Wednesday May 25, 2022

-则可用改变电动机的转速来满足不同的压力要求

  火电厂变频变频节能改造

  1前言  目前,在我国电源结构中,火电装机容量占74%,发电量占80%;水电装机容量占25%,发电量占19%;核电仅占1%左右,因此火电机组及其辅机设备的节能改造工作是非常重要的。火电厂中的各类辅机设备中,风机水泵类设备占了绝大部分,蕴藏着巨大的节能潜力。由于火电机组调峰力度的加大,这些机组的负荷变化范围很大,必须实时调节风机水泵的流量。目前调节流量的方式多为节流阀调节,由于这种调节方式仅仅是改变了通道的通流阻抗,而电动机的输出功率并没有多大改变,所以浪费了大量的能源。随着电力行业的改革不断深化,厂网分家,竞价上网政策的逐步实施,降低厂用电率,降低发电成本,提高上网电价的竞争力,已成为各火电厂努力追求的经济目标,要求越来越迫切。风机水泵类负载采用调速驱动具有非常可观的节能效果,这已是共识。

  另外,交流电机的直接起动(尤其是高压电机)会产生巨大的电流冲击和转矩冲击,在很短的起动过程中,转子笼型绕组及阻尼绕组将承受很高的热应力和机械应力,致使笼条的端环断裂。直接起动时的大电流还会在定子绕组的端部产生很大的电磁力,使绕组端部振动和变形,造成定子绕组绝缘的机械损伤和磨损,从而导致定子绕组绝缘击穿。直接起动时的大电流还会引起铁芯振动,使铁芯松驰,引起电机发热增加。在火力发电厂中,高压大容量交流笼型异步电动机的使用非常广泛,由于直接起动而造成的电动机烧毁和转子断条事故屡屡发生,给机组的安全经济运行造成很大的威胁。因此大容量异步电动机采用软起动方式,对于延长电动机的使用寿命,减少对电网的冲击,保证机组正常运行是非常必要的。由于电动机的变频软起动可提供高的起动转矩并可做到平滑无冲击,所以采用变频器实现软起动的效果也是非常突击的。同时,采用调速驱动,还可以有效地减轻风机水泵叶轮的磨损,延长设备使用寿命,降低运行噪声。还有运行工艺对辅机设备的控制性能的改善也是十分迫切的,例如锅炉风机和给粉机的调速控制,可以大幅度地改善炉内的燃烧工况,从而节煤、节水,并可节省这些物料的运输,处理能量等。工艺条件的改善可以创造巨大的经济效益,已不再简单地局限在节能的范畴,人们会很快地认识到这一点,并迅速行动起来。

  本公司针对发电厂各种高低压辅机电动机的实际运行工况,逐一地进行节能改造方案举例。

  2 风机

  风机是火力发电厂重要的辅助设备之一,锅炉的四大风机(送风机、引风机、一次风机或排粉风机和烟气再循环风机)的总耗电量约占机组发电量的2%左右。随着火电机组容量的增大,电站锅炉风机的容量也在不断增大,如国产200MW机组,风机的总功率达7140kW(其中,送风机二台2500kW,引风机二台3200kW,排粉风机总功率1440kW),占机组容量的3%以上。因此,提高风机的运行效率对降低厂用电率具有重要的作用。

  2.1 风机的运行状况和节能效果

  我国电站风机已普遍采用了高效离心风机,但实际运行效率并不高,其主要原因:

  一.风机的调速性能差

  二.运行点远离风机的最高效率点。

  我国现行的火电设计规程SDJ-79规定,燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为5%和5%~10%,风压裕度分别为10%和10%~15%。这是因为在设计过程中,很难准确地计算出管网的阻力,并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题,通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。但风机的型号和系列是有限的,往往在选用不到合适的风机型号时,只好往大机号上靠。这样,电站锅炉送、引风机的风量和风压富裕度达20%~30%是比较常见的。

  电站锅炉风机的风量与风压的富裕度以及机组的调峰运行导致风机的运行工况点与设计高效点相偏离,从而使风机的运行效率大幅度下降。一般情况下,采用调节门调节的风机,在两者偏离10%时,效率下降8%左右;偏离20%时,效率下降20%左右;而偏离30%时,效率则下降30%以上,对于采用调节门调节风量的风机,这是一个固有的不可避免的问题。可见,锅炉送、引风机的用电量中,很大一部分是因风机的型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当而被调节门消耗掉的。因此,改进离心风机的调节方式是提高风机效率,降低风机耗电量的最有效途径。

