高壓變頻調(diào)速控制在石油企業(yè)自備熱電廠中節(jié)能分析

紀(jì)永勝

(遼河石油勘探局電力集團(tuán)公司熱電廠，遼寧 盤錦 124022)

1 引言

石油企業(yè)自備熱電廠擔(dān)負(fù)著發(fā)電、供電、供暖方面的生產(chǎn)生活保障任務(wù)。隨著油田的開發(fā)建設(shè)，各種負(fù)荷的增加，自備熱電廠也在不斷地?cái)U(kuò)建，然而目前熱電廠的主要用電設(shè)備如一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、給水泵、給煤機(jī)、冷渣機(jī)等耗能設(shè)備耗電量很大，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率不能隨機(jī)組負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成很大部分能量消耗在節(jié)流損失中。目前的調(diào)節(jié)方法如下:一是通過改變擋板和閥門開度來實(shí)現(xiàn)，這種情況下風(fēng)機(jī)和水泵必須滿功率運(yùn)行，不僅效率低而且設(shè)備損壞快;二是通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的方法是電磁轉(zhuǎn)差離合器，如加濕機(jī)、冷渣機(jī)、給煤機(jī)等皮帶傳送類負(fù)荷，和液力偶合器如風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)荷，這種方法存在效率低，精度差，存在嚴(yán)重非線性和運(yùn)行不可靠的缺點(diǎn)。

石油企業(yè)自備熱電廠輔機(jī)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電機(jī)多為6kV高壓大功率電機(jī)，解決上述問題就要利用高壓變頻技術(shù)對(duì)這些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行變頻改造，這不僅克服了執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液力偶合器等設(shè)備非線性嚴(yán)重、純遲延大等難以控制的問題，還具有效率高、調(diào)節(jié)精度好、運(yùn)行可靠和自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，是石油企業(yè)自備熱電廠提高經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要途徑。

2 變頻調(diào)節(jié)節(jié)能原理分析

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f、轉(zhuǎn)差率s、電機(jī)極對(duì)數(shù)p三個(gè)參數(shù)有關(guān):

由此可見，變頻調(diào)速是通過改變電源頻率f來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的，并且n與f為線性關(guān)系，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬。

2.1 擋板/閥門調(diào)節(jié)改為變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能原理

改造前的流量調(diào)節(jié)通過改變閥門或擋板開度來實(shí)現(xiàn)。這種情況下，電機(jī)總是處于全速運(yùn)行狀態(tài)，但實(shí)際上機(jī)組負(fù)荷需要不斷調(diào)整。因此，這種方法存在嚴(yán)重的節(jié)流損失。

對(duì)于泵和風(fēng)機(jī)，由流體動(dòng)力學(xué)理論可知，流體流量與泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一次方成正比:

其中Q、n分別表示流量和轉(zhuǎn)速。泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速二次方成正比，而其功率P則與轉(zhuǎn)速三次方成正比，即:

上述各式中腳標(biāo)“0”均表示額定工況。

轉(zhuǎn)速降低時(shí)，電機(jī)的能耗將以其三次方的速率下降，因此變頻調(diào)速的節(jié)電效果非常顯著。

2.2 電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力偶合器調(diào)速改變頻調(diào)速的節(jié)能原理

鍋爐的給煤、排查系統(tǒng)的冷渣機(jī)及其他許多地方都采用傳統(tǒng)的滑差電機(jī)進(jìn)行控制即電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速方式。電磁轉(zhuǎn)差離合器由主動(dòng)部分電樞和從動(dòng)部分感應(yīng)子兩部分組成。電樞與感應(yīng)子存在0.5mm左右的氣隙。其調(diào)速功能是通過調(diào)節(jié)感應(yīng)子勵(lì)磁電流的大小，改變氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度B，從而改變感應(yīng)子從動(dòng)軸的電磁轉(zhuǎn)矩M來實(shí)現(xiàn)的，其關(guān)系式為:

式中，B為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度;L為電樞有效長(zhǎng)度;R為電樞平均半徑;ZP為一個(gè)磁極下渦流路徑上的等效阻抗;P為感應(yīng)子磁極對(duì)數(shù);ω1為電樞旋轉(zhuǎn)角速度;ω2為感應(yīng)子旋轉(zhuǎn)角速度。

電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流后的機(jī)械特性見圖1?？梢?，在某一恒定轉(zhuǎn)矩M下，勵(lì)磁電流發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)速?gòu)膎b變到na，調(diào)速范圍很小，且非線性嚴(yán)重，勵(lì)磁電流損失都轉(zhuǎn)化為熱耗。

