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高压变频器在300MW机组一二次风机上的节能改造

发布时间:2020-04-19 作者:九州ju11net

1引言

陕西某火力发电有限公司有300MW循环流化床机组,于2015年8正式投产发电。锅炉采用1057t/h亚临界循环流化床锅炉,相比传统的煤粉锅炉,具有燃烧效率高、负荷适应范围广、低温燃烧具有脱硫脱硝功能等优点。

电厂的发电负荷根据用电和用汽要求,通常在额定负荷的50%~100%之间进行调整、变化。发电机输出功率的变化,锅炉系统相关设备也要随着负荷的变化作相应的调整。锅炉的送风量相应变化,一二次风机出力调整通过液力耦合器调节。液力耦合器传动效率低、维护保养成本高,特别是在低负荷运行时,电动机输出功率有大量的能耗损失。同时异步电动机在启动时启动电流一般达到电动机额定电流的5~8倍,对电动机、动力电缆造成较大冲击,对厂用电系统稳定运行也有一定的影响,同时强大的冲击转矩和冲击电流,缩短了电动机和机械的使用寿命。通过大量应用表明,应用高压变频调速装置来改变电机转速,满足不同负载的工艺要求,是解决以上矛盾的有效手段。

为了降低厂用电率,减少机组运行成本,提升自动化控制,该电厂领导决定对发电机组锅炉辅机一次风机、二次风机进行变频改造。经过招投标,决定采用九州ju11net电子科技股份有限公司生产的2800kW/6kV(2套)、3600kW/6kV(2套)高压变频器分别拖动一次风机和二次风机。改造取得了成功。

2改造现场电机、液偶参数

2.1 一次风机主要技术参数

表1一次风机、电机及液偶参数

一次风机

型号

RU25-DW2720F

流量(m3/h)

366840

功率(kW)

3400

全压(Pa)

26499

转速(r/min)

1450

轴承形式

滚动轴承

一次风机电机

型号

YKK710-4

功率(kW)

3400

电压(V)

6000

电流(A)

389

功率因素

0.88

接线方式

Y

绝缘等级

F

转速(r/min)

1491

轴承润滑方式

稀油润滑

轴承形式

滚动轴承

液偶

型号

YOTCH910

转速(r/min)

1500

转数差率

1.5-3﹪

功率范围(kW)

1600--4350

调节范围

1-1:5

质量(kg)

7100

2.2二次风机主要技术参数

表2二次风机、电机及液偶参数

二次风机

型号

RU30-M2500F

风量(m3/h)

401904

轴功率(kW)

2800

风机转速(r/min)

1450

效率

85.1%

全压(Pa)

19935

二次风机电机

型号

YKK710-4

功率(kW)

2800

电压(V)

6000

电流(A)

321

功率因素

0.88

接线方式

Y

绝缘等级

F

转速(r/min)

1492

轴承润滑方式

稀油润滑

轴承形式

滚动轴承

液偶

型号

YOTCH875

转速(r/min)

1500

转数差率

1.5-3﹪

功率范围(kW)

1240--3360

调节范围

1-1:5

质量(kg)

4950

3节能原理

该机组一次风机、二次风机采用离心风机,但实际运行效率并不高,其主要原因之一是风机的调节性能差,二是运行点远离风机的最高效率点。火电机组的一次风机、二次风机的风量裕度分别为5%和7%左右,风压裕度分别为10%和13%左右。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,所以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,选用不到合适的风机型号,只好往大机号上靠。这样,机组一次风机、二次风机的风量和风压富裕度是比较大的。

该机组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。可见,一次风机、二次风机的用电量中,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,降低风机耗电量的有效途径。

表3通过大量的工程案例获得的叶片式风机在不同的流量和调节方式下的电量情况数据。

表3 风机在不同的流量和调节方式下的电量情况数据对比

流量百分比(%)

变速调节理论轴功率(%)

节流调节轴功率(%)

液力偶合器调节轴功率(%)

液力偶合器节电率

(%)

变频调速轴功率(%)

变频调速节电率(%)

两种调速节电率之差(%)

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

从节能的观点来看,变频调节方式为目前较佳调节方式,优于液力耦合器调速。风机采用变频调速驱动后,机组的可控性提高了,响应速度加快,控制精度也提高了。从而使整个机组的控制性能大大改善,不但改善了机组的运行状况,还可以大大节约燃料,进一步节约能源。同时,采用变频调节以后,可以有效地减轻叶轮和轴承的磨损,延长设备使用寿命,降低噪声,大大改善起动性能。工艺条件的改善也能够产生巨大的经济效益。

4风光牌JD-BP37系列高压变频系统技术参数

风光牌JD-BP37系列高压变频器以高速DSP为控制核心,采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术,属高-高电压源型变频器,其谐波指标远小于IEEE519-1992的谐波标准,输入功率因数高,输出波形质量好,不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器;不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题,可以使用普通的异步电机。此次改造采用的风光牌JD-BP37-2800/3600F高压变频器技术参数如表4所示。

