高壓變頻技術在循環流化床鍋爐中的應用

馮彥林

（黑龍江省黑河市熱電廠，黑龍江 黑河 164300）

近年來，隨著經濟發展，國家對能源的需求不斷加強，人們對環境保護和能源節約也越來越重視，對工廠這一類大型耗能單位進行技術改造，以降低能源消耗和提高生產效率的要求也進一步增強。以電力行業為例，國民經濟的增長使得電力需求十分強勁，而每年消耗的電能中，大部分是由火電廠提供的。以2006年為例，全國發電量達到28 344億kWh，其中火電發電量達23573億kWh，約占全國發電總量的83.16％，同時，火電廠機組耗煤總量占全國總耗煤的比例達到了53.4％，成為全國耗煤最多的行業。

黑河市熱電廠目前裝有9臺循環流化床鍋爐，擔負黑河市城區的整體供熱任務，廠各級領導高度重視節能減排工作：2008年，完成了全市區29年換熱站的變頻調速改造工作，實現年節電100萬kWh；2009年，投資100多萬元完成了1#鍋爐、2#鍋爐引風機變頻改造工作，年節電130萬kWh；2010年，又投資800萬元對14臺循環流化床高壓風機的進行變頻調速系統改造，預計年可節約資金300萬元左右。

1 循環流化床工藝

循環流化床是一種適于固體燃料的清潔高效的燃燒技術。固體顆粒（燃料、石灰石、砂粒、爐渣等）在爐膛內以一種特殊的氣固流動方式（流態化）運動，離開爐膛的顆粒又被分離并送回爐膛循環燃燒。爐膛內固體顆粒的濃度高，燃燒、傳質、傳熱、混合劇烈，溫度分布均勻，固體顆粒在爐膛內的內循環和外循環十分強烈，在爐膛內的停留時間較長，保證了較高的燃燒效率。

其較為典型的燃燒工藝：燃料由給煤機送入爐膛；一次風由鍋爐底部送入，主要用于維持燃料粒的流化；二次風沿燃燒室側壁多點送入，主要用于增加燃燒室的氧量，提高燃燒效率；燃燒后的大量顆粒隨煙氣進入旋風分離器，與煙氣分離；分離出來的顆粒經回料閥回到燃燒室繼續燃燒；分離出來的煙氣則經過除塵器除塵后，由引風機引入煙囪排出。實際運行中，循環流化床的燃燒效率可高達97％～99％。

2 技術方案分析

由于其獨特的燃燒特性，與傳統的煤粉式鍋爐相比，循環流化床鍋爐對風量、風壓的控制有更高的要求：為了保證鍋爐燃燒的經濟性，當燃料量改變時，必須相應地調節送風量，使之與燃料量匹配；為了保證鍋爐運行的安全性，必須使引風量與送風量相配合以保證爐膛壓力在正常范圍內；通過一次風量及風壓的調節以保證爐膛內物料的正常流化。

與常規煤粉爐相比，循環流化床機組配置的風機壓頭較高，目前調節風量的主要是通過調節風門開啟度或采用變頻調速技術控制風機轉速。當采用調節風門開啟度的方式進行風量控制時，容易出現這樣幾個問題：第一，節流損失大；第二，系統響應速度慢、調節品質差，自動投入率低，難以滿足實際要求；第三，執行機構易出問題，維修費用高；第四，電機啟動時會產生過電流，影響電機絕緣性能和使用壽命。變頻調速技術由于較好地解決了上述問題，正逐步在循環流化床機組中得以運用。

由于循環流化床鍋爐中的一次風機、二次風機、引風機均屬于二次方轉矩負載，在忽略風道變化因素后，有風量與轉速成正比、風壓與轉速二次方成正比、機械軸功率與轉速立方成正比的關系。當采用高壓變頻器對這些電機進行變頻調速控制時，僅通過相對小范圍內的頻率改變，調節電機轉速，即可實現風量的控制，而且調節精度及響應速度有很大改善。同時，當電機轉速降低時，由于軸功率與轉速三次方成正比的對應關系，電機的軸功率顯著下降，節能效果明顯。

