包鋼熱電廠風(fēng)機變頻改造研究范文

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《包鋼科技雜志》2016年第3期

摘要:

文章針對變頻技術(shù)在包鋼熱電廠的實際運用，分析了變頻調(diào)速在實際運行中的節(jié)能效果、變頻改造需要解決的關(guān)鍵技術(shù)以及風(fēng)機在低速運行中喘振對變頻調(diào)速的影響以及最佳節(jié)能的解決方法，為變頻技術(shù)在各行業(yè)廣泛運用提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞:

電廠風(fēng)機;變頻改造;節(jié)能

火力發(fā)電廠中的各種動力設(shè)備中，風(fēng)機、水泵類負(fù)載占絕大部分，大部分采用拖動電動機，其中95%左右為交流異步電動機直接拖動，恒速運行。目前調(diào)節(jié)流量的方法多為節(jié)流閥調(diào)節(jié)，由于這種調(diào)節(jié)方法僅僅是改變了通道的通流阻抗，而驅(qū)動源的輸出功率并沒有改變，浪費了大量能源。尤其現(xiàn)在電力行業(yè)改革不斷深化，市場競價愈加激烈，各電廠急切需要降低廠用電率、降低發(fā)電成本提高競爭力。隨著變頻技術(shù)的逐步成熟，高壓風(fēng)機變頻改造技術(shù)較好地解決了風(fēng)機運行中出現(xiàn)裕量過大等一系列問題。

1行業(yè)現(xiàn)狀

1．1鍋爐風(fēng)機調(diào)速運行常用方案

①變頻器技術(shù);

②加裝液力偶合器裝置;

③采用雙速交流電動機;

④直流電動機驅(qū)動;

⑤繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串級調(diào)速。以前三項技術(shù)為主。其中第三方案(采用雙速交流電動機)由于在運行中調(diào)速范圍窄，操作困難大等問題，投入率較低。而變頻器技術(shù)的應(yīng)用目前通過運行比較和測試，節(jié)電效果比較顯著，是近年大力推廣的節(jié)電改造技術(shù)。

1．2風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能分析

風(fēng)機是流體機械，由流體動力學(xué)可知，流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，揚程H與轉(zhuǎn)速n2成正比，電機功耗P與轉(zhuǎn)速n3成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速ne降為n時，流量由額定值Qe降至Q，與額定功耗Pe相比較，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時電機的功耗為:P=(n/ne)3Pe［1］。如果流量Qe由100%降到50%，則轉(zhuǎn)速ne由100%降到50%，揚程H降到25%，而電機的功耗降到12.5%Pe，即節(jié)約電能87.5%Pe。即使扣除擋板調(diào)節(jié)時的功耗與額定功耗的差、轉(zhuǎn)速下降可能會引起電機的效率下降等因素，節(jié)電效果也是非常顯著的。

2包鋼熱電廠實例

包鋼熱電廠8#鍋爐甲乙送風(fēng)機變頻器采用的高壓變頻器，可用于驅(qū)動額定電壓6kV額定功率630kW額定電流小于77A一般負(fù)載的高壓異步電動機。

2．1工作原理

電機的轉(zhuǎn)速滿足如下的關(guān)系式:n=(1－s)60f/p=n0×(1－s)其中:p為電機極對數(shù);f為電機運行頻率;s為轉(zhuǎn)差率。從式中看出，電機的同步轉(zhuǎn)速n。正比于電機的運行頻率(n0=60f/p)，由于轉(zhuǎn)差率s一般情況下比較小(0～0.05)，電機的實際轉(zhuǎn)速n約等于電機的同步轉(zhuǎn)速n0，所以調(diào)節(jié)了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉(zhuǎn)速［2］。電機的轉(zhuǎn)差率s和負(fù)載有關(guān)，負(fù)載越大則轉(zhuǎn)差率增加，所以電機的實際轉(zhuǎn)速還會隨負(fù)載的增加而略有下降。高壓變頻器是采用若干個低壓PMW變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。工作原理是6kV電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電。功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PMW電壓型逆變器結(jié)構(gòu)，與相鄰功率單元的輸出端串聯(lián)起來形成Y連接，實現(xiàn)高壓變頻的高壓直接輸出，以供給高壓電動機。

