Zusammenfassung: Dieser Artikel analysiert den Einsatz von Hochspannungs-Frequenzumrichtern in Kesselventilatoren von Kraftwerken. Die Praxis hat gezeigt, dass Hochspannungs-Frequenzumrichter hervorragende Anwendungsmöglichkeiten bieten, um den Stromverbrauch von Staubabscheiderventilatoren zu senken, den Anlaufstrom zu reduzieren, den Leistungsfaktor zu verbessern, die Prozesseffizienz zu steigern und den Automatisierungsgrad zu erhöhen. Schlüsselwörter: Drehzahlregelung mit variabler Frequenz; Hochspannungs-Frequenzumrichtertechnologie; Kraftwerk; Kesselventilator. I. Anwenderübersicht: Das Kraftwerk Wuda gehört zur China Huadian Corporation und verfügt derzeit über zwei 150-MW-Kraftwerksblöcke (Blockheizkraftwerke, BHKW). Diese nahmen im März bzw. Juni 2005 den Betrieb auf. Zwei weitere 600-MW-BHKW-Blöcke sind in Planung. Die Region Wuda ist reich an Kohlevorkommen, was zu niedrigeren Stromerzeugungskosten und erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen für die Kraftwerke in der Region führt. Derzeit werden die Saugzugventilatoren der Kessel des Kraftwerks Wuda mit viskosen Flüssigkeitsreglern und die Primärluftventilatoren mit Dämpferregelung gesteuert. Aufgrund des geringen Wirkungsgrads, der hohen Ausfallrate und des komplexen Wartungsaufwands von Drehzahlreglern für viskose Flüssigkeiten sowie der erheblichen Drosselverluste bei der Dämpferverstellung analysiert diese Arbeit die energiesparende Nachrüstung dieser beiden Kessellüftertypen mittels Frequenzumrichter-Drehzahlregelung. II. Kessellüftertechnik: Die Kessel des Wärmekraftwerks Wuda sind mit zwei Saugzugventilatoren (je 1400 kW) und zwei Primärluftventilatoren (je 1800 kW) ausgestattet. Da die Anlagen relativ klein sind und als Blockheizkraftwerke (BHKW) betrieben werden, arbeiten sie unter normalen Bedingungen den ganzen Tag über stabil unter Volllast. Lediglich bei größeren und kleineren Wartungsarbeiten aufgrund von Kesselabschaltungen wird die Last reduziert. Das Kraftwerk nutzt einen zeitabhängigen Stromtarif: Spitzenpreis 0,24 Yuan/kWh, Niedertarifpreis 0,20 Yuan/kWh und Durchschnittspreis 0,22 Yuan/kWh. [align=center]Betriebsdaten des Kessellüfters (145 MW Last)[/align] Wie aus der obigen Tabelle ersichtlich, ist die Lüfterklappenöffnung aufgrund der Auslegungstoleranz der genannten Lüftermotoren relativ klein und weist eine große Sicherheitsmarge auf. Im Normalbetrieb entsteht dadurch zwangsläufig ein großer Luftdruckunterschied auf beiden Seiten der Klappe, was zu erheblichen Drosselverlusten führt. 2. Beschreibung des Frequenzumrichtersystems: Diese Modernisierung umfasst die Umrüstung der oben genannten Lüfter auf Frequenzumrichter. Jedem Lüfter wird ein Hochspannungs-Frequenzumrichter hinzugefügt, sodass insgesamt zwei Frequenzumrichter vorhanden sind. Die Frequenzumrichter sind mit den vorhandenen Lüftermotoren und der Hochspannungsschaltanlage verbunden. Im Normalbetrieb treibt jeder Frequenzumrichter einen Lüftermotor an. Das Schaltbild ist unten dargestellt (QF im Schaltbild steht für den ursprünglichen Hochspannungsschalter). Die 6-kV-Stromversorgung wird über den Eingangsschalter QS1 an den Hochspannungs-Frequenzumrichter angelegt, und der Ausgang des Frequenzumrichters wird über den Ausgangsschalter QS2 an den Motor geleitet. Die 6-kV-Stromversorgung kann den Motor auch direkt über den Bypass-Schalter QS3 starten. Die Funktion der Ein-/Ausgangs- und Bypass-Trennschalter ist folgende: Im Fehlerfall des Frequenzumrichters kann der Ein-/Ausgangs-Trennschalter QS2 sofort getrennt werden, um den Frequenzumrichter zu isolieren. Der Bypass-Trennschalter QS3 kann manuell geschlossen werden, um den Motor unter Netzfrequenz zu starten. Die genannten Trennschalter des Eingangsleitungsschranks werden zusammen mit dem Frequenzumrichter geliefert. Hinweis: QF behält die ursprüngliche Hochspannungs-Eingangsleitungsschaltanlage des Anwenders bei; QS1, QS2 und QS3 werden zusammen mit dem Frequenzumrichter geliefert. QS1 und QS2 des Eingangsleitungsschranks sind mechanisch verriegelt, um Fehlbedienungen zu verhindern. 