XXXX公司热电厂锅炉给粉变频器低电压穿越设备(装置)项目可行性研究报告

技术更新改造项目可行性研究报告

项目名称：给粉变频器低电压穿越设备（装置）改造

建设单位：XXXX公司热电厂

编 制：

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批 准：

2012年11月05日

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项目名称 项目性质 负责部门 给粉变频器低电压穿越设备（装置）改造 可研编制人 项目负责人 一、 项目提出的背景及改造的必要性：（需要改造设备的运行简历，设备铭牌、投运时间、运行状况、技术状况及其他有关技术参数，现状、存在的主要问题，从对安全、经济运行、环境的影响等方面论证该项目的必要性） （一）电厂普遍存在的问题 随着电力电子技术的发展，变频器以其调速精确、使用简单、保护功能齐全等优点逐步代替传统的调速控制装置而在电厂给粉机上得到广泛应用，但由于国内某些工厂的电网电压不稳定，导致变频器在使用中产生了新的问题—变频器低压保护跳闸。这种跳闸会因为变频器的保护设置不同而表现为过流保护或低压保护。但其原因都是因为电网低电压引起的。低电压通常都是短时的，主要是因为电网晃电或备自投切换时间过长。引起电网晃电的原因很多，如主电网侧的电网波动、负荷不平衡、雷击、电力切换等原因，负载侧的大型设备启动和应用、线路过载等原因。大多数自备电厂，它所生产的电能和热能绝大多数是供它内部使用的，电厂给粉机变频器在遇到厂用电压瞬时低于变频器的低电压保护值(根据变频器的型号不同该值也不同)时变频器停机，导致给粉机停机，同时会给FSSS(锅炉安全监控系统)发出给粉机停止信号，这样会导致FSSS的MFT动作。因为给粉机变频器低压保护跳闸而引起的非计划停炉，给电厂带来很大的经济损失，也是目前电厂面临的比较大的问题，只有很好的解决该问题才能保证电厂安全、可靠、高效的正常运行。 （二）XXXX热电厂变频给粉系统现状及存在问题 综述：XXXX公司热电厂6台锅炉给粉机采用变频调速控制。每台锅炉12台给粉机变频器均采用的是富士FRN3.7G11S-4CX变频器；这6台炉在多次的厂用电停电或晃电的情况下，都出现过给粉机全停的事故，给热电厂造成巨大的损失。 2.1、6台锅炉存在问题 通过下面给粉变频系统结构原理简图进行分析： 2

~380V DCS模入、模出 开入、开出 空开 同操器 转速给定 断路器 断路器 断路器 断路器 1#2#3#12器器变频变频变频变频M1 M2 M3 M12 1就变频器而言，属于电子器件装置，在其规格书中有详细安装使用环境的要求。在特殊情况下，若确实无法满足这些要求，必须尽量采用相应抑制措施：振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因，对于振动冲击较大的场合，应采用橡胶等避振措施；潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件生锈、接触不良、绝缘降低而形成短路，应对控制板进行防腐防尘处理，并采用封闭式结构；温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素，特别是半导体器件，应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。 2 变频器电源异常表现为各种形式，但大致分以下3种，即缺相、低电压、停电，有时也出现它们的混和形式。这些异常现象的主要原因多半是输电线路因风、雪、雷击造成的，有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。除电压波动外，有些电网或自行发电单位，也会出现频率波动，并且这些现象有时在短时间内重复出现，为保证设备的正常运行，对变频器供电电源也提出了相应要求。 （Ⅰ）如果附近有直接起动电动机等设备，为防止这些设备投入时造成的电压降低，应和变频器供电系统分离，减小相互影响； （Ⅱ）对于要求瞬时停电后仍能继续运行的场合，除选择合适价格的变频器外，还因预先考虑负载电机的降速比例。变频器和外部控制回路采用瞬停补偿方式，当电压回复后，通过速度追踪和测速电机的检测来防止在加速中的过电流；对此项要求由于要考虑防止锅炉灭火放炮的安全因素，在制定方案应需谨慎考虑。 （Ⅲ）对于要求必须连续运行的设备，要对变频器加装自动切换的不停电电源装置。

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二、国内外调研报告：（咨询专家意见、国内外解决方案、用户使用情况等）

