化產品結構上相對比較單一,主要是“產品推廣”的營銷策略,產品發展與銷售有一定劣勢。

          國外主流供應廠商主要有西門子、利德華福(施耐德)、羅賓康、羅克韋爾(AB)及ABB等。以西門子為代表的國外品牌占據大容量和為大型工程配套的市場。他們均形成了系列化的產品,幾乎大部分的產品均具有矢量控制功能,工藝水平也比較完善。品牌廠商多為綜合自動化公司,擁有多種自動化產品的品牌關聯效應,這種關聯還體現在其他資源的共享上,這樣的“品牌推廣”對產品發展、銷售都有很好的推動作用。

            雖然,國外品牌在元器件質量、超大功率產品上優勢比較大,也應該看到國產品牌通過技術自主化研究與應用,差距逐漸縮小。而且,國產品牌價格優勢巨大,性價比高。另外,國產品牌在設備異常分析、故障處理、備品備件采購、技術培訓等方面的方便快捷也是應該考慮的因素。決策層的思維不能停留在選擇大品牌產品就不會負什么責任的行為上。


          三、變頻器與電動機連接方式選擇

                 變頻器與電動機連接方式主要有以下幾種。

                 (1)-拖一固定連接:

                 (2)-拖一旁路連接:

                 (3)-拖二旁路連接:

                 其中,帶旁路的接線方式又分手動切換和自動切換方式。如圖二就是手動切換旁路的接線方式,-QS1、-QS2、-QS3均為隔離閘刀。將隔離閘刀換成高壓斷路器就可以實現自動切換旁路運行。

            接線方式的選擇取決于高壓電動機在系統中的運行方式。如火電廠一臺機組安裝兩臺凝結水泵,正常一臺運行,一臺備用,就可以選擇一拖二手動切換旁路的接線方式,一臺變頻運行,另一臺工頻備用,變頻器故障時,凝結水系統切換到備用泵工頻運行。而引風機就不同,機組正常運行兩臺引風機同時運行,一般選擇一拖一自動切換旁路的接線方式,這樣正常兩臺引風機均變頻運行,任一臺引風機變頻器故障時,本臺引風機自動切至旁路工頻運行,引風機運行。


          四、繼電保護配置方案探討

                 目前,國內外高壓變頻器廠家對變頻器、變壓器本身提供的保護配置基本一致,按照《DLT994-2006火電廠風機水泵用高壓變頻器》系統集成和技術要求,主要有輸入瞬態過電壓保護、輸入工頻過電壓保護、欠電壓保護、輸入過電流保護、輸出瞬態過電壓保護、輸出過電壓保護、輸出過電流保護、輸出短路保護、輸出電壓三相不平衡保護、輸出電流三相不平衡保護、變壓器超溫保護、冷卻系統故障保護,以及控制系統故障保護等。

          從用戶的角度出發,希望電力科研設計單位、相關院校及設備廠家能重視高壓變頻器+電動機系統繼電保護配置問題,在以下兩個方案中給出明確的結論:一是開關柜綜合保護只作為高壓電纜的主保護及變頻器和電動機的后備保護,變壓器和電動機由變頻器自帶保護實現主保護功能,但必須滿足靈敏度要求。二是研發“頻率跟蹤智能式變頻運行自適應”保護裝置,保護裝置能自動跟蹤變頻器兩側電源幅值、頻率、相角變化并自動平衡補償,經模擬運算把不同電源還原為理論相同電源,從而采用差動保護;保護范圍涵蓋從開關柜到電動機、包括變頻器、隔離變壓器及變頻器兩側電纜等電動機的全回路;工頻變頻運行無需切換自適應。


          五、共振、扭振損壞設備如何避免

                變頻調速應用后,電動機和負載的運行頻率不再固定為工頻50HZ,可以是從0~50HZ的任意一點,電動機輸入電流是變頻器輸出的包含高次諧波分量的綜合電流。電動機及負載軸系、葉片共振,軸系扭振損壞設備的現象時有發生,如圖4、圖5。

                如何避免呢?分析原因,明確措施

                (1)軸系或支撐系統徑向共振

                 由電機和負載工頻離心力激勵,且運行在軸系或支撐系統共振頻率時所致。

            此類振動機理簡單(與汽輪發電機組運行于其臨界轉速相當)、現象明顯、處理容易。

            措施:變頻器投運前做共振頻率測試試驗,設置頻率跳躍區域避開共振頻率。

                  (2)軸系扭轉共振

                 由PWM制式變頻器輸出電流引起的基波動扭矩激勵。此類振動機理較復雜、現場因無監測而現象不明顯,原先對定速運行影響不明顯的因素開始對變速工況下的振動狀態表現得非常敏感。

            措施:運行人員應注意電機及負載的振動問題,如有異常應及時匯報并進行參數分析,同時檢修人員也必須更加注意大小修對設備的檢查處理。

                  (3)動葉共振

                    由PWM制式變頻器輸出電流引起的6X諧波動扭矩激勵。此類振動機理較復雜、現場無任何現象(風機調頻運行中凡運行可監視參數都正常,等到故障造成葉片斷裂引發電機和負載振動大時才會被發現)。其激勵源為變頻器輸出的電流高次諧波(6n次),其主要成分頻率為風機變頻運行轉速對應頻率(轉頻)與電機磁極對數的乘積再乘以6,其頻率范圍為100。300Hz。其作用機理為:諧波電流引起風機軸系發生1∞~300Hz的小幅扭振,這種扭振因幅值較小對軸系沒有明顯影響,但會與動葉的固有頻率合拍而引起其共振,并在較短時間內(變頻運行1~3個月)使葉片產生裂紋最終破壞。

          措施:在變頻運行一個月時進行停機動葉片裂紋檢查,如發現裂紋則必須進行相應改造。定期進行諧波、振動、扭振等參數測試,較好配備在線監測系統進行實時監測。

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