產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在300MW機組一二次風機上的節(jié)能改造
1引言
陜西某火力發(fā)電有限公司有300MW循環(huán)流化床機組，于2015年8正式投產(chǎn)發(fā)電。鍋爐采用1057t/h亞臨界循環(huán)流化床鍋爐，相比傳統(tǒng)的煤粉鍋爐，具有燃燒效率高、負荷適應范圍廣、低溫燃燒具有脫硫脫硝功能等優(yōu)點。
電廠的發(fā)電負荷根據(jù)用電和用汽要求，通常在額定負荷的50%～100%之間進行調(diào)整、變化。發(fā)電機輸出功率的變化，鍋爐系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備也要隨著負荷的變化作相應的調(diào)整。鍋爐的送風量相應變化，一二次風機出力調(diào)整通過液力耦合器調(diào)節(jié)。液力耦合器傳動效率低、維護保養(yǎng)成本高，特別是在低負荷運行時，電動機輸出功率有大量的能耗損失。同時異步電動機在啟動時啟動電流一般達到電動機額定電流的5～8倍，對電動機、動力電纜造成較大沖擊，對廠用電系統(tǒng)穩(wěn)定運行也有一定的影響，同時強大的沖擊轉(zhuǎn)矩和沖擊電流，縮短了電動機和機械的使用壽命。通過大量應用表明，應用高壓變頻調(diào)速裝置來改變電機轉(zhuǎn)速，滿足不同負載的工藝要求，是解決以上矛盾的有效手段。
為了降低廠用電率，減少機組運行成本，提升自動化控制，該電廠領(lǐng)導決定對發(fā)電機組鍋爐輔機一次風機、二次風機進行變頻改造。經(jīng)過招投標，決定采用新風光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的2800kW/6kV（2套）、3600kW/6kV（2套）高壓變頻器分別拖動一次風機和二次風機。改造取得了成功。
2改造現(xiàn)場電機、液偶參數(shù)
2.1 一次風機主要技術(shù)參數(shù)
表1一次風機、電機及液偶參數(shù) | ||||||
一次風機 | ||||||
型號 | RU25-DW2720F | 流量（m3/h） | 366840 | |||
功率（kW） | 3400 | 全壓（Pa） | 26499 | |||
轉(zhuǎn)速（r/min） | 1450 | 軸承形式 | 滾動軸承 | |||
一次風機電機 | ||||||
型號 | YKK710-4 | 功率（kW） | 3400 | |||
電壓（V） | 6000 | 電流（A） | 389 | |||
功率因素 | 0.88 | 接線方式 | Y | |||
絕緣等級 | F | 轉(zhuǎn)速（r/min） | 1491 | |||
軸承潤滑方式 | 稀油潤滑 | 軸承形式 | 滾動軸承 | |||
液偶 | ||||||
型號 | YOTCH910 | 轉(zhuǎn)速（r/min） | 1500 | |||
轉(zhuǎn)數(shù)差率 | 1.5-3﹪ | 功率范圍（kW） | 1600--4350 | |||
調(diào)節(jié)范圍 | 1-1:5 | 質(zhì)量（kg） | 7100 | |||
2.2二次風機主要技術(shù)參數(shù)
表2二次風機、電機及液偶參數(shù) | |||||
二次風機 | |||||
型號 | RU30-M2500F | 風量（m3/h） | 401904 | ||
軸功率（kW） | 2800 | 風機轉(zhuǎn)速（r/min） | 1450 | ||
效率 | 85.1% | 全壓（Pa） | 19935 | ||
二次風機電機 | |||||
型號 | YKK710-4 | 功率（kW） | 2800 | ||
電壓（V） | 6000 | 電流（A） | 321 | ||
功率因素 | 0.88 | 接線方式 | Y | ||
絕緣等級 | F | 轉(zhuǎn)速（r/min） | 1492 | ||
軸承潤滑方式 | 稀油潤滑 | 軸承形式 | 滾動軸承 | ||
液偶 | |||||
型號 | YOTCH875 | 轉(zhuǎn)速（r/min） | 1500 | ||
轉(zhuǎn)數(shù)差率 | 1.5-3﹪ | 功率范圍（kW） | 1240--3360 | ||
調(diào)節(jié)范圍 | 1-1:5 | 質(zhì)量（kg） | 4950 | ||
3節(jié)能原理
該機組一次風機、二次風機采用離心風機，但實際運行效率并不高，其主要原因之一是風機的調(diào)節(jié)性能差，二是運行點遠離風機的最高效率點?；痣姍C組的一次風機、二次風機的風量裕度分別為5%和7％左右，風壓裕度分別為10%和13％左右。這是因為在設(shè)計過程中，很難準確地計算出管網(wǎng)的阻力，并考慮到長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題，所以把系統(tǒng)的最大風量和風壓富裕量作為選擇風機型號的設(shè)計值。但風機的型號和系列是有限的，選用不到合適的風機型號，只好往大機號上靠。這樣，機組一次風機、二次風機的風量和風壓富裕度是比較大的。
