某電廠風(fēng)機(jī)節(jié)能改造方案淺析

任 英（無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 宜興 214200）

序言

發(fā)電機(jī)組容量規(guī)模的進(jìn)一步提高，對輔機(jī)設(shè)備功率性能也提出了更高的要求，高能耗、響應(yīng)慢、調(diào)節(jié)性能差等已成為輔機(jī)系統(tǒng)制約發(fā)電機(jī)組安全高效運(yùn)行的重要制約瓶頸[1]。針對電廠常規(guī)輔機(jī)系統(tǒng)中存在的能耗較大、節(jié)流損失較大、執(zhí)行器響應(yīng)速度較慢、調(diào)節(jié)非線性較嚴(yán)重、設(shè)備故障率較高等問題，采取合理的高壓變頻調(diào)速控制方案對電廠輔機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級改造，提高電機(jī)運(yùn)行的安全可靠性和電能綜合利用效率，確保發(fā)電機(jī)組安全高效進(jìn)行電能生產(chǎn)，促進(jìn)電廠在低碳綠色環(huán)保技術(shù)要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗[2]～[3]。

1 變頻調(diào)速節(jié)能控制原理

由相似理論可知，改變水泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n1到n2時(shí)，其能量轉(zhuǎn)換效率基本保持不變，相應(yīng)流量（Q）、揚(yáng)程（H）、以及功率（N）將會按照式（1）進(jìn)行調(diào)節(jié)[4]～[5]，即 ：

從式（1）所示的水泵或風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)特性，可以獲得水泵或風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)性能曲線如圖1所示。

從式（1）和圖1可知，按照面積估算法可知，在調(diào)節(jié)相同流量的條件下（如圖1中從Q1到Q2調(diào)節(jié)過程中），常規(guī)閥門或擋板變流調(diào)節(jié)其電能消耗為OQ2BH2'；而變頻調(diào)速節(jié)能控制方案中其電能消耗為OQ2CH2，即：變頻調(diào)速控制比節(jié)流控制軸功率要小很多，整個(gè)水泵或風(fēng)機(jī)電機(jī)拖動系統(tǒng)理論可以節(jié)約電能資源為H2CBH'（圖1中陰影部分所示）。

2 電廠風(fēng)機(jī)節(jié)能改造方案

2.1 工程概況

電廠3# 600MW火力發(fā)電機(jī)組的2臺6.3kV高壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)值偏大，存在嚴(yán)重“大馬拉小車”問題。3#機(jī)組一次風(fēng)機(jī)輔機(jī)系統(tǒng)，鼓風(fēng)機(jī)型號為17881Z/1165，軸功率為1 868kW，額定流量為110m3/min，全壓為14.318kPa，額定轉(zhuǎn)速為1 480r/min，能量轉(zhuǎn)換效率為86.5%；配套電機(jī)型號為YKK630-6kV,額定功率為2 240kW，額定電壓為6.3kV，額定電流為248A，額定轉(zhuǎn)速為1 480r/min，功率因素為0.9，防護(hù)等級為F級 IP55。從大量歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，該發(fā)電機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)，其風(fēng)機(jī)動、靜葉調(diào)節(jié)過程中的節(jié)流損失，相比于額定運(yùn)行工況下節(jié)流損失會增加35%～45%，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率較低，能耗非常嚴(yán)重，嚴(yán)重影響到發(fā)電機(jī)組的廠用電率。結(jié)合風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，從理論分析可知，如采用6.3kV高壓變頻節(jié)能調(diào)速控制方案，對3#機(jī)組的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行變頻節(jié)能升級改造，可以降低風(fēng)機(jī)系統(tǒng)廠用電率40%左右。

2.2 節(jié)能升級改造方案

為了滿足綠色環(huán)保節(jié)能電廠技術(shù)升級改造要求，減少無謂電能資源浪費(fèi)，降低電廠用電率，并提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制性能，決定采用高壓變頻器對3#發(fā)電機(jī)組2臺6.3kV高壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)升級改造。按照3#機(jī)組2臺高壓風(fēng)機(jī)并聯(lián)獨(dú)立運(yùn)行工藝需求，并考慮到風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，決定采用1臺高壓變頻器拖動1臺高壓風(fēng)機(jī)的單元接線自動切換改造方案，其具體邏輯接線如圖2所示。

從圖2可知，除了采用6.3kV高壓變頻器外，虛線部分為本次節(jié)能升級改造內(nèi)容的主要一次系統(tǒng)，由三個(gè)6.3kV高壓真空接觸器（KM1、KM2、KM3）、2個(gè)6.3kV 高 壓 隔 離 開關(guān)（QS1、QS2）及1個(gè)PT互感器共同組成一面旁路柜。電廠廠用電6.3kV電源經(jīng)QF11用戶開關(guān)、QS1高壓隔離開關(guān)、KM2高壓真空接觸器與高壓變頻調(diào)速裝置相連，變頻調(diào)速裝置經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算模塊形成對應(yīng)的控制策略,經(jīng)KM3高壓真空接觸器和QS2高壓隔離開關(guān)與6.3kV高壓風(fēng)機(jī)電機(jī)相連，將電源供給電機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)輔機(jī)系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能控制運(yùn)行。為了提高輔機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，在變

