高压变频技术在循环流化床锅炉中的应用

冯彦林

（黑龙江省黑河市热电厂，黑龙江 黑河 164300）

近年来，随着经济发展，国家对能源的需求不断加强，人们对环境保护和能源节约也越来越重视，对工厂这一类大型耗能单位进行技术改造，以降低能源消耗和提高生产效率的要求也进一步增强。以电力行业为例，国民经济的增长使得电力需求十分强劲，而每年消耗的电能中，大部分是由火电厂提供的。以2006年为例，全国发电量达到28 344亿kWh，其中火电发电量达23573亿kWh，约占全国发电总量的83.16％，同时，火电厂机组耗煤总量占全国总耗煤的比例达到了53.4％，成为全国耗煤最多的行业。

黑河市热电厂目前装有9台循环流化床锅炉，担负黑河市城区的整体供热任务，厂各级领导高度重视节能减排工作：2008年，完成了全市区29年换热站的变频调速改造工作，实现年节电100万kWh；2009年，投资100多万元完成了1#锅炉、2#锅炉引风机变频改造工作，年节电130万kWh；2010年，又投资800万元对14台循环流化床高压风机的进行变频调速系统改造，预计年可节约资金300万元左右。

1 循环流化床工艺

循环流化床是一种适于固体燃料的清洁高效的燃烧技术。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。

其较为典型的燃烧工艺：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％。

2 技术方案分析

由于其独特的燃烧特性，与传统的煤粉式锅炉相比，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，必须使引风量与送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，循环流化床机组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：第一，节流损失大；第二，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；第三，执行机构易出问题，维修费用高；第四，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。

3 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。

市场上大多高压变频器采用交直交、直接高高变换、多电平串联倍压的技术方案。主体结构由多组功率模块串并联而成，输入采用隔离移相变压器将输入的高压工频电变换成为多组彼此间相互绝缘、电位独立的低压工频电源，并分别送到各个变频功率模块中，实现各模块中的整流、滤波、逆变过程，单个模块输出的低压变频电源经叠加产生需要的高压输出。单相采用多组功率模块串联叠加，保证单个功率模块承受电压仅为输出高压的一部分，且在其工作允许范围之内。

在实际运行中，性能优良的高压变频器对电网谐波污染小，黑河市热电厂22台风机选用的是广州智光电气股份有限公司生产的36脉冲整流，输出每相5单元串联的高压变频器，空载情况下，输入谐波＜3％；负载情况下，输入谐波＜2％。输入功率因数达到95％以上，且整机效率≧97％，无需进行功率因数补偿。电压输出范围较大，输入电压在60％～130％，频率在45Hz～55Hz波动范围内设备均能正常工作。采用高频PWM控制方式，并可选用单元冗余热备技术，保证设备输出恒定，避免输出和共模电压过大。采用机械式旁路，旁路控制回路单独供电，避免功率单元失电而后旁路无法动作的情况发生。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。

4 注意事项

（1）循环硫化床对风压的要求很高，对一次风机进行变频改造时，应考虑最低安全转速限制，确保在最低转速运行时，能保证硫化。

（2）由于变频改造后相当于增加了中间环节，系统可靠性降低，在DCS系统重点考虑变频设备故障后的应急处理。

（3）由于变频器属于电力电子产品，对运行环境的要求较高，注意对环境的日常清洁，对风冷型的高压变频器，特别注意风道的畅通。

（4）对风系统作变频改造时，尽量避免一台工频运行，一台变频运行，由于两台出口风压的不一致，可能导致风机踹震或者效率明显降低，不利于设备长期运行。在实际运行时，当负荷较低时，两台设备变频运行可能比一台设备变频运行更节能。

除了明显的节电，采用变频率器还有以下优点：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，有效减小了电机故障，从而大大延长了电机的检修周期合使用寿命，同时还可有效避免冲击负荷对电网的不利影响。②变频改造后，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。

5 结语

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，循环流化床锅炉中又包含大量能应用高压变频调速技术的设备，由于循环硫化床燃烧介质多样行，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好。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。