該機組風機的風量與風壓的富裕度以及機組的調(diào)峰運行，導致風機的運行工況點與設(shè)計高效點相偏離，從而使風機的運行效率大幅度下降?？梢姡淮物L機、二次風機的用電量中，很大一部分是，因風機的型號與管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)不匹配及調(diào)節(jié)方式不當，而被調(diào)消耗掉的。因此，改進離心風機的調(diào)節(jié)方式是提高風機效率，降低風機耗電量的有效途徑。
表3通過大量的工程案例獲得的葉片式風機在不同的流量和調(diào)節(jié)方式下的電量情況數(shù)據(jù)。
表3 風機在不同的流量和調(diào)節(jié)方式下的電量情況數(shù)據(jù)對比 | |||||||
流量百分比（％） | 變速調(diào)節(jié)理論軸功率（％） | 節(jié)流調(diào)節(jié)軸功率（％） | 液力偶合器調(diào)節(jié)軸功率（％） | 液力偶合器節(jié)電率 （％） | 變頻調(diào)速軸功率（％） | 變頻調(diào)速節(jié)電率（％） | 兩種調(diào)速節(jié)電率之差（％） |
100 | 100 | 100 | 108 | 103 | |||
90 | 72.9 | 95 | 84.6 | 10.95 | 75.94 | 20.1 | 9.15 |
80 | 51.2 | 87 | 67.6 | 22.3 | 53.33 | 38.7 | 16.4 |
67 | 29.6 | 82 | 47.8 | 41.7 | 31.12 | 62.2 | 20.5 |
60 | 21.6 | 78 | 39.6 | 49.2 | 22.71 | 70.1 | 20.9 |
50 | 12.5 | 72.8 | 28.6 | 60.7 | 13.16 | 81.9 | 21.2 |
40 | 6.4 | 68 | 19.6 | 71.2 | 6.95 | 89.8 | 18.6 |
從節(jié)能的觀點來看，變頻調(diào)節(jié)方式為目前較佳調(diào)節(jié)方式，優(yōu)于液力耦合器調(diào)速。風機采用變頻調(diào)速驅(qū)動后，機組的可控性提高了，響應速度加快，控制精度也提高了。從而使整個機組的控制性能大大改善，不但改善了機組的運行狀況，還可以大大節(jié)約燃料，進一步節(jié)約能源。同時，采用變頻調(diào)節(jié)以后，可以有效地減輕葉輪和軸承的磨損，延長設(shè)備使用壽命，降低噪聲，大大改善起動性能。工藝條件的改善也能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。
4風光牌JD-BP37系列高壓變頻系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)
風光牌JD-BP37系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。此次改造采用的風光牌JD-BP37-2800/3600F高壓變頻器技術(shù)參數(shù)如表4所示。
表4 JD-BP37-2800/3600F高壓變頻器主要技術(shù)參數(shù) | |||
變頻器容量（kW） | 2800/3600 | 模擬量輸入 | 0～5V/4～20mA，任意設(shè)定 |
適配電機功率（kW） | 2800/3600 | 模擬量輸出 | 兩路0～5V/4～20mA可選 |
額定輸出電流（A） | 340/433 | 加減速時間 | 1～36000s |
輸入頻率（Hz） | 45～55 | 開關(guān)量輸入輸出 | 可按用戶要求擴展 |
額定輸入電壓（V） | 6000V（－20%～+15%） | 運行環(huán)境溫度 | 0～40℃ |
輸入功率因數(shù) | >0.95（>20%負載） | 貯存/運輸溫度 | -40～70℃ |
變頻器效率 | 額定負載下>0.96 | 冷卻方式 | 強迫風冷 |
輸出頻率范圍（Hz） | 0～120 | 環(huán)境濕度 | <90%，無凝結(jié) |
輸出變頻分辨率（Hz） | 0.01 | 安裝海拔高度 | <1000m，高海拔降額使用 |
過載能力 | 105%連續(xù)，150%允許1min。 | 防護等級 | IP20 |
5變頻改造控制方案
5.1方案簡述
該機組主要改造的分別是兩臺一次風機(A、B側(cè))、兩臺二次風機(A、B側(cè))。為保證電廠鍋爐系統(tǒng)和操作的安全性，變頻器采用工變頻手動轉(zhuǎn)換機型。