  2.2 风机调速节能改造方案分析

  (1) 对于常年带满负荷的机组根据生产状况,大部分所配置的风机及电动机在设计时考虑各方面因素,都加大容量。而电动机转速是恒定不变的,总是满负荷运转,这样风机产生的风量及风压需要安装一个放风调节阀来调节风量因而浪费电能,及产量和质量提高。同时产生很大的噪音,造成噪音污染。我们的方案如下:

  一、 当风量裕度在10%左右时,此时只要采用调节阀门调节即可,不必采用变速调节。

  二、 当风量余度大于10%时,采用变频调速非常经济,安装变频器来控制电动机转速则可不用调节阀调节风量,,风压基本保持恒定。所需风量大小由窑面操作人员根据情况随时调节变频器的运程控制器,即调节变频器输出频率(0~50Hz)大小达到控制风机转速快慢,最终控制风机产生的风量满足工作要求。或在风道安装压力传感器组成闭环系统,实现风机的自动控制。

  三、 优点:

  1、 安装变频器后,主要是采用软起动,消除起动时产生瞬间冲击力,对电动机和风机可起到保护作用,另风机发生故障时,变频器可以自动断电,对电机起保护作用。

  2、 在风机风量有富余放空情况下,安装变频器后,可保证节电效果在30%以上。一般在6~10个月回收成本。

  3、 降低噪音污染,提高电机功率因数,达到0.98以上,起到环保节电作用。

  (3) 风机的功率一般在1000~2000kW,在目前的功率器件耐压条件下,采用高压IGBT和IGCT的三电平中压变频器,是目前的最佳选择方案。这种变频器的功率器件不串不并,可靠性最高,逆变单元采用12只HV-IGBT或IGCT,使用的功率器件最少,成本最低,体积最小。输入采用12脉冲整流器,网侧谐波小;输出采用LC滤波器,电流波形好,总的谐波畸变率THD1.15。磨煤机的控制根据粉仓粉位信号采用台数调节法,磨煤机不必采用变频调速。若机组负荷变动大,磨煤机起动频繁的话,则要解决的是磨煤机的起动冲击问题,但是仅仅为了解决起动问题而采用高压电机软起动器的话,也不够经济,并且软起动器对于需要重载起动的磨煤机也作用不大,这时可进行给粉机的变频改造以改善燃料控制手段;或增加粉仓容量以减少磨煤机的起动次数。

  对于直吹式制粉系统,每台锅炉配备中速磨煤机或风扇磨煤机4~8台,其中必须有一台备用。当锅炉带额定负荷运行,须6台磨煤机工作时,允许有2台备用;对于双炉膛锅炉,每个炉膛宜各设一台备用磨煤机。直吹式制粉系统的燃料(煤粉)是靠排粉风机(对于负压送粉系统),或一次风机(对于正压送粉系统)送入炉膛燃烧的,为了改善进入炉膛的燃料的可控制性,可对排粉风机或一次风机进行变频调速改造,而磨煤机则根据锅炉负荷需要采用台数调节。

  4.2 给粉机

  对于中间贮仓式制粉系统,燃料(煤粉)是通过给粉机送入炉膛的,改变给粉机的转速即可改变给粉量。以前多采用滑差电机进行转速调整,存在许多问题,现在均用变频器来改变其转速。给粉机都是3kW的小电机,每台锅炉8~16台,实现变频调速主要是改善控制工艺,配合风量的变化改善锅炉燃烧控制系统的调节品质,有利于机组协调控制系统的投入,改善整个发电机组的控制性能。

  4.3 给煤机

  磨煤机所需的煤量是由给煤机输送的。由于煤种及磨煤机工况随时改变,给煤量也是要改变的。原来受技术条件的限制,给煤机存在调速不稳定,下煤不均匀,造成磨煤机存煤量变化频繁,导致磨煤机入口负压,出口温度大幅度波动,不利于机组安全经济运行,跑粉、堵煤严重。现在均用变频器调节给煤机的转速,改善了给煤的可控性,并作为制粉系统协调控制的子系统,为实现制粉系统自动化,降低电耗创造了条件。

  4.4 供油泵

  供油泵是在机组开、停机时或者低负荷时炉膛燃烧不稳定时为锅炉提供燃油的设备,一般两台机组共用一套燃油系统,配备三台供油泵,一台运行、两台备用。机组稳定运行时,锅炉的燃料是煤粉,理论上供油泵可以全部停运。但是为了应付由各种原因造成的锅炉燃烧不稳定的紧急情况,为确保机组安全运行,规程规定要有一台泵长期运行,以维持燃油的正常循环。这种运行方式的缺点是:除了浪费能源外,燃油长期高速流动,造成贮油罐温度升高,特别是在盛夏高温季节,油罐温度可高达50℃,造成严重的安全隐患,供电管路长期呈高压状态,管道阀门,活结等管件容易发生渗漏,增加了设备维护工作量,也影响了环境。若改用变频调速,正常情况下让油低速循环,就可免除上述隐患,又能在紧急情况时保证锅炉的供油。供油泵为低压电机,可采用低压变频器一拖三带工频旁路的方案,比较经济实用。

