天富發(fā)電廠變頻改造方案的研究

傅世騫

（重慶市電力公司北碚供電局，重慶 400700）

隨著國家節(jié)能減排工作的不斷深入，火力燃煤發(fā)電機組如何降低廠用電率、降低供電煤耗迫在眉睫。風機和水泵是火電廠中的主要耗能設(shè)備，其輸入能量的20%-30%被擋板或節(jié)流閥所消耗。因此對風機和水泵進行節(jié)能改造具有很大潛力。當前作為大容量傳動的高壓變頻調(diào)速技術(shù)在節(jié)能領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前重慶天富發(fā)電廠風機、水泵的流量調(diào)節(jié)仍然采用擋板節(jié)流的機械調(diào)節(jié)方式，造成了大量的電能浪費，其廠用電率高達11.15%。為了達到降低廠用電量，從而有效地降低發(fā)電成本，增強企業(yè)的競爭力的目的，必須對天富發(fā)電廠中的風機、水泵進行變頻節(jié)能的改造。

1 天富發(fā)電廠運行和設(shè)備概況

重慶天富發(fā)電有限公司總裝機容量1×55MW，配高溫高壓循環(huán)流化床1×240t/h鍋爐，2006年安裝投運。重慶天富發(fā)電有限公司煤矸石綜合利用發(fā)電系統(tǒng)總的狀況看運行正常，但整個系統(tǒng)仍有能量系統(tǒng)優(yōu)化的潛力，首先是鍋爐系統(tǒng)存在布風不均、燃燒不充分及排煙溫度高，熱效率低，與設(shè)計值差距較大；其次，公司現(xiàn)有廠用電率較高，目前為11.15%，系統(tǒng)中風機、水泵的流量調(diào)節(jié)方式采用機械調(diào)節(jié)方式，落后的方式造成電能浪費。電廠實際負荷在65%～100%之間變化，導(dǎo)致鍋爐風機的送風量、引風量及給水泵、循環(huán)水泵的流量也要隨之而做相應(yīng)變化。目前風機、水泵出力的調(diào)整是采用調(diào)控擋板開度調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的，由于這種調(diào)節(jié)方式是靠節(jié)流來實現(xiàn)的，造成的能量損失很大。異步電動機在啟動時啟動電流一般達到電機額定電流的8～10倍，對廠用電形成沖擊，同時強大的沖擊轉(zhuǎn)矩對電機和風機的使用壽命存在很大不利影響。因此，為進一步降低廠用電率，提高用電效率和增加供電量，從而達到降低給供電標煤耗的目的。需對風機、水泵系統(tǒng)進行變頻節(jié)能改造。

圖1

圖1風機、水泵的實物圖

自用電系統(tǒng)主要用電集中在1、2號給水泵、1、2號引風機、一次風機、二次風機上。故擬對1、2號給水泵、1、2號引風機、一次風機、二次風機，共6臺高壓電機進行變頻節(jié)能改造。

2 天富發(fā)電廠變頻改造方案

2.1 改造方案概況

2.1.1 改造系統(tǒng)控制原理

風機為一拖一方式進行控制，2臺給水泵為一拖二方式。根據(jù)工藝要求需要切換方式：一次風機變頻故障切換方式采用電動式人工切換方式，二次風機、引風機采用手動人工切換方式，給水泵采用變頻故障自動切換到備用給水泵工頻方式，正常切換方式靈活，易操作。并且改造后不影響要求不影響生產(chǎn)工藝。

圖2 帶隔離的一拖一自動旁路柜

基本原理：它是由3個高壓隔離開關(guān)QS1～QS3組成。要求QS1、QS2不能和QS3同時閉合，在機械上實現(xiàn)互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開，再合QF；轉(zhuǎn)到工頻運行時，必須先斷開QF，再斷開QS1和QS2，再閉合 QS3，后合 QF。QS1、QS2、QS3 隔離開關(guān)狀態(tài)上DCS。

圖3 給水泵一拖二主回路

基本原理:此圖是雙路電源情況下，一拖二旁路的方案，它是由六個高壓隔離開關(guān)QS1～QS6組成。其中 QS1和 QS2，QS3和QS4，QS4和QS6，QS3和QS5做機械互鎖。如果M1工作在變頻狀態(tài)，M2可以工作在工頻狀態(tài)；相反如果M2工作在變頻狀態(tài)，則M1可以工作在工頻狀態(tài)；如果檢修變頻器，兩臺負載都可以工頻運行。QS1～QS6隔離開關(guān)狀態(tài)上DCS。