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制系統(tǒng)具有就地監(jiān)控和遠方監(jiān)控兩種方式現(xiàn)場可選。在就地監(jiān)控方式下，通過變頻裝置上的觸摸式鍵盤和按鈕操作、控制器的LCD/LED顯示，可進行就地人工啟動、停止變頻裝置，可以調(diào)整轉(zhuǎn)速、頻率，就地控制窗口采用中文操作界面，功能設(shè)定、參數(shù)設(shè)定等均采用中文。在遠方監(jiān)控方式下，可通過自動控制系統(tǒng)（DCS）及手動操作器進行操作，操作簡單，并具備頻率、電機電流、電壓、頻率等參數(shù)的實時顯示及開、停等故障顯示功能。
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有完善的自診斷和保護功能，具有輸入過壓、欠壓、過流保護，輸出相間短路、過流、單相接地、過載、過熱、IGBT擊穿或短路、單元故障、瞬時停電保護等保護并能聯(lián)跳輸入側(cè)進線開關(guān)，保護性能符合國家有關(guān)標準的規(guī)定。變頻裝置還能提供電動機所需的過載、過流、過壓、欠壓、熱積累、缺相等保護。變頻裝置內(nèi)任何部分發(fā)生嚴重故障時，具有及時動作的保護功能，不會對電網(wǎng)和負載設(shè)備造成沖擊和損壞。
5.2 液力耦合器的改造
將鍋爐一、二次風機原有液力偶合器整體拆除，電動機前移，新設(shè)計加工一套聯(lián)軸器，使電動機與風機連接；拆除原有工作油泵及其管路系統(tǒng)，新設(shè)計增加油站系統(tǒng)及油泵電源控制系統(tǒng)。
液力耦合器改造前后的現(xiàn)場如圖1、圖2所示。
圖1液力耦合器改造前
圖2液力耦合器改造后
5.3變頻器散熱方案
在鍋爐風機系統(tǒng)節(jié)能改造方案中，高壓變頻器屬于大型電子設(shè)備，使用了移相隔離變壓器及大功率高頻開關(guān)元件，這部分熱量占到2-3%左右，如果不采取措施妥善處理，可能會使變頻器運行環(huán)境溫度過高，影響變頻器的正常運行。為了使變頻器能長期穩(wěn)定和可靠地運行，變頻器安裝空-水冷裝置進行冷卻。
（1）空-水冷卻系統(tǒng)的工作原理
空-水冷卻系統(tǒng)是一種有效、節(jié)能、環(huán)保的冷卻系統(tǒng)，其應用技術(shù)在國內(nèi)處于較先進地位。在高壓大功率變頻應用中得到了廣泛的推廣應用。該系統(tǒng)由于其采用完全機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，較空調(diào)等電力、電子設(shè)備而言具有明顯的安全可靠性。
空-水冷卻器的技術(shù)條件：
進水溫度：≤33℃
工作水壓：0.25MPa
出風溫度：≤40℃
耗水量：降低1KWh所產(chǎn)生的熱量約需水量0.2～0.4m3/h。如圖3、4所示。
圖3 空-水冷裝置工作原理示意圖
圖4空-水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖
（2）系統(tǒng)安全性
設(shè)備整體安裝于高壓變頻器室墻外，采用風道與變頻器的柜頂排氣口直接連接，提高了冷卻器的設(shè)備運行效率，能夠?qū)ψ冾l器排出的熱氣直接降溫處理。同時，避免冷卻水管線在高壓室內(nèi)布局出現(xiàn)破裂后漏水危及高壓設(shè)備運行安全的嚴重事故發(fā)生。在空-水冷系統(tǒng)的設(shè)計當中，為了防止空冷器出口側(cè)凝露使冷風帶水排入室內(nèi)，對空-水冷系統(tǒng)的風壓、風速等指標進行設(shè)計計算，保證良好的排壓情況下，運行安全穩(wěn)定。另外，為防止空冷器漏水后進入室內(nèi)，在空冷器的出口側(cè)設(shè)置了淋水板，當漏水或有積水時，可以直接排向室外。同時，變頻器提供風機、空冷器的故障報警檢測點，并通過綜合報警信號遠傳至DCS。完整的冷卻系統(tǒng)解決方案，有效降低了輔助系統(tǒng)的故障率以及對主要設(shè)備的運行安全影響程度。
5.4 頻系統(tǒng)改造主回路
一次風機、二次風機變頻系統(tǒng)改造主回路如圖5所示。
圖5變頻器旁路柜原理圖
主回路如圖5所示，一次風機、二次風機改造采用“一拖一”手動旁路。旁路柜在變頻器進、出線端增加了三個隔離刀閘，以便在變頻器退出而電機運行于旁路時，能安全地進行變頻器的故障處理或維護工作。
當風機變頻運行時，在DCS界面上調(diào)節(jié)風機頻率去調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，從而達到調(diào)節(jié)流量和風量的目的。當變頻器故障或檢修，可選擇手動方式切換至工頻運行。
6 風機變頻改造效果
6.1節(jié)能計算
陜西某火力發(fā)電廠該爐變頻改造工程于2018年10月下旬一次成功投運，至今運行正常，改造達到了預期目的。高壓變頻器現(xiàn)場運行如圖6所示。
