2×600 MW空冷亞臨界發(fā)電機(jī)組輔機(jī)節(jié)能改造分析及能耗計(jì)算

王建鵬

(山西省自動(dòng)化研究所，山西太原 030012)

總裝機(jī)容量為2×600 MW空冷亞臨界發(fā)電機(jī)組，機(jī)組主輔機(jī)設(shè)備若要節(jié)能，降低廠用電率，提高機(jī)組運(yùn)行效率，則需要進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化和整體協(xié)調(diào)以期實(shí)現(xiàn)機(jī)組節(jié)能降耗的目標(biāo)。

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況、設(shè)備工況的調(diào)研和評(píng)估論證，對(duì)主輔機(jī)設(shè)備采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，并且在不改變?cè)邢到y(tǒng)控制結(jié)構(gòu)體系和安全性能的基礎(chǔ)上協(xié)調(diào)原有控制技術(shù)，使主輔機(jī)的調(diào)節(jié)形成一套完整的自動(dòng)化節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組主輔機(jī)節(jié)能降耗。

1 系統(tǒng)分析

1.1 一次動(dòng)力系統(tǒng)

機(jī)組10 kV高壓母線部分主要包括A、B兩母線一次動(dòng)力系統(tǒng)。通過分析，可知10 kV母線段電源系統(tǒng)可以通過采用電壓源型結(jié)構(gòu)的高壓變頻器進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化時(shí)，可以將母線段的負(fù)載側(cè)功率因數(shù)由目前的0.6～0.82提高到0.95以上，普遍提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低電網(wǎng)和網(wǎng)側(cè)變壓器的無功損耗。

兩臺(tái)機(jī)組具備節(jié)能改造條件的主輔機(jī)設(shè)備統(tǒng)計(jì)如下，累計(jì)有效設(shè)備運(yùn)行總裝機(jī)容量50 460 kW，占機(jī)組電動(dòng)機(jī)負(fù)載裝機(jī)總?cè)萘?5.78%。預(yù)計(jì)進(jìn)行整體節(jié)能優(yōu)化后，機(jī)組10 kV一次動(dòng)力系統(tǒng)主輔機(jī)設(shè)備電耗水平可平均下降4 500 kW/h～6 000 kW/h。改造部分的增壓風(fēng)機(jī)(2×5 500 kW)、閉式水泵(2×400 kW)、輔機(jī)冷卻水泵(2×630 kW)占機(jī)組節(jié)能優(yōu)化的裝機(jī)總?cè)萘?5.9%，初步顯現(xiàn)高壓變頻節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

1.2 變頻控制系統(tǒng)

機(jī)組采用先進(jìn)的DCS控制系統(tǒng)，機(jī)、電、爐一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，鍋爐、汽機(jī)、脫硫、除塵等主系統(tǒng)均由下屬的各子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)又分別形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的自控單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體平衡和穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)發(fā)電負(fù)荷發(fā)生變化單臺(tái)主輔機(jī)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，需要聯(lián)動(dòng)汽機(jī)鍋爐負(fù)荷側(cè)設(shè)備作出相應(yīng)調(diào)整，嚴(yán)重時(shí)需要進(jìn)行設(shè)備保護(hù)和聯(lián)調(diào)動(dòng)作。變頻節(jié)能改造，不僅是要從三項(xiàng)能耗指標(biāo)入手，更重要的是需要在進(jìn)行改造時(shí)，不破壞現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和安全防護(hù)體系，采用同等原則進(jìn)行運(yùn)行模式和設(shè)備變化的調(diào)整和協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時(shí)又保障機(jī)組運(yùn)行安全和穩(wěn)定性能。

根據(jù)一次動(dòng)力系統(tǒng)的分析，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行工藝流程，該機(jī)組中能夠進(jìn)行工況調(diào)節(jié)的設(shè)備主要涉及:鍋爐側(cè)的引風(fēng)控制系統(tǒng)、磨煤機(jī)負(fù)荷調(diào)整系統(tǒng)，汽機(jī)側(cè)的凝汽器凝結(jié)水系統(tǒng)和輔機(jī)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，以及脫硫系統(tǒng)的煙氣控制系統(tǒng)、吸收系統(tǒng)、灰漿輸送系統(tǒng)等，主要輔機(jī)設(shè)備基本上均與機(jī)組的子系統(tǒng)穩(wěn)定性有關(guān)。進(jìn)行變頻節(jié)能優(yōu)化，需要滿足以下幾方面要求:

