火力發(fā)電廠鍋爐風(fēng)機(jī)節(jié)能改造

邱俊

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410004）

1.引言

某火力發(fā)電有限公司是始建于上世紀(jì)50年代的一座城市老電廠，共有9臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)14.8萬(wàn)千瓦?！耙源蟠　钡囊黄诩几捻?xiàng)目的兩臺(tái)12.5萬(wàn)千瓦機(jī)組于1994年全部投產(chǎn)。二期技改工程是在一期技改的基礎(chǔ)上進(jìn)一步貫徹“以大代小”的原則，2003年年底技術(shù)改造項(xiàng)目?jī)膳_(tái)31萬(wàn)千瓦機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，總裝機(jī)容量擴(kuò)至87萬(wàn)千瓦。今年8月，本人有幸參加了該公司3#機(jī)組鍋爐風(fēng)機(jī)節(jié)能改造項(xiàng)目。

2 機(jī)組鍋爐風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能改造必要性分析

2.1 從風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分析

國(guó)家在“十一五”規(guī)劃中大力提倡建設(shè)節(jié)約型社會(huì)。隨著電力行業(yè)改革的深化、“廠網(wǎng)分家”、“競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”等政策的出臺(tái)，通過(guò)節(jié)能降耗，降低廠用電率，降低發(fā)電成本，提高電價(jià)競(jìng)爭(zhēng)力，已成為各發(fā)電廠提高經(jīng)濟(jì)效益的重要工作。

在火力發(fā)電廠中，風(fēng)機(jī)和水泵是主要的耗電設(shè)備，容量大、耗電多。加上基本上都為連續(xù)運(yùn)行且常常處于低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)能潛力巨大。

圖1是3#機(jī)310MW機(jī)組圖。3#機(jī)組的風(fēng)機(jī)都是采用高效離心式風(fēng)機(jī)，廠用電一般占機(jī)組年發(fā)電量的8.76%。而風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載約占廠用電量的三分之一，6kV以上電壓等級(jí)的風(fēng)機(jī)、水泵等輔機(jī)設(shè)備將至少消耗其中的九成。由于這些設(shè)備經(jīng)常沒(méi)有工作在最高效率點(diǎn)，所以實(shí)際運(yùn)行效率并不高。當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)是以最大需風(fēng)量和風(fēng)壓作為參考來(lái)選擇電機(jī)類(lèi)型，所以冗余量特別大，一般風(fēng)量裕量在5%～10%，風(fēng)壓裕量在10%。其中鍋爐引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)的單機(jī)功率大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，節(jié)能潛力最大。其他的比如排粉風(fēng)機(jī)、再循環(huán)風(fēng)機(jī)等也具有很大的節(jié)能潛力。所以對(duì)電廠高壓輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行降耗節(jié)能改造，不僅是當(dāng)前推進(jìn)企業(yè)節(jié)能降耗的重要技術(shù)手段，也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變的必然要求。

圖1 火電廠3#機(jī)組圖

2.2 從風(fēng)機(jī)控制方式分析

風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是調(diào)節(jié)入口或出口的擋板閥門(mén)開(kāi)度，以此來(lái)調(diào)節(jié)流量和壓力，是一種經(jīng)濟(jì)效益差、能耗大、設(shè)備損壞嚴(yán)重、維修難度大、運(yùn)行費(fèi)用高的落后辦法。主要存在以下問(wèn)題：

1）采用擋板閥門(mén)調(diào)節(jié)時(shí)，大量的能量損耗在擋板閥門(mén)的截流過(guò)程中。對(duì)風(fēng)機(jī)而言，最有效的節(jié)能措施是采用調(diào)速來(lái)調(diào)節(jié)流量。由于風(fēng)機(jī)大都為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率則與轉(zhuǎn)速大致成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率大大下降。

2）介質(zhì)對(duì)擋板閥門(mén)和管道沖擊較大，設(shè)備損壞嚴(yán)重。

3）擋板閥門(mén)動(dòng)作遲緩，手動(dòng)時(shí)人員不易操作，而且操作不當(dāng)會(huì)造成風(fēng)機(jī)震動(dòng)。擋板閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為大力矩的電動(dòng)執(zhí)行器，故障較多，不能適應(yīng)長(zhǎng)期頻繁調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)線性度差，構(gòu)成閉環(huán)自動(dòng)控制較難，且動(dòng)態(tài)性能不理想。

