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高壓變頻器在300MW機組一二次風機上的節能改造

發布時間:2020-04-19 作者:新風光

1引言

陜西某火力發電有限公司有300MW循環流化床機組,于2015年8正式投產發電。鍋爐采用1057t/h亞臨界循環流化床鍋爐,相比傳統的煤粉鍋爐,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點。

電廠的發電負荷根據用電和用汽要求,通常在額定負荷的50%~100%之間進行調整、變化。發電機輸出功率的變化,鍋爐系統相關設備也要隨著負荷的變化作相應的調整。鍋爐的送風量相應變化,一二次風機出力調整通過液力耦合器調節。液力耦合器傳動效率低、維護保養成本高,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,對廠用電系統穩定運行也有一定的影響,同時強大的沖擊轉矩和沖擊電流,縮短了電動機和機械的使用壽命。通過大量應用表明,應用高壓變頻調速裝置來改變電機轉速,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,該電廠領導決定對發電機組鍋爐輔機一次風機、二次風機進行變頻改造。經過招投標,決定采用新風光電子科技股份有限公司生產的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改造現場電機、液偶參數

2.1 一次風機主要技術參數

表1一次風機、電機及液偶參數

一次風機

型號

RU25-DW2720F

流量(m3/h)

366840

功率(kW)

3400

全壓(Pa)

26499

轉速(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

轉速(r/min)

1500

轉數差率

1.5-3﹪

功率范圍(kW)

1600--4350

調節范圍

1-1:5

質量(kg)

7100

2.2二次風機主要技術參數

表2二次風機、電機及液偶參數

二次風機

型號

RU30-M2500F

風量(m3/h)

401904

軸功率(kW)

2800

風機轉速(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

轉速(r/min)

1500

轉數差率

1.5-3﹪

功率范圍(kW)

1240--3360

調節范圍

1-1:5

質量(kg)

4950

3節能原理

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節性能差,二是運行點遠離風機的最高效率點。火電機組的一次風機、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。這是因為在設計過程中,很難準確地計算出管網的阻力,并考慮到長期運行過程中可能發生的各種問題,所以把系統的最大風量和風壓富裕量作為選擇風機型號的設計值。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峰運行,導致風機的運行工況點與設計高效點相偏離,從而使風機的運行效率大幅度下降。可見,一次風機、二次風機的用電量中,很大一部分是,因風機的型號與管網系統的參數不匹配及調節方式不當,而被調消耗掉的。因此,改進離心風機的調節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節方式下的電量情況數據。

表3 風機在不同的流量和調節方式下的電量情況數據對比

流量百分比(%)

變速調節理論軸功率(%)

節流調節軸功率(%)

液力偶合器調節軸功率(%)

液力偶合器節電率

(%)

變頻調速軸功率(%)

變頻調速節電率(%)

兩種調速節電率之差(%)

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

從節能的觀點來看,變頻調節方式為目前較佳調節方式,優于液力耦合器調速。風機采用變頻調速驅動后,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,還可以大大節約燃料,進一步節約能源。同時,采用變頻調節以后,可以有效地減輕葉輪和軸承的磨損,延長設備使用壽命,降低噪聲,大大改善起動性能。工藝條件的改善也能夠產生巨大的經濟效益。

4風光牌JD-BP37系列高壓變頻系統技術參數

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、功率單元串聯多電平技術,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,輸入功率因數高,輸出波形質量好,不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器;不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、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高壓變頻器技術參數如表4所示。

 表4 JD-BP37-2800/3600F高壓變頻器主要技術參數

變頻器容量(kW)

2800/3600

模擬量輸入

0~5V/4~20mA,任意設定

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%)

運行環境溫度

0~40℃

輸入功率因數

>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

環境濕度

<90%,無凝結

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,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)、兩臺二次風機(A、B側)。為保證電廠鍋爐系統和操作的安全性,變頻器采用工變頻手動轉換機型。