3. Zuverlässigkeitsauslegung des Frequenzumrichters Die Betriebssicherheit der Ventilatoren in einem Wärmekraftwerk ist entscheidend für den Kesselbetrieb. Daher ist das Gehäuse des Frequenzumrichters so ausgelegt, dass ein zuverlässiger Betrieb in folgenden Aspekten gewährleistet ist. (1) Der Transformator ist ein Trockentransformator mit selbstregulierender Luftkühlung. (2) Die Leistungseinheit ist in Reihenschaltung ausgeführt, und die Hochspannungs-Frequenzumwandlung erfolgt mittels bewährter Niederspannungs-Frequenzumwandlungstechnologie. (3) Spezielle Isolierprofile und -platten gewährleisten die vollständige Einhaltung der Isolationsanforderungen. (4) Der Pulsweitenmodulations-Signalgenerator wird durch FPGA-Hardware erzeugt, wodurch Softwarefehler vermieden werden. (5) Die Leistungseinheit verfügt über eine Fehlerbypass-Funktion, die die Gesamtzuverlässigkeit des Frequenzumrichters deutlich erhöht. (6) Die Kommunikation zwischen Steuerungs- und Leistungseinheit erfolgt über Glasfaser, was die Zuverlässigkeit und Störfestigkeit erheblich verbessert. (7) Die Steuerung erfolgt über eine Siemens-SPS mit Touchscreen, was die Effizienz des Umrichters deutlich steigert. Um die Betriebssicherheit zu gewährleisten, werden im Netzteil (8) leistungselektronische Bauteile importierter Marken mit großer Auswahl verwendet. (9) Das Gehäuse des Netzteils verfügt über einen einzigartigen parallelen Luftkanal und ist mit einem originalen deutschen Lüfter ausgestattet. (10) Die Steuerschaltung wird dual versorgt, wobei eine der Versorgungsleitungen vom Hauptstromkreis des Frequenzumrichters gespeist wird und automatisch umgeschaltet werden kann. (11) Sowohl die Steuerschaltung als auch die Bypass-Schaltung sind mit einer leistungsstarken USV ausgestattet, um einen 15-minütigen Stromausfall ohne Beeinträchtigung des Normalbetriebs zu gewährleisten. 4. Nach der Frequenzumwandlung und im Normalbetrieb wird die Luftmenge im Kontrollraum durch Anpassen der Sollfrequenz des Hochspannungs-Frequenzumrichters (über ein 4-20-mA-Signal) reguliert. Im Fehlerfall, d. h. wenn der Frequenzumrichter einen Fehler aufweist, der nicht automatisch behoben werden kann, schaltet sich der Frequenzumrichter automatisch ab. Bei automatischer Netzfrequenzumschaltung läuft der Frequenzumrichter wie folgt ab: QS2 öffnet den Vakuumschütz, QS3 schließt ihn automatisch, und der Frequenzumrichter schaltet auf Netzfrequenzbetrieb um. Bei manueller Netzfrequenzumschaltung wird nach dem Öffnen von QS2 ein Auslösesignal an den Leistungsschalter DL im Schaltschrank gesendet, wodurch dieser verriegelt und ausgelöst wird. Gleichzeitig wird ein Fehlersignal an die Leitwarte ausgegeben. 5. Vorteile der Nachrüstung mit einem Frequenzumrichter (FU): Durch den Austausch des Ventilators gegen einen FU wird der Geräuschpegel bei niedrigeren Drehzahlen deutlich reduziert. Zudem werden Luftturbulenzen und ungenaue Luftstromregelung durch die Einstellung von Klappen sowie Störungen wie Rohrschwingungen und instabile Verbrennung im Ofen vermieden. Mit einem Hochspannungs-FU muss die Ventilatorklappe nicht häufig nachgestellt werden; der Öffnungsbereich der Klappe bleibt relativ groß. Durch die Anpassung der Ausgangsfrequenz des FU und damit der Motordrehzahl kann der Luftstrom an die Betriebsanforderungen angepasst werden. Nach dem Betrieb mit einem Frequenzumrichter (VFD) werden Geräusche und Vibrationen deutlich reduziert. Im Betrieb mit variabler Last führt der Einsatz eines hocheffizienten VFD-Drehzahlregelungssystems anstelle eines herkömmlichen Festdrehzahlantriebs zu erheblichen Drosselverlusten und damit zu beträchtlichen Energieeinsparungen und