  5 结 论

  鉴于发电厂辅机电动机调速节能的巨大经济潜力,和面对厂网分家,竞价上网的严峻形势,发电厂辅机调速节能改造势在必行。各种调速方式在性能指标、节能效果、资金投入等方面各有其优缺点,因此在采用何种调速方案进行节能改造方面,也没有一个统一的章法。本文提出的一些改造方案,是根据一般电厂的情况提出的,仅供参考。各电厂应根据本厂机组的具体情况,如负荷情况(是否调峰),辅机电动机设计余量,场地位置,资金投入等情况全面考量,选择适合本厂具体情况的节能改造方案。

  考虑到发电厂生产的具体情况,在进行节能改造时应遵循以下几个原则:

  ① 安全第一的原则 辅机电动机作为发电厂的主要动力源,可靠稳定运行是最基本的,安全是前提。

  ②节能降耗的原则 调速改造的目的是为了节能降耗,系统节能率越高越好,至少达到30%。其次是改善控制性能,提高机组整体效益。

  ③ 投资回收期短的原则 节能改造,要求低投入,高回报,要求调速改造工程的投资回收期尽可能的短,最长不能超过五年。这对发电厂节能改造是个苛刻的要求,因为发电厂的上网电价要比一般工矿企业的电价低许多,一般为50%左右。因此在发电厂进行节能改造时更要讲求经济性。

  ④ 系统改动最小的原则 改造工程应尽可能避免更换原有电机,减少系统的改动。但是为了改善电源结构,消除原有系统的不合理因素或设备选型严重不当等原因,也可进行较大的改造,总之应遵循经济合理的原则。

  ⑤ 空间适宜的原则 改造工程应根据原系统安装空间允许的原则考虑,既要满足设备对环境的要求,又要尽可能安装在现有的厂房,机房或控制室等建筑物内,避免增加土建工程。

  对于随机组长期连续运行的重要设备,如送、引风机,进行变频调速节能改造时,都要采用一施一方案,即一台设备配置一台110%容量的变频器,并且要设计工频旁路系统,当变频器故障时将设备切换到电网运行。为了避免因设备的切换影响机组安全运行,还要设计同步切换(Bypass)控制功能,实现真正的平稳无扰动切换。对于可以间歇工作的设备,如灰浆(渣)泵等,为了降低改造成本,可以采用“一拖N”方案,但必须采用“冷”切换方式,以保证变频器和拖动设备的安全。

  变频器在火电厂给粉系统的应用

  1 概述

  火电厂大型煤粉锅炉的煤粉由磨煤机磨制。制粉系统分直吹式和储仓式二类。储仓式系统一般采用钢球式磨煤机,送粉采用乏气送粉或热风送粉。采用储仓式系统的锅炉,燃煤量应随负荷及工况变化而改变,而改变燃煤量的手段是通过改变给粉机的转速来实现的。采用直吹式系统的锅炉,当负荷及工况发生变化时,是通过直接改变给煤机的给煤量,即调节给煤机转速来改变锅炉的燃煤量。以往的煤粉锅炉一般采用直流调速、调压调速或滑差电机等调整手段,其中以滑差电机进行调速较为普遍,此种方法存在设备复杂、操作繁琐、运行可靠性差、调速精度及线性度差、能耗高、维护工作量大等缺点。近年来,随着变频调速技术的迅速发展,变频调速器以其体积小、重量轻、可控性可靠性高、通用性强、调速范围大、特性硬及节能等优点,倍受人们的青睐。本文就以变频器在邵武发电公司2×125MW机组锅炉给粉机上的应用及改进为例,阐述变频调速技术在火力发电厂中的应用及其发展前景。

  2 锅炉给粉机变频调速的工作原理及结构

  2.1 电动机调速原理

  由电动机特性可知,异步电动机输出轴转速(简称电机转速)为:

  n=(1-s)×60×f/p r/min

  式中,n—电动机同步转速

  f—电动机定子供电频率

  p—电动机极对数

  s=(no-n)/no—为转差率

  显然,改变公式中的参数f、p和s,便可改变电机的转速。

  以往的电机调速大多通过改变参数p和s实现的。由于给粉机所配用的交流异步电动机的转速与同步转速之间的转差率s极小,若将这一微小差别忽略不计,则上述公式可近似等同于给粉机电机的转速公式。变频调速就是通过均匀地改变定子供电频率f,平滑地改变电动机的转速,并且在调速过程中,从高速到低速均能保持有限的转差率,因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能,以及足够强度的机械特性。