高壓變頻調速系統控制系統具有就地監控和遠方監控兩種方式現場可選。在就地監控方式下,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,可以調整轉速、頻率,就地控制窗口采用中文操作界面,功能設定、參數設定等均采用中文。在遠方監控方式下,可通過自動控制系統(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、頻率等參數的實時顯示及開、停等故障顯示功能。

高壓變頻調速系統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跳輸入側進線開關,保護性能符合國家有關標準的規定。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。變頻裝置內任何部分發生嚴重故障時,具有及時動作的保護功能,不會對電網和負載設備造成沖擊和損壞。

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,新設計加工一套聯軸器,使電動機與風機連接;拆除原有工作油泵及其管路系統,新設計增加油站系統及油泵電源控制系統。

液力耦合器改造前后的現場如圖1、圖2所示。


1587201863(1).jpg

圖1液力耦合器改造前

1587201905(1).jpg

圖2液力耦合器改造后

5.3變頻器散熱方案

在鍋爐風機系統節能改造方案中,高壓變頻器屬于大型電子設備,使用了移相隔離變壓器及大功率高頻開關元件,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-水冷卻系統的工作原理

空-水冷卻系統是一種有效、節能、環保的冷卻系統,其應用技術在國內處于較先進地位。在高壓大功率變頻應用中得到了廣泛的推廣應用。該系統由于其采用完全機械結構設計,較空調等電力、電子設備而言具有明顯的安全可靠性。

空-水冷卻器的技術條件:

進水溫度:≤33℃

工作水壓:0.25MPa

出風溫度:≤40℃

耗水量:降低1KWh所產生的熱量約需水量0.2~0.4m3/h。如圖3、4所示。

1587201996(1).jpg

圖3 空-水冷裝置工作原理示意圖

1587202039(1).jpg

圖4空-水冷卻系統結構原理圖

(2)系統安全性

設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,提高了冷卻器的設備運行效率,能夠對變頻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布局出現破裂后漏水危及高壓設備運行安全的嚴重事故發生。在空-水冷系統的設計當中,為了防止空冷器出口側凝露使冷風帶水排入室內,對空-水冷系統的風壓、風速等指標進行設計計算,保證良好的排壓情況下,運行安全穩定。另外,為防止空冷器漏水后進入室內,在空冷器的出口側設置了淋水板,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。完整的冷卻系統解決方案,有效降低了輔助系統的故障率以及對主要設備的運行安全影響程度。

5.4 頻系統改造主回路

一次風機、二次風機變頻系統改造主回路如圖5所示。


1587175880(1).jpg

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界面上調節風機頻率去調整電機轉速,從而達到調節流量和風量的目的。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節能計算

陜西某火力發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。高壓變頻器現場運行如圖6所示。

 1591186640(1).jpg

圖6高壓變頻器現場運行

6.1.1風機工頻運行數據

風機工頻運行數據(液耦調速)如表5所示。

表5 風機工頻運行數據

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風機變頻運行數據

風機變頻運行數據如表6所示。

表6風機變頻運行數據

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  直接經濟效益

表7 節能效益計算

序號

設備名稱

單臺風機年節電(萬kW?h)

單臺風機年節電費(萬元)

年節電費(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臺高壓變頻調速改造后,與液力耦合調節相比較,經計算,按發電價0.2元/kW?h,設備年運行6000h計算,4臺變頻器全年共節約280萬元。

6.2其他效果

(1)風機變頻改造后,電機實現了真正的軟啟動,消除了對電網和負載的沖擊,避免產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)采用變頻調節,節省了液力偶合能量損耗,且能均勻調速,滿足生產需要,節約大量的電能。

(3)低負荷下轉速降低,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結束語

高壓變頻器在陜西某火力發電廠該機組輔機的調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應用的證實。在各行各業,對于許多高壓大功率的風機水泵設備推廣和采用高壓變頻調速技術,不僅可以取得相當顯著的節能效果,而且也得到國家產業政策的支持。

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