頻調(diào)速控制裝置出現(xiàn)故障后為確保發(fā)電機(jī)組安全高效的運(yùn)行，6.3kV電源還可以通過KM1高壓真空接觸器直接供給高壓風(fēng)機(jī)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)工頻運(yùn)行。

3 節(jié)能技術(shù)升級改造應(yīng)用效果分析

3.1 3#機(jī)組日平均電力負(fù)荷計(jì)算

為了較為準(zhǔn)確地分析3#機(jī)組高壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)升級改造后，所取得的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益，將3#機(jī)組2011年1月升級改造后1月～12月的電力負(fù)荷運(yùn)行情況進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而分析3#機(jī)組每天的平均日負(fù)荷曲線。3#機(jī)組2011年1月～12月每天典型數(shù)據(jù)所組成的日平均負(fù)荷波動曲線如圖3所示。

表1 一次風(fēng)機(jī)工頻及變頻運(yùn)行數(shù)據(jù)對比

從圖3可知，通常在7時(shí)前發(fā)電機(jī)所帶電力負(fù)荷偏低，7時(shí)后開始上升、10時(shí)達(dá)到最高負(fù)荷，并基本維持最高負(fù)荷持續(xù)到12時(shí)；之后有所下降，從13時(shí)到18時(shí)負(fù)荷維持在一個(gè)較高點(diǎn)，從19時(shí)開始有所上升并維持2～3h；最后到21時(shí)開始慢慢下降，直到初始負(fù)荷。圖3所示的3#機(jī)組負(fù)荷波動基本滿足電力負(fù)荷日波動特性，通過對3#機(jī)組24h的負(fù)荷進(jìn)行加權(quán)平均，獲得3#機(jī)組日平均負(fù)荷大約為426MWh。2011年3#機(jī)組全年發(fā)電量為2 377 826MWh，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為4 247.18h，由此可以計(jì)算出3#機(jī)組平均功率為428.29MWh，與圖3計(jì)算獲得的429MWh基本相等。統(tǒng)計(jì)分析可知，機(jī)組 按 照330MW、400MW、500MW、600MW 四個(gè)運(yùn)行工況進(jìn)行運(yùn)行，其負(fù)荷工況運(yùn)行小時(shí)數(shù)大約為8h、8h、4h、4h，相應(yīng)計(jì)算出的日平均負(fù)荷為427MWh，與日平均負(fù)荷426MWh比較符合。

3.2 節(jié)能效益分析

3#機(jī)組一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在不同工況條件下工頻和變頻運(yùn)行電機(jī)所消耗電能，詳見表1所示。

如表1所示，3#機(jī)組高壓一次風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速節(jié)能升級改造后，其在不同負(fù)荷工況下從工頻運(yùn)行功率的1557.93kWh-1、1 582.36AkWh-1、1 722.83kWh-1、1 801.31kWh-1有效降低到變頻運(yùn)行功率的401.6kW.h-1、479.58kWh-1、868.82kWh-1、1 189.57kWh-1。當(dāng)機(jī)組電力負(fù)荷不斷下降時(shí)，變頻調(diào)速所取得的節(jié)能效果越好。在330MW負(fù)荷工況，其節(jié)約功率最為明顯，節(jié)約1 156.33 kWh-1。3#機(jī)組一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級改造后，其一天可以節(jié)約電量為：

一年大約可以節(jié)約電量（按年運(yùn)行小時(shí)數(shù)4247.18h計(jì)算）為：

按照平均每度電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為320g/kWh計(jì)算，則可以節(jié)約標(biāo)煤約1355.5t。按照火電廠上網(wǎng)電價(jià)0.38元/kWh計(jì)算，則3#機(jī)組一次風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速節(jié)能升級改造后，一年可以節(jié)約資金約161萬元。6.3kV變頻調(diào)速裝置按照950元/kW進(jìn)行估算，則3#機(jī)組一次風(fēng)機(jī)單臺變頻調(diào)速裝置的升級改造成本約為213萬元，只需1.5年就能完全收回成本。

3#機(jī)組一次風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻調(diào)速節(jié)能升級改造后，不僅其節(jié)能效果十分明顯，每年可以節(jié)約213萬元，而且調(diào)節(jié)運(yùn)行較為靈活方便，大大降低風(fēng)機(jī)電機(jī)起動電流，確保風(fēng)機(jī)輔機(jī)系統(tǒng)具有較高的安全可靠性。

4 結(jié)束語

隨著電力電子技術(shù)理論研究和工程實(shí)踐應(yīng)用的進(jìn)一步完善，高壓變頻器在響應(yīng)性、調(diào)節(jié)性等各項(xiàng)技術(shù)性能方面均有很大拓寬和提高[5]。電廠高壓一次風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速裝置，投資較低且節(jié)能效益較為明顯，通常在1～2年內(nèi)就能全部收回投資成本。在火力發(fā)電行業(yè)中，風(fēng)機(jī)、水泵等輔機(jī)負(fù)荷種類較多、功率較大，應(yīng)充分結(jié)合輔機(jī)系統(tǒng)各種工況特性合理選用變頻器進(jìn)行節(jié)能升級改造，提高輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行的高效穩(wěn)定性和調(diào)速的準(zhǔn)確可靠性地，確保發(fā)電機(jī)組安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟(jì)、高效穩(wěn)定地發(fā)電運(yùn)行。

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