(1)采用變頻調(diào)速技術(shù)后，既有控制對(duì)象不變，控制目標(biāo)不變。

(2)沒有調(diào)節(jié)對(duì)象的需要在進(jìn)行機(jī)組節(jié)能改造后，與子系統(tǒng)的工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)，從而達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)的目的。

(3)在運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與開度，工頻與變頻之間的無擾切換。

(4)系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障跳閘時(shí)，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)變工況調(diào)整。避免機(jī)組降負(fù)荷停機(jī)等影響機(jī)組安全的事故發(fā)生。

(5)在改變被控對(duì)象后，必須保證調(diào)節(jié)品質(zhì)不低于現(xiàn)行運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

(6)實(shí)現(xiàn)機(jī)組內(nèi)各子系統(tǒng)間的工況聯(lián)動(dòng)、子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備間的變工況聯(lián)動(dòng)，以保障最大限度的穩(wěn)定。

2 系統(tǒng)優(yōu)化方案

通過對(duì)現(xiàn)有機(jī)組現(xiàn)有主輔機(jī)設(shè)備10 kV高壓動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)組生產(chǎn)工藝、自動(dòng)化控制水平、DCS現(xiàn)狀等情況的具體研究、分析，以“先保證系統(tǒng)安全可靠，結(jié)構(gòu)合理，提供最佳性價(jià)比方案”的原則，對(duì)機(jī)組的一次系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行變頻節(jié)能改造整體系統(tǒng)架構(gòu)的方案設(shè)計(jì)論證。

2.1 一次動(dòng)力系統(tǒng)方案

通過對(duì)一次系統(tǒng)的分析，結(jié)合主輔機(jī)設(shè)備負(fù)載運(yùn)行工況和控制工藝的工況需求，需要對(duì)以下設(shè)備采取高壓變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，使負(fù)載功耗能夠跟隨機(jī)組發(fā)電負(fù)荷情況自動(dòng)調(diào)整，提高負(fù)載設(shè)備的效率，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行工況，達(dá)到節(jié)能的目的。

通過對(duì)一次系統(tǒng)的分析，結(jié)合脫硫系統(tǒng)增壓風(fēng)機(jī)設(shè)備負(fù)載運(yùn)行工況和控制工藝的需求，采用變頻調(diào)速技術(shù)后，增壓風(fēng)機(jī)的負(fù)載功耗能夠跟隨機(jī)組發(fā)電負(fù)荷情況自動(dòng)調(diào)整，提高負(fù)載設(shè)備的運(yùn)行效率，優(yōu)化運(yùn)行工況，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

2.2 變頻節(jié)能控制系統(tǒng)方案

通過對(duì)現(xiàn)有機(jī)組DCS的分析，結(jié)合機(jī)組變頻節(jié)能優(yōu)化的應(yīng)用特點(diǎn)，該系統(tǒng)需要在DCS提供控制端口、運(yùn)行方式和控制策略，以期實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的控制，達(dá)到節(jié)能和優(yōu)化系統(tǒng)的目的。以脫硫增壓風(fēng)機(jī)控制方案為例，根據(jù)脫硫系統(tǒng)的工藝要求和控制需求，在現(xiàn)有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)改造所需完成的各項(xiàng)功能。主要設(shè)備包括:HARSVERT-A10/400高壓變頻器2臺(tái)、高壓隔離開關(guān)6臺(tái)、10 kV母線高壓開關(guān)柜2臺(tái)。