enormem Potenzial – dies ist unbestreitbar. Da das VFD-Drehzahlregelungssystem selbst über eine Sanftanlauffunktion verfügt, ermöglicht es einen sanften Anlauf der Kraftwerksventilatoren. Dadurch werden Netz- und mechanische Erschütterungen durch direktes Anlaufen des Motors vermieden und eine Reihe damit verbundener Zwischenfälle verhindert. Beispielsweise können schwerwiegende Zwischenfälle wie Ermüdungsbrüche der Rotorkäfigstäbe und Isolationsdurchschläge der Statorwicklungen verhindert werden, wodurch die Betriebssicherheit von Windkraftanlagen erhöht wird. In der Energiewirtschaft kann die Förderung und Anwendung der Hochspannungs-Frequenzumrichtertechnologie für viele Hochspannungs- und Hochleistungshilfsanlagen nicht nur erhebliche Energieeinsparungen erzielen und ist ein effektiver Weg für Kraftwerke, Energie zu sparen und den Verbrauch zu senken, sondern sie wird auch von nationalen Industriepolitiken unterstützt und repräsentiert die zukünftige Richtung des technologischen Wandels hin zu mehr Energieeinsparung in der Energiewirtschaft. In der Energiewirtschaft herrscht mittlerweile weitgehend Einigkeit darüber. Durch die Einführung der Frequenzumrichtersteuerung werden die Anlaufbelastungen von Motoren, Leitblechen, Hochspannungsschaltern, Lagern und dem Stromnetz dank des echten Sanftanlaufs deutlich reduziert. Dies verlängert deren Lebensdauer und senkt die Wartungskosten erheblich. Darüber hinaus erfüllt die hochpräzise, ​​stufenlose Drehzahlregelung des Frequenzumrichters mit großem Regelbereich nicht nur die Anforderungen an die dynamische Spitzenlastanpassung in Kraftwerken, sondern ermöglicht als intelligentes Hightech-Gerät auch die nahtlose Integration in das Prozessleitsystem (DCS) des Kraftwerks. Dies steigert die Produktionseffizienz und den Automatisierungsgrad der Anlagen und verbessert die Arbeits- und Produktionsbedingungen im Kraftwerk deutlich. III. Geräteparameter 1. Motordaten (1) Kessel-Saugzugventilator Modell: YKK630-2-6 Motorleistung: 1400 kW Nennspannung: 6 kV Nennstrom: 164,2 A Leistungsfaktor: 0,86 Nenndrehzahl: 990 U/min Einstellmethode: Visko-Drehzahlregler (Übersetzungsverhältnis 90 %) Eingangsdrehzahl 990 U/min, Ausgangsdrehzahl ca. 900 U/min Visko-Drehzahlregler Modell: NT-14C Nenndrehmoment: 14000 Nm Eingangsdrehzahl: 1000 U/min Drehzahlbereich: 30–100 % (2) Kessel-Primärluftventilator Modell: YKK630-4 Motorleistung: 1800 kW Nennspannung: 6 kV Nennstrom: 206 A Leistungsfaktor: 0,86 Nenndrehzahl: 1495 U/min Einstellmethode: Drosselklappe (Lamellenventil, Öffnung 45 %, zwei Flügel sind jedoch fest und vollständig geöffnet) Nach einfacher Umrüstung beträgt die Öffnung 60 %. Auslassvolumenstrom: 100.000 m³/h. Nennauslassvolumenstrom: 195.751 m³/h. Einlassvolumenstrom: 130.000 m³/h. Auslassluftdruck: 24.153 Pa. 2. Betriebsdaten des Ventilators (vom Hersteller bereitgestellt): (1) Betriebsdaten des Ventilators für den Kessel (145 MW Last): (2) Jährliche Betriebsdauer: 7.200 Stunden: (3) Durchschnittlicher Strompreis: 0,22 Yuan/kWh. IV. Analyse der Vorteile der Frequenzumwandlung 1. Direkte Vorteile Zwei Hochspannungs-Frequenzumrichter (SH-HVF-Y6K/2000), die von der Hubei Sanhuan Development Co., Ltd. an die Inner Mongolia Huadian Wuda Thermal Power Co., Ltd. geliefert wurden, wurden getestet, um den Stromverbrauch des Saugzugventilators des Kessels Nr. 1 unter Frequenzumwandlungsbedingungen und den Saugzugventilator des Kessels Nr. 1 unter Netzfrequenzbedingungen bei gleichen Stromerzeugungsbedingungen zu vergleichen. Detaillierte Testergebnisse: Stromverbrauch des Saugzugventilators Nr. 1 unter Netzfrequenzbedingungen: (Aus Originalberichten) Betriebszeit: 18.08.2006 (02:00–08:00 Uhr) Stromerzeugung: 875.700 kWh Stromverbrauch des Saugzugventilators A: 6.120 kWh Stromverbrauch des Saugzugventilators B: 5.400 kWh Stromverbrauch des Saugzugventilators Nr. 1 unter