4）異步電動(dòng)機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流一般達(dá)到電機(jī)額定電流的6-8倍，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，也會(huì)引起電機(jī)發(fā)熱，強(qiáng)大的沖擊轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的機(jī)械壽命存在很多不利的影響。

可見(jiàn)，鍋爐風(fēng)機(jī)節(jié)能改造是非常有必要的。

3.風(fēng)機(jī)節(jié)能改造實(shí)施過(guò)程

3.1 變頻調(diào)速分析

3.1.1 變頻調(diào)速能節(jié)約原來(lái)?yè)p耗在擋板閥門(mén)截流過(guò)程中的大量能量，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3.1.2 采用變頻調(diào)速后，可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊和機(jī)械負(fù)載的沖擊都不存在了，同時(shí)延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)的壽命。同時(shí)，采用變頻調(diào)速后，電機(jī)的無(wú)功功率通過(guò)變頻器直流環(huán)節(jié)的濾波電容進(jìn)行了瞬時(shí)補(bǔ)償，變頻器的輸入功率因數(shù)可大0.95以上。相對(duì)電機(jī)直接工頻運(yùn)行而言，功率因數(shù)大大改善，對(duì)低速電機(jī)效果尤為明顯。實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)和水泵經(jīng)常在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行，介質(zhì)對(duì)水泵葉輪、風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的磨損、軸承的磨損、密封的損壞都大大降低。同時(shí)，煙氣對(duì)煙道擋板的沖擊磨損大大降低，延長(zhǎng)了煙道擋板的檢修周期，減少了維護(hù)工作量。電機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)和噪聲也明顯降低。

3.1.3 采用變頻調(diào)速后，可以很方便地構(gòu)成閉環(huán)控制，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器輸出的4-20mA信號(hào)輸?shù)阶冾l器(或通過(guò)通信接口進(jìn)行控制)，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以平穩(wěn)地調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量，且線形度較好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，使機(jī)組在更經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行。

按照常規(guī)設(shè)計(jì)，310MW機(jī)組輔機(jī)設(shè)備參數(shù)如下：引風(fēng)機(jī)兩臺(tái)，各2000KW；送風(fēng)機(jī)兩臺(tái)，各1250KW。如果工作設(shè)備使用變頻方式，保守估計(jì)節(jié)能率為30%。

以上分析為直接節(jié)能效益。除此之外，變頻器對(duì)機(jī)泵實(shí)現(xiàn)真正軟啟動(dòng)，使高壓開(kāi)關(guān)、電機(jī)、機(jī)泵、閥門(mén)、管網(wǎng)等諸多設(shè)備的啟動(dòng)沖擊和機(jī)械摩擦、震動(dòng)大大減少，延長(zhǎng)了機(jī)組的使用壽命，節(jié)省了這些設(shè)備的一大筆維護(hù)費(fèi)用。變頻器所配置的閥門(mén)聯(lián)動(dòng)、參數(shù)自動(dòng)記錄、流量閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

3.2 主回路改造過(guò)程

系統(tǒng)改造后的一次主回路如圖2所示?？刂乒窨蓪?shí)現(xiàn)在變頻器故障時(shí)將2臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)切換回工頻運(yùn)行，不影響鍋爐生產(chǎn)；開(kāi)關(guān)柜3、高壓變頻器、切換柜為新增設(shè)備；K1為隔離刀閘；KM1與KM2為真空接觸器，實(shí)現(xiàn)工頻與變頻運(yùn)行的切換，工頻與變頻運(yùn)行是相互聯(lián)鎖的，使用同一個(gè)控制回路，以保證變頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī)；K1未合到位時(shí)，KM1與KM2不允許合閘；KM1與DL1互鎖，KM2與DL2互鎖，以避免工頻電源反送至變頻器輸出端子或兩路電源同時(shí)輸送到電機(jī)上；切換柜加電壓監(jiān)測(cè)儀，柜門(mén)上加電磁鎖，以保證安全；K1加電磁鎖，在變頻器有輸出時(shí)不允許操作K1。