2．2變頻器電氣系統(tǒng)配置

變頻器有兩種工作狀態(tài):變頻運行狀態(tài)、工頻運行狀態(tài)。變頻器正常時處于變頻運行狀態(tài)，異常時處于工頻運行狀態(tài)，因此必然涉及變頻狀態(tài)和工頻狀態(tài)之間的切換方式問題。切換方式也包括兩種:自動切換方式、手動切換方式。考慮到鍋爐一次風(fēng)壓穩(wěn)定對于機組安全運行的重要性及其它電廠一次風(fēng)機變頻改造的經(jīng)驗，決定采用手動旁路系統(tǒng)。變頻器的電氣系統(tǒng)配置見圖1。QF為一次風(fēng)機原6kV斷路器，QS1、QS2、QS3為手動刀閘。當(dāng)QS1、QS2同時閉合、QS3斷開時表示:“變頻位”;當(dāng)QS1、QS2同時斷開、QS3閉合時表示:“工頻位”;變頻位和工頻位之間的閉鎖由就地機械裝置來保證。變頻位和工頻位只是上述開關(guān)狀態(tài)的表示，并不表示風(fēng)機已處于相應(yīng)的運行狀態(tài)。只有當(dāng)風(fēng)機處于“變頻位”狀態(tài)，且6kV斷路器QF閉合后，才表示風(fēng)機處于“變頻運行”狀態(tài);同理只有當(dāng)風(fēng)機處于“工頻位”狀態(tài)，且6kV斷路器QF閉合后，才表示風(fēng)機處于“工頻運行”狀態(tài)。

2．3結(jié)構(gòu)布置

高壓變頻器由變壓器柜、控制/單元柜、開關(guān)柜三部分組成。三相高壓電經(jīng)高壓開關(guān)柜進(jìn)入，通過降壓變壓器、移相給功率單元柜內(nèi)的功率單元供電，功率單元分為三組，一組為一相，每相的功率單元的輸出首尾相串。主控制柜中的控制單元通過光纖對功率柜中的每一功率單元進(jìn)行整流、逆變控制與檢測，這樣根據(jù)實際需要通過操作界面進(jìn)行頻率的給定，控制單元把控制信息發(fā)送到功率單元進(jìn)行相應(yīng)得整流、逆變調(diào)整，輸出滿足負(fù)荷需求的電壓等級。

2．4節(jié)能效果

2．4．1節(jié)能效果的同年對比

改造前，一季度鍋爐兩臺送風(fēng)機電機的電耗總計為782880kW•h，平均單月耗電260960kW•h。改造后，同年6月份兩臺送風(fēng)機電機的電耗總計為134520kW•h時，比一季度平均單月節(jié)電126440kW•h，節(jié)電率為48.5%。

2．4．2節(jié)能效果的同期對比

同比上一年6月份鍋爐兩臺送風(fēng)機電機的電耗總計為277080kW•h，節(jié)電142560kW•h，節(jié)電率達(dá)51.5%。從以上三個方面看出，變頻改造完成后，兩臺送風(fēng)機的節(jié)電效果非常明顯，忽略鍋爐每年4～6天的檢修時間，按兩臺風(fēng)機單月節(jié)電126440kW•h算，則全年節(jié)電126440×12=1517280kW•h，以每kW•h電0.36元計算，每年節(jié)約電費約1517280×0.36=54.6萬元。

3改造方案應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)

3．1變頻器相關(guān)問題

對鍋爐風(fēng)機進(jìn)行變頻器改造，必須考慮變頻器的特性是否滿足燃燒工況的要求，同時在技術(shù)上必須解決下列問題，以免帶來投資損失。

(1)鍋爐的安全運行是全廠動力的根本保證，雖然變頻調(diào)速裝置可靠，但一旦出現(xiàn)問題，必須確保鍋爐的安全供給，所以，必須實現(xiàn)工頻—變頻運行的切換。

(2)鍋爐風(fēng)機的拖動電機功率一般較大，對于大功率的風(fēng)機，可能存在扭曲共振，運行中一旦發(fā)生共振，將嚴(yán)重?fù)p壞風(fēng)機和拖動電機，所以，必須計算風(fēng)機—電機連接軸系扭振臨界轉(zhuǎn)速，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施。

(3)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由于調(diào)速范圍大，如果變頻器長時間運行在1/2工頻以下，則電機發(fā)熱成為突出問題，一方面是由于電機自冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速低而失效，另一方面是諧波引起的損耗發(fā)熱，如果出現(xiàn)這種情況，必須對電機采取強迫風(fēng)冷等措施。