电厂锅炉给煤粉系统，由变频器和拖动电机组成。各种故障造成的电力系统电压跌落，会导致变频器低压、过流保护停机，进而造成给煤系统停运、发电机组停机脱网的恶劣事故。

有两个原因可诱发此问题：变频器功率回路和控制电源。

首先，直流动力电源跌落会造成变频器停机。变频器的功率回路均由整流模块、直流环节、逆变模块组成，如下图1所示。

图表 1

图1. 变频器结构示意图

变频器的进电端子(R/L1，S/L2，T/L3)，经不控整流（TM1，TM2，TM3）到直流DC，再经过逆变(TM4，TM5，TM6)到U/T1，V/T2，W/T3交流，实现频率变换。当低电压发生时，R/L1，S/L2，T/L3电压变低，直流母线电压随之降低，无法提供逆变模块所需要的能量，触发变频器保护。此保护为变频器内置的硬件保护，无法通过修改定值进行规避。

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其次，控制电源掉电也会造成变频器的停机。在变频器中，变频器并非独立运行，有相应的控制电路板、采样反馈系统、继电器和接触器与其配合工作，这些部件均需稳定的控制电源供电。电力系统发生低电压故障时，控制电源也会发生跌落，进而造成控制系统与继电器系统的瘫痪，变频器同样无法正常运行。

目前解决此类问题方案是：在变频器直流母线端加装SGS/VSP低电压穿越系统（GC-SGS/VSP-22M）,满足电网完全失电或晃电时，保证给粉机变频器在设计的后备时间内安全运行不停机，平稳度过失电或晃电。 5

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三、可行性方案：（选出SGS（蓄电池）低电压穿越系统（GC-SGS-22M）和VSP（装置方案）低电压穿越装置（GC-VSP-22M），从技术经济及社会效益上全面论证其先进合理性、实施可行性，对应存在问题提出解决方法，选择合适的最佳方案。灰场、构筑物其土建工程，应注意水文，地质、地形等资料收集） 方案1: SGS（蓄电池）低电压穿越系统（GC-SGS-22M） 1.系统组成 SGS（蓄电池）低电压穿越系统（GC-SGS-22M）由监控及显示单元、电压暂降保护装置、GC-MASTER主监控单元、电力监测专用软件V1.0、压差控制系统、直流配电回路、控制回路不间断电源、储能及储能管理系统等组成。 监控及显示：显示交流电源、直流输出电流、运行指示、故障指示、低电压穿越SOE记录、充电电压、单只电池电压等。 电压暂降保护装置：将蓄电池电压经过DC/DC变换将直流输出电压维持在DC500V左右，电压暂降保护装置不会对锅炉辅机变频器直流母线供电；当厂用电跌落到90%以下时，电压暂降保护装置瞬时输出，保证负载正常运行。 主监控（GC-MASTER）：PLC的作用，监控整个低电压穿越系统，监测交流输入电压、直流输出电流、低电压穿越时间、充电系统运行状况、电池电压状况等等。可与HMI触摸屏或业主DCS进行通讯，显示相关数据及报警信号并可实现与业主MFT动作联锁等。可实现整套系统的智能自检功能。 电力监测专用软件V1.0：整体系统的软件，可在触摸屏上显示所有系统的参数及对系统的具体参数值进行设置。 压差控制系统：防止形成环流和阻止负载侧的瞬间反向电压对系统的冲击。 直流配电回路：包括热磁脱扣过流保护断路器、快熔、接触器、隔离单元、放电检测等等。每个直流配电回路对应一台锅炉辅机变频器，可根据现场情况配置多个直流输出回路。 储能及储能管理系统：实现和确保电网完全失电时设备能正常工作。 2.系统工作原理 系统直流输出母线由晶闸管和直流压差控制系统控制，正常运行时与变频器完全隔离。