圖2 系統(tǒng)改造后的部分一次主回路

3.3 控制回路改造過(guò)程

高壓變頻器控制系統(tǒng)包括主控制器、單元控制器、功率單一控制部分、輔助部分。圖3為控制系統(tǒng)原理圖。

原系統(tǒng)通過(guò)DCS控制2臺(tái)風(fēng)機(jī)的啟停及擋板，變頻改造后仍保留原控制系統(tǒng)，以備風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)使用。變頻改造后，高壓變頻器系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)就地／遠(yuǎn)程控制。將變頻器控制系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)聯(lián)接，通過(guò)DCS操作員站對(duì)變頻器系統(tǒng)進(jìn)行啟停、復(fù)位及頻率調(diào)節(jié)控制；可在DCS系統(tǒng)上對(duì)變頻器及電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備故障信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；能夠?qū)崿F(xiàn)在鍋爐正常運(yùn)行中工頻和變頻狀態(tài)的無(wú)擾動(dòng)切換。

圖3 高壓變頻器控制系統(tǒng)原理圖

4.風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能改造效果分析

由于#3爐在設(shè)計(jì)時(shí)，其風(fēng)機(jī)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的選型偏大，所以在選配高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，是按照#3爐風(fēng)機(jī)的長(zhǎng)期運(yùn)行工況電流選配。同時(shí)由于鍋爐對(duì)煤質(zhì)要求不高，只要煤的標(biāo)準(zhǔn)熱量達(dá)到3000～5500大卡都可以燃燒，就造成了不同的煤質(zhì)對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量要求不一樣，在低煤質(zhì)燃燒時(shí)，風(fēng)機(jī)的電流比較大，高煤質(zhì)燃燒時(shí)，風(fēng)機(jī)的電流較小，所以#3爐的風(fēng)機(jī)對(duì)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的電流變化情況和運(yùn)行的穩(wěn)定性提出了很高的要求。上海艾帕電力電子有限公司的Innovert系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的自有專(zhuān)利技術(shù)SCP抗短路技術(shù)和核心STT技術(shù)，使得設(shè)備抗干擾力和電壓、電流擾動(dòng)適應(yīng)力很強(qiáng)，同時(shí)還有完善的輸入側(cè)電壓、電流和輸出側(cè)的電機(jī)馬達(dá)綜合保護(hù)對(duì)引風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

最近我們將3#鍋爐的送、引風(fēng)機(jī)改造前、后的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)，考察變頻改造后的節(jié)能效果。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

從表1可知，按年平均負(fù)荷370t/h、平均運(yùn)行300天計(jì)算，3#鍋爐送、引風(fēng)機(jī)變頻改造后的年節(jié)電量為（工頻耗電率－變頻耗電率）年平均負(fù)荷×年運(yùn)行小時(shí)數(shù) =（5.428－2.450）×370×（300×24）=793萬(wàn) kW·h；年節(jié)電率為（工頻耗電率－變頻耗電率）/工頻耗電率 =（5.428－2.450）/5.428=54.8%，即用改造前 50%左右的用電量就可以完成改造前的生產(chǎn)任務(wù)，節(jié)能效果非常顯著。

表1 3#鍋爐送、引風(fēng)機(jī)變頻改造前后的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

5.結(jié)束語(yǔ)

改造前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用高壓變頻技術(shù)對(duì)高能耗用電設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，不僅能直接感受到降低廠用電、降低供電煤耗、增加上網(wǎng)電量帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行、減少設(shè)備故障等都起到了積極的作用。

[1]仲明振，趙相賓.高壓變頻器應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]張彥明.高壓變頻調(diào)速技術(shù)在電廠的應(yīng)用及節(jié)能對(duì)比[J].廣東電力,2009,(11).

[3]中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電控系統(tǒng)與裝置專(zhuān)業(yè)委員會(huì).風(fēng)機(jī)水泵交流調(diào)速節(jié)能技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

[4]何川,郭立君.泵與風(fēng)機(jī)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007.

[5]韓安榮.通用變頻器主要應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6]王濤,李志濤.風(fēng)機(jī)變頻改造[J].中國(guó)水泥,2008,(10).