圖6高壓變頻器現(xiàn)場運行
6.1.1風機工頻運行數(shù)據(jù)
風機工頻運行數(shù)據(jù)（液耦調(diào)速）如表5所示。
表5 風機工頻運行數(shù)據(jù) | |||
序號 | 負荷（MW） | 一次風機工頻每小時耗電量（kW?h） | 二次風機工頻每小時耗電量（kW?h） |
1 | 300 | 2166.959 | 1715.918 |
2 | 290 | 2132.082 | 1641.813 |
3 | 280 | 2097.462 | 1568.444 |
4 | 270 | 2063.099 | 1495.811 |
5 | 260 | 1974.471 | 1463.234 |
6 | 250 | 1886.735 | 1430.935 |
7 | 240 | 1799.890 | 1398.915 |
8 | 230 | 1777.531 | 1337.082 |
9 | 220 | 1755.311 | 1275.884 |
10 | 210 | 1733.230 | 1215.320 |
11 | 200 | 1709.537 | 1153.398 |
12 | 190 | 1686.005 | 1092.134 |
13 | 180 | 1662.633 | 1031.529 |
14 | 170 | 1634.264 | 942.144 |
15 | 160 | 1606.118 | 853.779 |
16 | 150 | 1578.195 | 766.434 |
6.1.2風機變頻運行數(shù)據(jù)
風機變頻運行數(shù)據(jù)如表6所示。
表6風機變頻運行數(shù)據(jù) | |||
序號 | 負荷（MW） | 一次風機變頻每小時耗電量（kW?h） | 二次風機變頻每小時耗電量（kW?h） |
1 | 300 | 1516.2 | 1225 |
2 | 290 | 1435.8 | 1165.87 |
3 | 280 | 1340.12 | 1095.3 |
4 | 270 | 1279.06 | 1046.6 |
5 | 260 | 1215.63 | 985.41 |
6 | 250 | 1162.45 | 947.83 |
7 | 240 | 1118.2 | 928.7 |
8 | 230 | 1067.75 | 838.25 |
9 | 220 | 1023.18 | 702.56 |
10 | 210 | 988.34 | 607.5 |
11 | 200 | 960.25 | 548.23 |
12 | 190 | 935.8 | 495.78 |
13 | 180 | 914.5 | 463.95 |
14 | 170 | 868.63 | 401.23 |
15 | 160 | 842 | 345.67 |
16 | 150 | 817.12 | 288 |
6.1.3 直接經(jīng)濟效益
表7 節(jié)能效益計算 | ||||
序號 | 設(shè)備名稱 | 單臺風機年節(jié)電（萬kW?h） | 單臺風機年節(jié)電費（萬元） | 年節(jié)電費（萬元）總計 |
1 | 2套一次風機 | 400 | 80 | 160 |
2 | 2套二次風機 | 300 | 60 | 120 |
總計 | 280 | |||
由表7可知，一次風機、二次風機使用4臺高壓變頻調(diào)速改造后，與液力耦合調(diào)節(jié)相比較，經(jīng)計算，按發(fā)電價0.2元/kW?h，設(shè)備年運行6000h計算，4臺變頻器全年共節(jié)約280萬元。
6.2其他效果
（1）風機變頻改造后，電機實現(xiàn)了真正的軟啟動，消除了對電網(wǎng)和負載的沖擊，避免產(chǎn)生操作過電壓而損傷電機絕緣，延長了電動機和風機的使用壽命。
（2）采用變頻調(diào)節(jié)，節(jié)省了液力偶合能量損耗，且能均勻調(diào)速，滿足生產(chǎn)需要，節(jié)約大量的電能。
（3）低負荷下轉(zhuǎn)速降低，減少了機械部分的磨損和振動，延長了風機大修周期，從而節(jié)省了大量的檢修費用。
（4）具有控制精度高、抗干擾能力強、諧波含量小的特點，且有完善的保護功能，有利于電動機和風機的安全運行。
7結(jié)束語
高壓變頻器在陜西某火力發(fā)電廠該機組輔機的調(diào)速改造中應用是成功的。高壓變頻器的先進性、可靠性已得到許多工業(yè)應用的證實。在各行各業(yè)，對于許多高壓大功率的風機水泵設(shè)備推廣和采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，不僅可以取得相當顯著的節(jié)能效果，而且也得到國家產(chǎn)業(yè)政策的支持。
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