(4)如果采用工頻—變頻自動切換，則電機由變頻切至工頻運行時，必須延時一定時間(一般5s)后定速接觸器才自行合閘，以防操作過電壓。當(dāng)電機由工頻切換至變頻運行時，必須同樣延時一定時間(一般10s)后變速接觸器才自行合閘，以防感應(yīng)電勢損壞變頻器功率元件。(目前還沒實現(xiàn))。

(5)變頻器調(diào)節(jié)控制部分和電機電源控制部分要求最好集中布置，以便運行中事故處理和開、停機操作。

(6)變頻器常用的保護(hù)檢驗要準(zhǔn)確。要有制動裝置，啟動時防止倒轉(zhuǎn)功能。

3．2一次風(fēng)機變頻后的“搶風(fēng)”問題

通過對一次風(fēng)機結(jié)構(gòu)和工作特性的研究可知風(fēng)機具有明顯的馬鞍形特征。在風(fēng)機性能曲線的左半部具有一個馬鞍形區(qū)域，在此區(qū)段內(nèi)運行有時會出現(xiàn)流量大幅度脈動等不正常情況，即出現(xiàn)“喘振”問題。而喘振僅僅是不穩(wěn)定工況區(qū)內(nèi)可能遇到的現(xiàn)象之一，在該區(qū)域內(nèi)還會出現(xiàn)不正常的零氣動力工況，這便是旋轉(zhuǎn)“失速”現(xiàn)象。風(fēng)機在不穩(wěn)定工況區(qū)運行時，還可能發(fā)生流量、全壓和電流的大幅度波動，氣流會發(fā)生往復(fù)流動，產(chǎn)生強烈振動，這就是通常提到的“搶風(fēng)”。鍋爐一次風(fēng)機改為變頻調(diào)速后，兩臺風(fēng)機并列運行，就非常容易發(fā)生“搶風(fēng)”現(xiàn)象，威脅風(fēng)機及整個系統(tǒng)的安全性。下面針對兩臺風(fēng)機的運行工況進(jìn)行分析說明。如圖2所示，如果風(fēng)機參數(shù)選擇適當(dāng)，運行時操作正確，兩臺風(fēng)機并聯(lián)運行時的風(fēng)道性能曲線Ⅳ與風(fēng)機并聯(lián)合成性能曲線Ⅲ交于點1，則每臺風(fēng)機將在點1'工作，風(fēng)機在此工況下工作是穩(wěn)定的，不會出現(xiàn)“搶風(fēng)”現(xiàn)象。如果風(fēng)機工作不當(dāng)，風(fēng)道性能曲線Ⅴ與風(fēng)機合成性能曲線Ⅲ交于點2與點3，落在∞字形區(qū)域內(nèi)工作，則風(fēng)機工作點可能是點2或點3。如果兩臺風(fēng)機的風(fēng)道阻力稍有差別，或者風(fēng)道系統(tǒng)中風(fēng)量稍有變動，其結(jié)果是風(fēng)機處于點3并聯(lián)工作，此時兩臺風(fēng)機工作點分別是點3'和點3″運行。其中點3'工作風(fēng)機風(fēng)量大且在穩(wěn)定區(qū)工作，而另一臺在點3″工作的風(fēng)機的風(fēng)量小，且工作點落在不穩(wěn)定工況區(qū)內(nèi)。這樣兩臺性能相同的風(fēng)機輸送的流量穩(wěn)定在點2上，兩臺風(fēng)機尚能運行，但是兩臺風(fēng)機分別在點3'和點3″工作的狀況不是穩(wěn)定不變的，這兩臺風(fēng)機的工作點會發(fā)生互換出現(xiàn)了“搶風(fēng)”。風(fēng)機在此工況下工作，嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)一臺風(fēng)機的風(fēng)量大，另一臺風(fēng)機則產(chǎn)生倒流。因此，在兩臺風(fēng)機并聯(lián)運行時，為避免搶風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生，就應(yīng)當(dāng)采取措施避免風(fēng)機的工作點落在∞字形區(qū)域內(nèi)［3］。鍋爐一次風(fēng)機變頻改造后，風(fēng)機在低負(fù)荷運行時的工作點離不穩(wěn)定區(qū)(左邊界)較近，導(dǎo)致機組在低負(fù)荷區(qū)間運行時，出現(xiàn)兩臺一次風(fēng)機“搶風(fēng)”即風(fēng)機的并列困難;通過兩臺一次風(fēng)機的快速協(xié)調(diào)平衡系統(tǒng)，對運行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，降低系統(tǒng)一次風(fēng)壓、改變系統(tǒng)通風(fēng)量，“搶風(fēng)”問題得到解決。