  2.2 给粉变频调速特性

  (1) 调速范围

  理论上讲,采用变频器调速其范围为0~100%。但是,根据不同类型的锅炉及煤种,一般应将转速限制在30~1200rpm,这可通过设定变频器的V/f曲线来实现。

  3 给粉变频调速系统组成

  以邵武发电公司技改工程为例:给粉机采用通用型变频器,配用的电动机为Y 112-6、380V/2.2kW型,变频器选用VF102R2G3。该调速系统主要由变频器盘、手操器、电源盘、电机等组成,其系统结构如图1所示:

  由图1可见,变频器是该系统的核心部件。为了保证系统能安全可靠运行,操作、维护方便,本工程给粉机与变频器采用一带一的控制模式(即一台变频器带一台给粉机电机)。分三层布置共12台。

  4 变频调速应用过程中出现的问题及改进办法

  本变频调速系统在投运初期,由于给粉机运行工况较为复杂,其工作环境较为恶劣,而变频器内部保护功能又较强,因此,在现场应用过程中,多次出现内部保护动作而停运给粉机,引发MFT动作。究其原因分析存在以下问题:

  (1) 由于磨煤机入口处的木屑分离器分离间隙较大,仍有部分木屑,甚至铁丝等杂物漏网混入粉仓内,由于给粉机叶轮间隙较小,而导致出现给粉机被杂物卡涩的现象。在给粉机被卡后,由于给粉机电机仍在运转,其电流将会突然增大,而导致内部过流保护动作而停运给粉机。

  (2) 煤粉温度控制不当,使煤粉湿度较大时,粉仓内煤粉不易下滑,使给粉机进料口处形成空洞,随之造成粉仓上部煤粉垮塌而直接重压在给粉机圆盘上,从而使给粉机刮板无法将进料口处堆积过多、过厚的煤粉刮动,造成电机堵转,给粉机电机电流过大,导致变频器保护动作而停运给粉机。

  (3) 风粉混合器发生堵粉现象,使给粉机出口被堵,导致给粉机进料口产生煤粉堆积现象。而使给粉机刮板无法将进料口处堆积过多、过厚的煤粉刮动,造成电机堵转,给粉机电机电流过大,导致变频器保护动作而停运给粉机。

  (4) 变频器的过载能力与其适用电机容量不相配,导致变频器过载保护动作而停运给粉机。

  (5)所选用变频器无断电自复位功能,在厂用电切换或厂用电短时失压给粉机全停,引发MFT动作,造成事故的扩大。

  根据以上几个方面的原因分析,在机组投产后,我们采取了相应的措施及改进办法:

  针对上述(1)至(3)存在的问题,我们采用的措施是:A、对给粉机机械缺陷进行了彻底的处理,部分机械部件进行了更换,采用了可靠性较高的部件;B、调节磨煤机入口处的木屑分离器分离间隙,通过优化调整分离间隙,消除了漏入粉仓的机械杂质;C、加强煤粉温度的控制,保证了煤粉湿度符合要求;D、对风粉混合器进行重新的设计改造,以保证其下粉的流畅。

  针对上述(4)至(5)存在的问题,我们根据给粉机的运行情况,认真核对变频器的过载能力与其适用电机容量,以确保给粉机机械、变频器及电动机能最佳配合。经过综合考虑,变频器改进为带\”转矩矢量控制\”新型控制方式的LG IS4KW变频器(它具有七次失压自复归的功能);电动机改进为防爆式YB112-3kW/6 型(具有较好的抗高温性能)。

  经过以上改进后二年多来的运行实践证明,我公司的给粉机变频调速系统运行良好,维护工作量很小,深受广大运行维修人员的好评。

  5 结束语

  从我公司对变频器在给粉机上的应用及改进的成功实践表明:变频器取代以往的直流电机、滑差电机以及其他机械调速装置,不仅线性度好,灵敏度高,使得电动机调速系统运行可靠、维护方便,而且变频器能较好地与电厂DCS系统实现自动调节控制功能。上述我公司给粉机应用变频调速在解决好工艺系统运行工况中存在的问题后(如上面所提的五个问题),已确保了给粉均匀、锅炉燃烧稳定,从而进一步降低了火电厂的低负荷稳燃投油量,提高机组的运行安全性和经济性,取得了很大的经济效益和社会效益。在取得经验的基础上,火电厂的其他运行辅机设备,如:凝结水泵、疏水泵、给煤机、送风机、引风机等应用变频器来进行调速具有较好的前景,可以获取更好的调节品质和更高的节能效益。目前,我公司已在汽机的凝结水泵、疏水泵上应用变频器调速获得了很好的效果。可见,变频器在火力发电厂中有广泛的应用和良好的发展前景。

DF566

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