3 高壓變頻裝置特點

高壓變頻技術的具體實現有多種方式，國內外的高壓變頻器廠家目前主要采用如下一些解決方案：高-低-高方案、三電平-多電平方案、電流源方案、功率單元串聯方案等等。高-低-高方案需要輸入、輸出變壓器，存在中間低壓環節電流大、效率低、可靠性下降、體積大等缺點，只適合很小容量的高壓電動機；三電平-多電平方案存在控制復雜、需要加濾波器等缺點，只有少數國外廠家采用。電流源存在輸入功率因數低，維護成本高等缺點。

市場上大多高壓變頻器采用交直交、直接高高變換、多電平串聯倍壓的技術方案。主體結構由多組功率模塊串并聯而成，輸入采用隔離移相變壓器將輸入的高壓工頻電變換成為多組彼此間相互絕緣、電位獨立的低壓工頻電源，并分別送到各個變頻功率模塊中，實現各模塊中的整流、濾波、逆變過程，單個模塊輸出的低壓變頻電源經疊加產生需要的高壓輸出。單相采用多組功率模塊串聯疊加，保證單個功率模塊承受電壓僅為輸出高壓的一部分，且在其工作允許范圍之內。

在實際運行中，性能優良的高壓變頻器對電網諧波污染小，黑河市熱電廠22臺風機選用的是廣州智光電氣股份有限公司生產的36脈沖整流，輸出每相5單元串聯的高壓變頻器，空載情況下，輸入諧波＜3％；負載情況下，輸入諧波＜2％。輸入功率因數達到95％以上，且整機效率≧97％，無需進行功率因數補償。電壓輸出范圍較大，輸入電壓在60％～130％，頻率在45Hz～55Hz波動范圍內設備均能正常工作。采用高頻PWM控制方式，并可選用單元冗余熱備技術，保證設備輸出恒定，避免輸出和共模電壓過大。采用機械式旁路，旁路控制回路單獨供電，避免功率單元失電而后旁路無法動作的情況發生。采用雙電源切換技術，獨特的供電設計，特有的過電壓保護技術，保證高壓變頻器穩定、可靠運行。實踐證明采用單元串聯、直接高-高方式的拓樸結構的高壓變頻器在負載連續運轉要求嚴格的環境中應用具有獨到的優勢。

4 注意事項

（1）循環硫化床對風壓的要求很高，對一次風機進行變頻改造時，應考慮最低安全轉速限制，確保在最低轉速運行時，能保證硫化。

（2）由于變頻改造后相當于增加了中間環節，系統可靠性降低，在DCS系統重點考慮變頻設備故障后的應急處理。

（3）由于變頻器屬于電力電子產品，對運行環境的要求較高，注意對環境的日常清潔，對風冷型的高壓變頻器，特別注意風道的暢通。

（4）對風系統作變頻改造時，盡量避免一臺工頻運行，一臺變頻運行，由于兩臺出口風壓的不一致，可能導致風機踹震或者效率明顯降低，不利于設備長期運行。在實際運行時，當負荷較低時，兩臺設備變頻運行可能比一臺設備變頻運行更節能。

除了明顯的節電，采用變頻率器還有以下優點：①高壓變頻器優良的軟啟動/停止功能（可以零轉速啟動），啟動過程最大電流小于額定電流，大大減小了啟動沖擊電流對電動機合電網的沖擊，有效減小了電機故障，從而大大延長了電機的檢修周期合使用壽命，同時還可有效避免沖擊負荷對電網的不利影響。②變頻改造后，原調節風門全開，大大減少其磨損，延長了風門使用壽命，降低檢修維護費用，進一步降低了風道阻力。③高壓變頻器特有的平滑調節減少了風機以及電機的機械磨損，同時降低了軸承、軸瓦的溫度，有效減少了檢修費用，延長了設備的使用壽命。

5 結語

高壓變頻調速器已經在多家電廠、水泥廠、化工廠、金屬冶煉廠的風機和離心式水泵中得到實際應用，并取得良好的運行效果和節能效益。作為未來大型節能鍋爐的發展趨勢，循環流化床鍋爐中又包含大量能應用高壓變頻調速技術的設備，由于循環硫化床燃燒介質多樣行，風系統、水系統設計選型時比煤粉爐偏大，實際節能效果比煤粉爐好。因此，將高壓變頻調速技術應用于循環流化床鍋爐的設計和改造，對于降低損耗、節約能源、減少成本、提高自動化控制水平，具有十分重要的意義和廣闊的前景。