3．3防喘振控制思想

圖3給出了風(fēng)機在不同轉(zhuǎn)速下的特性曲線，可以看出轉(zhuǎn)速不同，相應(yīng)的駝峰點和駝峰流量也不同。轉(zhuǎn)速越低，駝峰點越向左移，駝峰流量越小，把不同轉(zhuǎn)速下的駝峰點連接起來，就構(gòu)成了一條曲線，曲線右側(cè)為穩(wěn)定工作區(qū)，曲線左側(cè)為不穩(wěn)定區(qū)。我們把駝峰流量為極限流量的駝峰點連接曲線稱之為喘振搶風(fēng)極限線。顯然，只要在任何轉(zhuǎn)速下，能控制風(fēng)機的流量，使其大于極限流量，則風(fēng)機便不會發(fā)生搶風(fēng)問題，這就是防喘防搶控制的基本思想。考慮到吸入氣體的狀態(tài)，如壓力、溫度、密度及系統(tǒng)風(fēng)量、風(fēng)壓變化等都會引起風(fēng)機特性曲線的變化，因此應(yīng)考慮一定的安全容量，確保實際工作點不會太靠近不穩(wěn)定區(qū)極限，以避免發(fā)生搶風(fēng)喘振事故。在一次風(fēng)系統(tǒng)中采用“調(diào)速－比例調(diào)門法”比較適合電廠安全和節(jié)能需要。變頻協(xié)調(diào)控制單元將變頻節(jié)能與防喘振協(xié)調(diào)控制。根據(jù)一次風(fēng)系統(tǒng)的要求，風(fēng)機流量波動時維持出口壓力在某一定值范圍內(nèi)，因此取出口壓力P1，送入變頻節(jié)能與防喘振控制器中，由壓力變送器，協(xié)調(diào)控制器，高壓變頻器，電動機和風(fēng)機構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過不斷地參與風(fēng)機轉(zhuǎn)速自動調(diào)整，來達(dá)到穩(wěn)定出口壓力的目的。圖4給出了兩條典型的安全操作線，其中安全操作線1為固定流量安全操作線控制，安全操作線2為一條與喘振極限線相似的曲線，其流量比喘振極限流量大5%～15%，解決了轉(zhuǎn)速較低時安全操作線1存在的耗能問題，是一個最節(jié)能的安全控制方式。

3．4一次風(fēng)機RB時變頻器過負(fù)荷保護(hù)動作防范當(dāng)一次風(fēng)系統(tǒng)變頻器故障不能連續(xù)運行時，會觸發(fā)機組RB功能動作。若系統(tǒng)處理不當(dāng)或反應(yīng)不及時，最終將會引起機組跳閘。結(jié)合鍋爐一次風(fēng)機RB分析，主要有以下幾方面的原因會導(dǎo)致一次風(fēng)機變頻器過負(fù)荷保護(hù)動作:

(1)一次風(fēng)機RB工況初期，系統(tǒng)通風(fēng)量過大，在單點壓力情況下，流量超標(biāo)引起變頻器過負(fù)荷;

(2)一次風(fēng)機RB工況初期，風(fēng)機的運行工況嚴(yán)重偏離高效點，運行效率極低;

(3)一次風(fēng)機性能曲線陡峭，駝峰型特性明顯，效率低。

3.5防止一次風(fēng)機變頻器過負(fù)荷保護(hù)動作的措施

(1)一次風(fēng)變頻器的設(shè)計過程中提供負(fù)荷限制功能，防止變頻器過負(fù)荷保護(hù)動作跳閘;

(2)優(yōu)化RB時一次風(fēng)系統(tǒng)邏輯。

4結(jié)束語

高壓變頻調(diào)速控制作為一種新型實用的調(diào)速方法，其性能優(yōu)于其它調(diào)速方式，是現(xiàn)代化大型電廠廣泛采用的一種節(jié)能控制手段。包鋼熱電廠8#、9#爐風(fēng)機變頻改造促進(jìn)了企業(yè)經(jīng)濟效益的明顯提高，并且它以高性能、高可靠性和調(diào)節(jié)的靈活性以及操作的簡便性得到了普遍認(rèn)可。

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作者:劉智光 單位:包鋼(集團)公司辦公廳