圖1 電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速機(jī)械特性

電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速常用于低壓電機(jī)中，高壓電機(jī)領(lǐng)域中傳統(tǒng)的調(diào)速方式是采用液力偶合器。這種方法調(diào)速能耗大、效率極低，其原因是存在嚴(yán)重的耦合損失和轉(zhuǎn)差損失。耦合損失是由于液壓油內(nèi)摩擦造成的，轉(zhuǎn)差損失是由于調(diào)速時(shí)輸出軸與輸入軸存在轉(zhuǎn)速差造成的，這種損失隨轉(zhuǎn)速差的增加而上升，即η效率=1－s，其中s為轉(zhuǎn)差率，兩部分損失最終都變成熱損失。此外，這種調(diào)速方法還有如下缺點(diǎn):一是受執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液壓機(jī)構(gòu)限制，調(diào)速精度差，同時(shí)還存在嚴(yán)重非線性，只在15% ～85%之間是調(diào)節(jié)線性區(qū)，即使在這區(qū)間仍存在增速與減速間逆差間隙，造成自動(dòng)系統(tǒng)很難投入運(yùn)行;二是運(yùn)行不可靠，國(guó)內(nèi)已有多起由于液力偶合器葉片破損造成事故的先例，其主要原因是偶合器制造精度難以提高。另外，采用該調(diào)速方法需要一整套油系統(tǒng)，維護(hù)工作量很大。

上述兩種方法改為變頻調(diào)速后，理論上調(diào)速范圍為0%～100%，且線性度很好。變頻設(shè)備本身的電子損耗很低，因而無論在輕載還是滿載都有很高的效率。此外其運(yùn)行可靠性、調(diào)節(jié)精度及線性度都是以前各種調(diào)速方法無法相比的。

3 傳統(tǒng)流量控制方法與變頻控制的能耗比較

下面以水泵為例，比較閥門控制和變頻控制的能耗情況。

閥門控制流量時(shí)水泵壓力與流量的關(guān)系如圖2所示。

圖2 閥門/就頻器控制下的水泵壓力與流量關(guān)系

可見，曲線BD、CE分別為不同轉(zhuǎn)速下水泵的壓力流量關(guān)系，BF、AF為不同的管網(wǎng)阻力曲線。系統(tǒng)消耗有效功率的大小反映于管網(wǎng)阻力曲線上的壓力H和流量Q的乘積，而泵的輸出功率大小反映于水泵特性曲線上的H和Q的乘積，A為額定工作點(diǎn)。η1、η2分別為水泵在轉(zhuǎn)速n1、n2下的效率曲線，水泵在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在額定流量時(shí)獲得最大效率。閥門開度減小時(shí)，受其節(jié)流作用，泵后管網(wǎng)流動(dòng)阻力增加，水泵運(yùn)行點(diǎn)沿恒轉(zhuǎn)速曲線BD的A點(diǎn)上升到B點(diǎn)，使泵出口壓力升高，流量減少。同時(shí)，水泵的工作效率沿曲線η1從最高點(diǎn)下降到M點(diǎn)。此時(shí)耗電量減少不多而效率下降較大。如通過閥門控制流量從100%減少到70%時(shí)，出口壓力H將由100%增到110%，總效率η由0.98降為0.80，由泵的軸功率公式可得，能耗只減少(100% ×100%)/0.98－(70% ×10%)/0.8≈5%。而通過變頻技術(shù)控制流量時(shí)，由于閥門全開，只改變水泵轉(zhuǎn)速而不改變泵后管網(wǎng)阻力，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其壓力/流量曲線下移，運(yùn)行點(diǎn)將由A點(diǎn)沿恒管網(wǎng)阻力曲線AF降到C點(diǎn)，即水泵流量減少，出口壓力降低，同時(shí)其效率曲線隨轉(zhuǎn)速的改變由η1移到η2，水泵始終工作在最大效率附近，其節(jié)省能耗如圖2陰影部分所示?？梢姡ㄟ^變頻控制流量同樣從100%減少到70%時(shí)，出口壓力降低到55%，總效率基本維持不變，能耗卻可減少(100% ×100%)/0.98－(70% ×55%)/0.98≈60%。

圖3 不同控制方式下風(fēng)機(jī)能耗特性

對(duì)于風(fēng)機(jī)，利用擋板等傳統(tǒng)流量控制方式與變頻器控制的節(jié)電比較如圖3所示。可見，采用變頻調(diào)速裝置調(diào)節(jié)流量時(shí)，風(fēng)機(jī)消耗的功率幾乎是理論最低耗能值。在風(fēng)量為60%時(shí)擋板控制消耗電機(jī)額定功率的約85%，液力偶合器控制消耗約45%，而變頻控制只消耗約25%。

4 應(yīng)用實(shí)例與效益分析

我廠擁有兩臺(tái)240t/h循環(huán)流化床鍋爐，每臺(tái)鍋爐配套一臺(tái)一次風(fēng)機(jī)、一臺(tái)二次風(fēng)機(jī)、兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)及配套電機(jī)型號(hào)分別為:

一次風(fēng)機(jī)GF－35No.18D容量48.3m3/s

一次風(fēng)機(jī)電機(jī)YKK500－4功率1000kW電壓6000V電流117A

二次風(fēng)機(jī)G5－54No.16.5D容量49.24m3/s

二次風(fēng)機(jī)電機(jī)YKK450－4功率710kW電壓6000V電流82A

引風(fēng)機(jī)(2臺(tái))Y5－54No.21.5F容量69m3/s

引風(fēng)機(jī)電機(jī)(2臺(tái))YKK450－6功率450kW電壓6000V電流56A

改造為變頻調(diào)速控制以后，以改造前后鍋爐負(fù)荷同樣為230t/h為例，主要參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1

4.1 直接經(jīng)濟(jì)效益分析

240t/h循環(huán)流化床鍋爐是電力集團(tuán)公司熱電廠的主力鍋爐，根據(jù)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，鍋爐全年的平均負(fù)荷為230t/h，隨著鍋爐維護(hù)水平的提高和資金投入的加大，近幾年年實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為6500～7500h，以年平均運(yùn)行7000h計(jì)算，電價(jià)按0.387/kWh，則全年節(jié)電:

一次風(fēng)機(jī):

(65－53)×6000×0.9/1000×7000×0.387=17.55萬元

二次風(fēng)機(jī):

(56－48)×6000×0.9/1000×7000×0.387=11.7萬元

引風(fēng)機(jī):

(45－40)×6000×0.9/1000×7000×0.387=7.31萬元

兩臺(tái)鍋爐全年節(jié)約電費(fèi):

(17.55+11.7+7.31×2)×2=87.74萬元

可見，變頻調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。

4.2 間接經(jīng)濟(jì)效益

改用變頻調(diào)速后間接經(jīng)濟(jì)效益如下:(1)功率因數(shù)由原來的0.8左右提高到0.95以上，省去了功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。采用變頻器其諧波含量極低，電流失真度小于0.8%，電壓失真度小于1.2%，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于0.1%，不用裝設(shè)輸入濾波器，也避免了電機(jī)的附加發(fā)熱、噪聲及共模電壓損害等問題。(2)可實(shí)現(xiàn)空載軟啟動(dòng)，啟動(dòng)峰值電流和時(shí)間大為減少，避免了因大啟動(dòng)電流造成的絕緣老化及由于大電動(dòng)力矩造成的機(jī)械沖擊對(duì)電機(jī)壽命的影響，每年可減少電機(jī)更新維護(hù)工作量，也節(jié)約了檢修維護(hù)費(fèi)用。(3)在改造前，鍋爐運(yùn)行一個(gè)月左右時(shí)間一次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道便出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，裂口并逐漸增大，風(fēng)機(jī)電流由原來52A上升至62A，風(fēng)機(jī)入口擋板開度由原來的40%增加至70%，并且風(fēng)機(jī)振幅大幅度上升，影響鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要定期壓火處理，改造后，一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，并且避免了一次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道開裂現(xiàn)象，避免了不必要的停爐。另外，由于一次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道開裂每次壓火修補(bǔ)投入人工材料費(fèi)用約為0.3萬元，因壓火導(dǎo)致蒸汽疏水損失約0.3萬元;因壓火少生產(chǎn)蒸汽造成間接損失每小時(shí)約為0.3萬元，每次壓火需要4小時(shí)，損失約1.2萬元;每年因?yàn)橐淮物L(fēng)機(jī)出口風(fēng)道開焊需要壓火4次，每年可節(jié)約7.2萬元，兩臺(tái)鍋爐14.4萬元。(4)采用變頻調(diào)節(jié)，其控制調(diào)節(jié)特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于擋板調(diào)節(jié)，有利于進(jìn)一步進(jìn)行分散控制系統(tǒng)改造，大大改善了鍋爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作狀況，使自動(dòng)裝置的可靠性大大提高。(5)采用變頻調(diào)速，擋板全開，轉(zhuǎn)速降低使環(huán)境噪聲影響得到大大改善。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為企業(yè)的自備電廠，如何降低發(fā)電成本提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)提上日程。高壓變頻調(diào)速控制作為一種新型調(diào)速方法，其優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性已得到公認(rèn)。目前這種技術(shù)已在全國(guó)多家火電廠的輔機(jī)系統(tǒng)改造中得到應(yīng)用，實(shí)際運(yùn)行效果證明這種調(diào)速控制方法具備卓越的技術(shù)性能和極其顯著的經(jīng)濟(jì)效益，為優(yōu)化資源配置，促進(jìn)發(fā)電企業(yè)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造了條件，因而具有廣闊的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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