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电网电压跌落到90%以内时，系统不工作，处于热备用状态；当电压跌落到0%~90%范围内系统瞬时〔＜200us〕启动工作，维持变频器直流母线电压在DC490V左右，保证变频器正常运行；当电网电压恢复时，系统自动退出工作状态，转为热备用状态，变频器自动转换由电网供电；当MFT动作或变频器停止运行时，系统自动退出。 3.系统介绍： ◆ 分布式供电，模块化设计，方便安装调试； ◆ 完全后备式运行方式，加装该系统不影响原有变频系统的正常运行； ◆ 在发生低电压穿越情况时，可由该系统保持变频器在电网电压跌落为零的情况下连续正常运转； ◆ 系统最长工作时间可以根据现场情况选择相应配置； ◆ 可以设置系统实际工作时间； ◆ 在发生低电压穿越情况时，该系统由后备方式切换到在线工作方式的切换时间＜200us，保证变频连续运转； ◆ 可以扩展与炉膛安全监控系统（FSSS）联锁控制，提高供电方式安全性及锅炉运行安全性； ◆ 可以扩展与变频器的联锁控制，提高供电方式安全性及锅炉运行安全性； ◆ 系统内公司专利技术直流电源监控系统，保证系统自检功能完备，实现免维护运行； ◆ 可选用大屏幕触摸屏显示，可扩展与DCS通讯，实现远程监控； 方案2: VSP（装置方案）低电压穿越装置（GC-VSP-22M）（与四方装置功能一样） 1.系统组成 VSP（装置方案）低电压穿越装置（GC-VSP-22M）由监控及显示单元、电压升压装置、GC-MASTER主监控单元、电力监测专用软件V1.0、压差控制系统、直流配电回路、控制回路不间断电源等组成。 监控及显示：显示交流电源、直流输出电流、运行指示、故障指示、低电压穿越SOE记录等。 电压升压装置：将厂用交流电整流后经过DC/DC变换将直流输出电压维持在DC500V左右，电压升压装置不会对锅炉给粉机变频器直流母线供电；当厂用电跌落到20%-90%区间时，电压升压装置瞬时输出，保证负载正常运行。

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主监控（GC-MASTER）：PLC的作用，监控整个低电压穿越系统，监测交流输入电压、直流输出电流、低电压穿越时间状况等等。可与HMI触摸屏或业主DCS进行通讯，显示相关数据及报警信号并可实现与业主MFT动作联锁等。可实现整套系统的智能自检功能。 电力监测专用软件V1.0：整体系统的软件，可在触摸屏上显示所有系统的参数及对系统的具体参数值进行设置。 压差控制系统：防止形成环流和阻止负载侧的瞬间反向电压对系统的冲击。 直流配电回路：包括热磁脱扣过流保护断路器、快熔、接触器、隔离单元、放电检测等等。每个直流配电回路对应一台锅炉辅机变频器，可根据现场情况配置多个直流输出回路。 2.系统工作原理 系统直流输出母线由晶闸管和直流压差控制系统控制，正常运行时与变频器完全隔离。电网电压跌落到90%以外时，系统不工作，处于热备用状态；当电压跌落到20%~90%范围内系统瞬时〔＜200us〕启动工作，维持变频器直流母线电压在DC500V左右，保证变频器正常运行；当电网电压恢复时，系统自动退出工作状态，转为热备用状态，变频器自动转换由电网供电；当MFT动作或变频器停止运行时，系统自动退出。 3.系统介绍： ◆ 模块化设计，方便安装调试； ◆ 完全后备式运行方式，加装该系统不影响原有变频系统的正常运行； ◆ 在发生低电压穿越情况时，可由该系统保持变频器在电网电压跌落为20%~90%范围内的情况下连续正常运转； ◆ 可以设置系统实际工作时间； ◆ 在发生低电压穿越情况时，该系统由后备方式切换到在线工作方式的切换时间＜200us，保证变频连续运转； ◆ 可以扩展与炉膛安全监控系统（FSSS）联锁控制，提高供电方式安全性及锅炉运行安全性； ◆ 可以扩展与变频器的联锁控制，提高供电方式安全性及锅炉运行安全性； ◆ 系统内公司专利技术直流电源监控系统，保证系统自检功能完备，实现免维护运行； ◆ 可选用大屏幕触摸屏显示，可扩展与DCS通讯，实现远程监控； 8