variablen Frequenzbedingungen: (Aus Tagesberichten) Betriebszeit: 29.11.2006 (02:00–08:00 Uhr) Stromerzeugung: 875.700 kWh Stromverbrauch des Saugzugventilators A: 4.320 kWh Stromverbrauch des Saugzugventilators B: 4.320 kWh Berechnung der Energieeinsparung: Unter Netzfrequenzbedingungen: Der durchschnittliche stündliche Stromverbrauch der beiden Saugzugventilatoren für Einheit Nr. 1 bei einer durchschnittlichen Stromerzeugung von 145.000 kW/h beträgt: (6.120 + 5.400) / 6 = 1920 kWh. Unter variablen Frequenzbedingungen: Der durchschnittliche stündliche Stromverbrauch der beiden Saugzugventilatoren von Block 1 beträgt (4320 + 4320) / 6 = 1440 kWh, bei einer durchschnittlichen stündlichen Stromerzeugung von 145.000 kWh. Die durchschnittliche stündliche Stromeinsparung beträgt 1920 - 1440 = 480 kWh. Die jährliche Stromeinsparung beträgt 480 × 24 × 300 = 3.456.000 kWh (bei 300 normalen Betriebstagen pro Jahr). Der jährliche Erlös aus der Stromeinsparung beträgt 3.456.000 × 0,24 = 829.400 Yuan (basierend auf einem Strompreis von 0,24 Yuan pro kWh). Hinweis: Die Heizung ist in dieser Berechnung nicht berücksichtigt. Aufgrund der Gegebenheiten vor Ort liefert Block 1 im August keine Heizung, jedoch im November. Das heißt, die tatsächliche Last unter Netzfrequenzbedingungen ist nicht so hoch wie unter variablen Frequenzbedingungen. Würde die Last berücksichtigt, wäre die Energieeinsparung deutlich höher als der berechnete Wert. Darüber hinaus ist der Energiespareffekt des Frequenzumrichters bei geringerer Stromerzeugung signifikanter. Daher stellt die oben berechnete Energieeinsparung den Minimalwert dar. 2. Weitere indirekte Vorteile: A. Dank der überlegenen Sanftanlauf-/Sanftstoppfunktion des Hochspannungs-Frequenzumrichters (die einen Anlauf bei Nulldrehzahl ermöglicht) wird die Belastung des Motors und des Stromnetzes durch den Anlaufstrom erheblich reduziert. Dies verringert effektiv Motorausfälle und verlängert somit den Wartungszyklus und die Lebensdauer des Motors deutlich. Zudem werden die negativen Auswirkungen von Stoßlasten auf das Stromnetz effektiv vermieden. B. Nach der Frequenzumrichter-Umrüstung sind die ursprünglichen Regelventile vollständig geöffnet und benötigen keine weitere Justierung. Dies verlängert die Ventillebensdauer und senkt die Wartungskosten. C. Nach der Frequenzumrichter-Umrüstung entfällt die ursprüngliche Hydraulikkupplung, wodurch die Wartungskosten für die Hydraulikkupplung eingespart werden. D. Dank der einzigartigen, stufenlosen Regelung des Hochspannungs-Frequenzumrichters und der reduzierten Drehzahl des Saugzugventilators wird der mechanische Verschleiß an Ventilator und Motor deutlich verringert, während die Temperatur von Lagern und Buchsen sinkt. Dies reduziert effektiv die Wartungskosten und verlängert die Lebensdauer der Anlage. E. Die automatische Steuerung verbessert den Automatisierungsgrad der Anlagensteuerung und des Systembetriebsmanagements und ermöglicht so eine vollautomatische Regelung. Dadurch werden Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit erheblich gesteigert. F. Der Frequenzumrichter verfügt über umfassende Motorschutzfunktionen, die den sicheren und stabilen Betrieb des Motors deutlich verbessern. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Hubei Sanhuan seit 1999 im Bereich der Hochspannungs-Frequenzumrichter tätig ist und seit fünf Jahren aktiv ist. Derzeit sind über 50 Anlagen in der Energiewirtschaft im Einsatz und tragen zur Energieeinsparung und zum Umweltschutz bei. Wir sind überzeugt, dass Hochspannungs-Frequenzumrichter die traditionellen Anwendungen von Hydraulikkupplungen zunehmend ersetzen. Mit dem breiten Einsatz von Hochspannungs-Frequenzumrichtern und ihrer stetig verbesserten Wirtschaftlichkeit werden Frequenzumrichter Hydraulikkupplungen letztendlich als beste Wahl für die Motordrehzahlregelung ablösen.