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(fēng)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(yīng)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(yīng)的調(diào)整。鍋爐的送風(fēng)量相應(yīng)變化,一二次風(fēng)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(yīng)用表明,應(yīng)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(dǎo)決定對發(fā)電機組鍋爐輔機一次風(fēng)機、二次風(fēng)機進行變頻改造。經(jīng)過招投標(biāo),決定采用新風(fēng)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(fēng)機和二次風(fēng)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(fēng)機主要技術(shù)參數(shù)
表1一次風(fēng)機、電機及液偶參數(shù) | ||||||
一次風(fēng)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(fēng)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(fēng)機主要技術(shù)參數(shù)
表2二次風(fēng)機、電機及液偶參數(shù) | |||||
二次風(fēng)機 | |||||
型號 | RU30-M2500F | 風(fēng)量(m3/h) | 401904 | ||
軸功率(kW) | 2800 | 風(fēng)機轉(zhuǎn)速(r/min) | 1450 | ||
效率 | 85.1% | 全壓(Pa) | 19935 | ||
二次風(fēng)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(fēng)機、二次風(fēng)機采用離心風(fēng)機,但實際運行效率并不高,其主要原因之一是風(fēng)機的調(diào)節(jié)性能差,二是運行點遠離風(fēng)機的最高效率點?;痣姍C組的一次風(fēng)機、二次風(fēng)機的風(fēng)量裕度分別為5%和7%左右,風(fēng)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(zhǔn)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(fēng)量和風(fēng)壓富裕量作為選擇風(fēng)機型號的設(shè)計值。但風(fēng)機的型號和系列是有限的,選用不到合適的風(fēng)機型號,只好往大機號上靠。這樣,機組一次風(fēng)機、二次風(fēng)機的風(fēng)量和風(fēng)壓富裕度是比較大的。
該機組風(fēng)機的風(fēng)量與風(fēng)壓的富裕度以及機組的調(diào)峰運行,導(dǎo)致風(fēng)機的運行工況點與設(shè)計高效點相偏離,從而使風(fēng)機的運行效率大幅度下降??梢?,一次風(fēng)機、二次風(fēng)機的用電量中,很大一部分是,因風(fēng)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(dāng),而被調(diào)消耗掉的。因此,改進離心風(fēng)機的調(diào)節(jié)方式是提高風(fēng)機效率,降低風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)機采用變頻調(diào)速驅(qū)動后,機組的可控性提高了,響應(yīng)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(fēng)光牌JD-BP37系列高壓變頻系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)
風(fēng)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(biāo)遠小于IEEE519-1992的諧波標(biāo)準(zhǔn),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(fēng)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(fēng)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(fēng)機(A、B側(cè))、兩臺二次風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(yīng)用技術(shù)在國內(nèi)處于較先進地位。在高壓大功率變頻應(yīng)用中得到了廣泛的推廣應(yīng)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(fēng)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(fēng)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(yán)重事故發(fā)生。在空-水冷系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中,為了防止空冷器出口側(cè)凝露使冷風(fēng)帶水排入室內(nèi),對空-水冷系統(tǒng)的風(fēng)壓、風(fēng)速等指標(biāo)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(dāng)漏水或有積水時,可以直接排向室外。同時,變頻器提供風(fēng)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(fēng)機、二次風(fēng)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(fēng)機、二次風(fēng)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(dāng)風(fēng)機變頻運行時,在DCS界面上調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率去調(diào)整電機轉(zhuǎn)速,從而達到調(diào)節(jié)流量和風(fēng)量的目的。當(dāng)變頻器故障或檢修,可選擇手動方式切換至工頻運行。
6 風(fēng)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(yù)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(fēng)機工頻運行數(shù)據(jù)
風(fēng)機工頻運行數(shù)據(jù)(液耦調(diào)速)如表5所示。
表5 風(fēng)機工頻運行數(shù)據(jù) | |||
序號 | 負荷(MW) | 一次風(fēng)機工頻每小時耗電量(kW?h) | 二次風(fēng)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(fēng)機變頻運行數(shù)據(jù)
風(fēng)機變頻運行數(shù)據(jù)如表6所示。
表6風(fēng)機變頻運行數(shù)據(jù) | |||
序號 | 負荷(MW) | 一次風(fēng)機變頻每小時耗電量(kW?h) | 二次風(fēng)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(fēng)機年節(jié)電(萬kW?h) | 單臺風(fēng)機年節(jié)電費(萬元) | 年節(jié)電費(萬元)總計 |
1 | 2套一次風(fēng)機 | 400 | 80 | 160 |
2 | 2套二次風(fēng)機 | 300 | 60 | 120 |
總計 | 280 |
由表7可知,一次風(fēng)機、二次風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(yīng)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(yīng)用的證實。在各行各業(yè),對于許多高壓大功率的風(fēng)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(dāng)顯著的節(jié)能效果,而且也得到國家產(chǎn)業(yè)政策的支持。