方案1与方案2比较： 方案1的 SGS（蓄电池）低电压穿越系统（GC-SGS-22M）适用于电厂的给粉系统，由于给粉系统的变频器数量比较多，数量大多在12台以上且集中放置在一起，选用蓄电池方案的话只需要两面柜体，占地面积小，接线方便，不需要更改原来的断路器的配置，也不需要更换进线电缆;而方案2的VSP（装置方案）低电压穿越装置（GC-VSP-22M），适用于给煤系统，电厂的给煤系统都是分散布置在平台上，且数量一般在5到7台，这样选用装置方案就能够一对一的布置，且施工及敷设电缆的工程量比较小.如果在给粉系统中选用方案2一拖一的话，那么每台锅炉就需要十几套装置，这样的配置占地面积大，投入也很大；而如果选用一拖六的方案的话，投入是小了，占地面积也小了但是安全隐患却增大了：假如其中一台变频器出现短路或者故障需要维修，那么就影响到其他变频器的正常运行，再者，如果选用一拖多的话，那么原来的配电回路的电缆及断路器就需要更换大几个等级的设备。例如：一拖六的方案，变频器的额定功率为3千瓦，发生低电压穿越的时候，进线电缆所承载的电流为3（KW）×6（台）×2(倍)×5（20%Ue）=180A，这么大的电流，原来的电缆肯定承载不了，原来的断路器也没设计这么大，因此对于装置方案一拖多的安全性是很差的，危害性远大于低电压穿越所造成的后果。 再者蓄电池方案能够在交流电压为0V-90%Ue范围内保证变频器的正常运行，而装置方案只能在20%Ue-90%Ue范围内支撑变频器的正常运行，特别是石化行业里的热电厂，主要的职能是给下游的化工企业供气，如果不能彻底解决低电压穿越带来的危害，那么当电压跌落到20%Ue以下时装置方案就起不到作用，这对于热电厂来说是个相当大的损失，在2012年6月份，辽化就发生了低电压穿越造成锅炉停炉，下游化工企业断气的事故，据了解这次事故所造成的直接经济损失为9000万元，因此在今年7月份就找到我们公司订购了7套GC-SGS-22M（蓄电池）低电压穿越设备。 9

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四、工程规模和主要内容：（项目的构成和范围（子项目或分项目），站（厂）址选择，地理位置，线路路径及接线方案，改进后系统的布置，设备性能及有关参数，必要的图纸、生产准备及培训情况等）SGS或VSP低电压穿越系统（GC-SGS -22M或者 GC- VSP -22M）在现场的安装与调试按如下步骤进行。 1.设备安装就位：设备放置于给粉机变频柜附近。 2. SGS或VSP低电压穿越系统输入、输出连接电缆敷设及连接 低电压穿越设备交流电源输入端，连接至MCC配电柜输出端子；低电压穿越设备直流输出端连接至12台给粉变频器的直流端子；低电压穿越设备变频器运行信号输入端连接至12台给粉变频器的运行信号端子；低电压穿越设备的控制电源输出端连接至2台给粉变频器柜的控制电源输入端子；低电压穿越设备FSSS信号输入端连接至FSSS信号输出端子。 3. SGS或VSP低电压穿越系统完好性测试 检查设备内部主要部件的完好情况与相应连接处的安装紧固情况。 4. SGS或VSP低电压穿越系统调试 模拟给粉变频器和SGS或VSP低电压穿越系统同时失电试验，系统和变频器三相交流输入断电，由蓄电池供电。分别做单台变频器失电试验和多台变频器同时失电试验。 4.1 单台失电试验： SGS实验：同时断开系统交流进线电源开关和变频器三相交流电源开关，观察变频器工作正常，输出频率、转速是否有变化？ VSP实验：在系统交流进线电源开关增加调压器，模拟低电压穿越现象，在20%Ue（AC76V）、40%Ue(AC152V)时观察变频器工作正常，输出频率、转速是否有变化？ 4.2 多台变频器同时失电试验： SGS实验：同时断开系统交流进线电源开关及多台变频器三相交流进线电源开关，观察变频器工作正常，输出频率、转速是否有变化？ VSP实验：在系统交流进线电源开关增加变压器，模拟低电压穿越现象，在20%Ue（AC76V）、40%Ue(AC152V)时观察几台变频器工作正常，输出频率、转速是否有变化？ 如果以上实验变频器的输出频率、转速没有变化，那么SGS或VSP低电压穿越系统就达到了抗低电压穿越的作用。 10

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五、工程实施进度计划： 项目实施计划安排 （1）设备制造时间：40天 （2）工程勘测、设计时间：3天 （3）安装、调试时间10天(根据现场情况而定) （4）试运行、培训时间：2天 （5）竣工验收及结算时间：5天 11