采用HCU技術(shù)設(shè)計(jì)的高壓變頻控制系統(tǒng)將高壓變頻器、旁路切換裝置、高壓開關(guān)等有關(guān)的設(shè)備整合為一種驅(qū)動(dòng)設(shè)備。對(duì)于DCS而言，可實(shí)現(xiàn)工頻、變頻運(yùn)行方式的切換，以及控制轉(zhuǎn)速還是控制擋板、閥門的調(diào)節(jié)對(duì)象切換問題;控制風(fēng)機(jī)啟停，實(shí)現(xiàn)其負(fù)荷率隨機(jī)組負(fù)荷調(diào)整。

3 節(jié)能收益計(jì)算及回報(bào)

下面以脫硫增壓風(fēng)機(jī)為例預(yù)算。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)數(shù)據(jù)

(1)發(fā)電機(jī)組容量:600 MW

(2)年運(yùn)行時(shí)間:以6 850 h計(jì)算

(3)電價(jià):0.315元/kWh

3.2 工頻狀態(tài)下年耗電量計(jì)算［1］

Pd:電動(dòng)機(jī)功率;d:電動(dòng)機(jī)效率;U:電動(dòng)機(jī)輸入電壓;

cosφ:功率因數(shù)。

計(jì)算公式:

累計(jì)年耗電量公式:

Cd:年耗電量值;T:年運(yùn)行時(shí)間;δ:單負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間百分比。

各負(fù)荷電動(dòng)機(jī)實(shí)際功耗計(jì)算值見表1。

表1 電動(dòng)機(jī)實(shí)際功耗

年累計(jì)工頻耗電量:Cd=25 994 709 kWh

3.3 變頻狀態(tài)下年耗電量計(jì)算

計(jì)算依據(jù):(1)風(fēng)機(jī)設(shè)備屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系:Q∝n，H∝n，P∝n;即，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方正比。即:

H＇變頻時(shí)風(fēng)機(jī)的壓力;H0額定壓力;Pdn額定功率;Pb變頻功率。

(2)Pd′:電動(dòng)機(jī)軸功率;P:風(fēng)機(jī)軸功率;d:電動(dòng)機(jī)效率;f:變頻器實(shí)際效率;Q:流量;H:風(fēng)壓;λ:風(fēng)機(jī)特性系數(shù)。

由于風(fēng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)軸直接連接，則傳動(dòng)效率為1;

風(fēng)機(jī)軸功率:

電動(dòng)機(jī)功率:

由上述公式(4)(5)(6)可推理得出:

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況，推導(dǎo)預(yù)期100%開度情況的提供風(fēng)壓4 350 Pa、網(wǎng)側(cè)功率6 450 kW。

經(jīng)過計(jì)算各設(shè)備進(jìn)行變頻改造后功率如表2。

表2 各功率段變頻改造后功率

年累計(jì)變頻耗電量:Cd=22 082 634 kWh

3.4 節(jié)能收益計(jì)算

根據(jù)公式:ΔC=Cd－Cb

節(jié)電率=(ΔC/Cd)×100%(見表3)。

表3 各功率段節(jié)電量

按照2009年的運(yùn)行工況，累計(jì)年運(yùn)行時(shí)間6 850 h，平均節(jié)電率17.1%，年節(jié)電量391.2萬kWh。節(jié)約電量若以發(fā)電成本計(jì)算，則每年可節(jié)約發(fā)電成本:

391.2 ×0.315=123.23 萬元。

4 結(jié)束語

根據(jù)以上對(duì)按照機(jī)組輔機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行節(jié)能改造后，在現(xiàn)有運(yùn)行工況不發(fā)生改變的前提下，預(yù)期改造后增壓風(fēng)機(jī)節(jié)電率在17.1%以上，節(jié)約的成本非?？捎^，為了使企業(yè)順利開展節(jié)能技術(shù)改造，零風(fēng)險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造利益最大化，節(jié)能設(shè)備制造商以設(shè)備作價(jià)對(duì)節(jié)能改造企業(yè)進(jìn)行投資，通過節(jié)能收益獲得投資回報(bào)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能技改企業(yè)和節(jié)能設(shè)備制造企業(yè)的共贏發(fā)展。

［1］劉軍祥.100 MW機(jī)組給水系統(tǒng)高壓變頻改造可行性研究［J］.變頻器世界，2006(8):53－57.