2.1.2 變頻裝置控制方式

變頻裝置具有"就地"和"遠方"兩種控制方式，切換開關(guān)位于變頻器控制柜處，可根據(jù)需要自由切換。在就地控制方式下，通過變頻器上的人/機界面液晶屏，可進行就地啟動、停止操作，可調(diào)整轉(zhuǎn)速、頻率；遠方控制方式下，變頻裝置只接受機組DCS控制指令，并反饋變頻器的主要狀態(tài)和故障報警，運行人員可通過DCS畫面進行啟動、停止、調(diào)速等操作；電機旁應(yīng)裝有變頻器事故按鈕，突發(fā)事故時可緊急停止變頻器運行。變頻器裝置在"就地"和"遠方"兩種控制方式下，均能實現(xiàn)開環(huán)、閉環(huán)控制。

2.1.3 電氣各開關(guān)及控制的要求

變頻器兩端隔離開關(guān)，具有"運行"、"試驗"、"檢修"三個位置。變頻器的各項保護功能完善，具有短路、過電壓、欠電壓、過電流、過載、過熱、缺相、CPU出錯、通訊故障、瞬停再啟動等保護功能。

2.2 改造方案中具體設(shè)備的選型

2.2.1 變頻器額定容量的選定

變頻器選型時，應(yīng)充分考慮所應(yīng)用的場合和使用工況條件的最惡劣情況，留有足夠的設(shè)計裕度和采取必要的保護措施。變頻器額定容量可用下式計算選定。

式中:P為變頻器容量(KVA)，Iout為變頻器額定輸出電流(A)

Vout為變頻器輸出電壓(V)，I為推薦配用電機額定工作電流(A)

對連續(xù)運行變頻器容量P0(KVA)，必須滿足如下幾點:

① 變頻器容量必須大于負載所要求的輸出，即

② 變頻器容量不能低于電機容量，即

③ 變頻器電流Iout應(yīng)大于電機電流，即Iout≥kIM

④ 起動時變頻器容量應(yīng)滿足下式

以上各式中:

Iout為變頻器電流；GD2為電機軸端換算；tA為加速時間，根據(jù)負載要求確定；K為電流波形補償系數(shù) (PWM控制方式取1.05～1.10);TL為負載轉(zhuǎn)矩；η為電動機效率 (通常取0.85);cosΦ為電機功率因數(shù) (通常取0.75);IM為電機額定電流；UM為電機額定電壓；nM為電機額定轉(zhuǎn)速。

2.2.2 變頻器與電動機配套問題

在實際應(yīng)用中，必須考慮變頻器與電動機的匹配問題，如低速時的冷卻、電動機的穩(wěn)定性和頻繁起動等。

對于調(diào)速范圍比較寬，特別是具有恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速兩個運行范圍的電動機來說，由于具有在低速時電流和磁通基本保持不變的恒轉(zhuǎn)矩特性，使其散熱困難，因此不能采用自帶風扇冷卻。因為這種冷卻方式對高速和低速運行工況不利，低速運行時冷卻效果差；高速時則電機效率嚴重下降。通常情況下，如果采用自帶風扇冷卻或管道通風，冷卻風量的選擇原則是每20kW電動機損耗需要1m3/s的風量。除了盡可能減少各種損耗外，還需對空氣的流場和溫度進行認真分析，減少溫度分布的不均勻系數(shù)，提高電動機線圈端部的傳熱性能，增強電動機機座本身的散熱能力。

由于電動機動態(tài)穩(wěn)定性與系統(tǒng)的狀態(tài)有關(guān)，在電源容量大的工頻電源系統(tǒng)中可以穩(wěn)定運行，而采用變頻器供電時，系統(tǒng)運行可能發(fā)生不穩(wěn)定。實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，當一臺電動機專用一個變頻電源時，通常運行穩(wěn)定；而多臺電動機共用一個變頻電源時，就變得不穩(wěn)定了。

分析這些現(xiàn)象，可能有兩方面的原因:一方面，電動機固有的低頻不穩(wěn)定性和電動機與變頻器相互影響造成運行不穩(wěn)定。在低頻時這種不穩(wěn)定表現(xiàn)為持續(xù)地振蕩，也就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近擺動；另一方面，可能是超出變頻器的換向能力而使其保護動作，導(dǎo)致不能正常工作。電動機和變頻器之間相互影響造成的不穩(wěn)定主要是由于電動機機械系統(tǒng)的慣性或變頻器直流環(huán)節(jié)中濾波電感和電容之間發(fā)生能量交換造成的。