六、投资估算及概（预）算明细表： （1）投资估算表 序号 一 方案1 方案2 二 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 名 称 主设备南京国臣报价 低电压穿越设备（SGS蓄电池方案） 低电压穿越装置（VSP装置方案） 辅助材料（6台机组）甲方供（估算） 交流进线电缆 变频器直流母线电缆 变频器运行信号电缆 变频器控制电源电缆 FSSS信号电缆 回路） GC-VSP -22M(2回路） VV3*4mm+2*2.5mm KVV4*2.5mm KVVP4*1.5mm KVV4*2.5mm KVVP4*1.5mm 222222规 格 GC-SGS -22M(12数量 单位 单价 总价 6 36 600 套 ￥550,000.00 ￥3,300,000.00 套 ￥85,000.00 米 ￥19.76 ￥3,060,000.00 ￥11,856.00 ￥9,880.00 ￥7,930.00 ￥11,856.00 ￥4,758.00 1000 米 ￥9.88 1000 米 ￥7.93 1200 米 ￥9.88 600 米 ￥7.93 （2）项目概(预)算明细表（如有多页,可另附在报告后面） 方案1: GC-SGS-22M(SGS蓄电池方案) 设备：6套SGS低电压穿越系统（GC-SGS-22M） 柜体：12面柜体（800*800*2260mm柜体6面，600*800*2260mm柜体6面） 方案2: GC-VSP-22M(VSP装置方案) 设备：36套VSP低电压穿越装置（GC-VSP-22M）一拖二 柜体：36面柜体（600*800*1600mm柜体） 12

技术更新改造项目可行性研究报告 七、预期效果：（对改造前后安全，经济运行状况，社会环境影响进行对比分析，明确改造后对于提高系统和本单位安全性，可靠性，节能降耗、环境保护等应达到的指标，从提高效益，降低成本，增加利润及对投资回收等方面进行分析） GC-SGS-22M低电压穿越设备提供的直流电源做为变频器的后备电源，充分利用了变频器的结构特点，与交流UPS供电相比，减少了交直流变换环节和蓄电池容量，提高效率，减少电气保护环节，减少投资，且有很多行业的应用案例。 GC-SGS-22M设备巧妙通过压差抑制蓄电池放电，简化控制电路和一次线路，使导通成为真正的零切换，又杜绝了因为导通模块故障引起的给粉不平衡，避免了因为导通模块阀值电压过高引起的计时不准，增加了系统的可用度。通过软件设置母线欠压保护阀值和计时，使系统工作时间精确可控。通过SIS子系统中央控制单元的软件，区分电网晃电和变频器故障，杜绝电网晃电引起的停炉，又在变频器故障或收到相关保护信号时快速撤出直流电源。控制、监测单元故障以及输入、输出端子悬空断线等，执行单元都会回到安全状态－－断开，提高系统的可靠性。系统的切换条件除欠压保护外，还可扩充过流保护、超载保护、过压保护、零序电流保护、负序电流保护、欠载保护、零序电压保护等，只需软件设置阀值即可。 对给粉机变频器加装低电压穿越系统后，给粉机变频器及其拖动系统可实现在电力系统发生短时电压跌落或失电时，输出转矩、转速、功率均不变，进而保证低电压过程中，发电机锅炉炉膛电压稳定，实现机组的稳定。避免低电压造成的发电机非计划停炉或关键设备的损坏，提高电厂整体发电的安全可靠性。 GC-VSP-22M装置相较于GC-SGS-22M设备，只是在能量的来源以及正常支撑电压的范围上有差别，GC-VSP-22M装置主要是把交流进线上的残余电压整流成直流后在升压到直流500V,提供给变频器，残余电压的最小值为20%Ue。其他在接线方式、功能的保护、变频器的改造上是一样的，都是作为变频器的后备直流电源存在的。 13

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八、风险分析： 火电厂要使用这种技术的瓶颈安全级别高。火电厂锅炉控制系统属于SIL3级，相当于AK5级。火电厂使用直流电源的关键是既要适时供电，又要紧要关头断电（FSSS保护），且断的可靠性要求更高。低电压穿越系统要和FSSS联动，要进行FSSS的逻辑运算，供应商要熟悉电厂控制系统，要有电厂的现场经验，这是直流电源厂家不能做到的。从系统安全级别入手，从断的可靠性入手该方案提供的电厂给粉机变频器低电压穿越系统，彻底解决热电厂的后顾之忧。 九、环境保护： 不会对环境造成任何影响。 14

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申报单位审查意见： 申报单位负责人： 主管科（处）负责人： 项目审核负责人： XXXX公司热电厂审查意见： 附件：（包括有关咨询文件及资料） 1、 份数 2、 份数 3、 份数 4、 份数

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