由于變頻器可以在很低的頻率下起動電動機，對于一些大容量的調(diào)速系統(tǒng)，不僅可以頻繁起動，還可以頻繁正反轉(zhuǎn)，使交流電動機在四象限內(nèi)運行。但頻繁的起動和正反轉(zhuǎn)會使電動機經(jīng)常處于循環(huán)交變應(yīng)力的作用下，對電動機的機械部分和絕緣會帶來疲勞和加速老化的問題。

3 變頻節(jié)能改造的效果分析

3.1 變頻改造后的節(jié)能分析

目前天富發(fā)電廠的一、二次風機，引風機（#1-#2），給水泵（#1-#2）的變頻節(jié)能改造已完成，每臺機組的變頻設(shè)備均已投運，取得顯著節(jié)能效果。為計算變頻改造的節(jié)能效益，將天富發(fā)電廠變頻節(jié)能改造前后一年中同時段發(fā)電廠各改造設(shè)備的用電情況列出，如表1所示。

表1改造前后設(shè)備的用電量情況

從上表可知，經(jīng)變頻節(jié)能改造后日均節(jié)電量為W1=113411-94497=18914 kW·h。如果按照發(fā)電廠一年運行300天計算，改造后一年的節(jié)電量為W2=18914×300=567.42萬kW·h。按照發(fā)電成本0.3元/kW·h計算，變頻節(jié)能改造的年收益為0.3×567.42=170.2萬元，具有非?？捎^的經(jīng)濟效益。同時，節(jié)電567.42萬kW·h約合19860噸標煤，具有節(jié)能減排的社會效益。

3.2 改造后的優(yōu)缺點討論

①減少電機啟動時的電流沖擊

電機直接啟動時的最大啟動電流為額定電流的7倍；星角啟動為4-5倍；電機軟啟動器也要達到2.5倍。觀察變頻器起動的負荷曲線，可以發(fā)現(xiàn)它啟動時基本沒有沖擊，電流從零開始，僅是隨著轉(zhuǎn)速增加而上升，不管怎樣都不會超過額定電流。因此變頻運行解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統(tǒng)和主機的沖擊應(yīng)力，大大降低日常的維護保養(yǎng)費用。

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②延長設(shè)備壽命

使用變頻器可使電機轉(zhuǎn)速變化沿理想的加減速特性曲線變化，沒有應(yīng)力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。同時有關(guān)數(shù)據(jù)說明，機械壽命與轉(zhuǎn)速的倒數(shù)成正比，降低風機、水泵的轉(zhuǎn)速可成倍地提高它們壽命，使用費用自然就降低了。

③降低噪音

我廠水泵改用變頻器后，降低水泵轉(zhuǎn)速運行的同時，噪音將大幅度地降低，當轉(zhuǎn)速降低于50HZ時，噪音可減少十幾個絕對分貝。同時消除了停車和啟動時的打滑和尖嘯聲，克服了由于調(diào)門線性度不好，調(diào)節(jié)品質(zhì)差，引起管道錘擊和共振，造成給水系統(tǒng)上水管道強烈震動的缺陷，水泵變頻運行后，噪音、振動都大為減少，變化相當可觀。

結(jié)語

通過對天富電廠55MW機組引風機系統(tǒng)的不同改造方案進行分析比較得出：變頻調(diào)速是先進、實用、可靠的調(diào)速技術(shù)；經(jīng)濟上，從降低引風機電耗，降低年運行費用，降低發(fā)電成本，從"大力節(jié)約能源，加快建設(shè)資源節(jié)約型社會"考慮，選用變頻器進行引風機調(diào)節(jié)是經(jīng)濟、可行的。

[1]趙相賓.談我國變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，《電氣傳動》2000，2；

[2]白愷等.火電廠大型電動機應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的可行性[J].華北電力技術(shù)，1999：33～35；

[3]竺偉，陳伯時.高壓變頻調(diào)速技術(shù)[J].電工技術(shù)雜志，1999(3)：26～28；[4]賈貴璽，張陳堂.高壓變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用及其研究[J].電氣傳動，1999，24(4)：14～17。