 表4 JD-BP37-2800/3600F高压变频器主要技术参数

变频器容量(kW)

2800/3600

模拟量输入

0~5V/4~20mA,任意设定

适配电机功率(kW)

2800/3600

模拟量输出

两路0~5V/4~20mA可选

额定输出电流(A)

340/433

加减速时间

1~36000s

输入频率(Hz)

45~55

开关量输入输出

可按用户要求扩展

额定输入电压(V)

6000V(-20%~+15%)

运行环境温度

0~40℃

输入功率因数

>0.95(>20%负载)

贮存/运输温度

-40~70℃

变频器效率

额定负载下>0.96

冷却方式

强迫风冷

输出频率范围(Hz)

0~120

环境湿度

<90%,无凝结

输出变频分辨率(Hz)

0.01

安装海拔高度

<1000m,高海拔降额使用

过载能力

105%连续,150%允许1min。

防护等级

IP20

5变频改造控制方案

5.1方案简述

该机组主要改造的分别是两台一次风机(A、B侧)、两台二次风机(A、B侧)。为保证电厂锅炉系统和操作的安全性,变频器采用工变频手动转换机型。

高压变频调速系统控制系统具有就地监控和远方监控两种方式现场可选。在就地监控方式下,通过变频装置上的触摸式键盘和按钮操作、控制器的LCD/LED显示,可进行就地人工启动、停止变频装置,可以调整转速、频率,就地控制窗口采用中文操作界面,功能设定、参数设定等均采用中文。在远方监控方式下,可通过自动控制系统(DCS)及手动操作器进行操作,操作简单,并具备频率、电机电流、电压、频率等参数的实时显示及开、停等故障显示功能。

高压变频调速系统具有完善的自诊断和保护功能,具有输入过压、欠压、过流保护,输出相间短路、过流、单相接地、过载、过热、IGBT击穿或短路、单元故障、瞬时停电保护等保护并能联跳输入侧进线开关,保护性能符合国家有关标准的规定。变频装置还能提供电动机所需的过载、过流、过压、欠压、热积累、缺相等保护。变频装置内任何部分发生严重故障时,具有及时动作的保护功能,不会对电网和负载设备造成冲击和损坏。

5.2 液力耦合器的改造

将锅炉一、二次风机原有液力偶合器整体拆除,电动机前移,新设计加工一套联轴器,使电动机与风机连接;拆除原有工作油泵及其管路系统,新设计增加油站系统及油泵电源控制系统。

液力耦合器改造前后的现场如图1、图2所示。


1587201863(1).jpg

图1液力耦合器改造前

1587201905(1).jpg

图2液力耦合器改造后

5.3变频器散热方案

在锅炉风机系统节能改造方案中,高压变频器属于大型电子设备,使用了移相隔离变压器及大功率高频开关元件,这部分热量占到2-3%左右,如果不采取措施妥善处理,可能会使变频器运行环境温度过高,影响变频器的正常运行。为了使变频器能长期稳定和可靠地运行,变频器安装空-水冷装置进行冷却。

(1)空-水冷却系统的工作原理

空-水冷却系统是一种有效、节能、环保的冷却系统,其应用技术在国内处于较先进地位。在高压大功率变频应用中得到了广泛的推广应用。该系统由于其采用完全机械结构设计,较空调等电力、电子设备而言具有明显的安全可靠性。

空-水冷却器的技术条件:

进水温度:≤33℃

工作水压:0.25MPa

出风温度:≤40℃

耗水量:降低1KWh所产生的热量约需水量0.2~0.4m3/h。如图3、4所示。

1587201996(1).jpg

图3 空-水冷装置工作原理示意图

1587202039(1).jpg

图4空-水冷却系统结构原理图

(2)系统安全性

设备整体安装于高压变频器室墙外,采用风道与变频器的柜顶排气口直接连接,提高了冷却器的设备运行效率,能够对变频器排出的热气直接降温处理。同时,避免冷却水管线在高压室内布局出现破裂后漏水危及高压设备运行安全的严重事故发生。在空-水冷系统的设计当中,为了防止空冷器出口侧凝露使冷风带水排入室内,对空-水冷系统的风压、风速等指标进行设计计算,保证良好的排压情况下,运行安全稳定。另外,为防止空冷器漏水后进入室内,在空冷器的出口侧设置了淋水板,当漏水或有积水时,可以直接排向室外。同时,变频器提供风机、空冷器的故障报警检测点,并通过综合报警信号远传至DCS。完整的冷却系统解决方案,有效降低了辅助系统的故障率以及对主要设备的运行安全影响程度。

5.4 频系统改造主回路

一次风机、二次风机变频系统改造主回路如图5所示。


1587175880(1).jpg

图5变频器旁路柜原理图

主回路如图5所示,一次风机、二次风机改造采用“一拖一”手动旁路。旁路柜在变频器进、出线端增加了三个隔离刀闸,以便在变频器退出而电机运行于旁路时,能安全地进行变频器的故障处理或维护工作。

当风机变频运行时,在DCS界面上调节风机频率去调整电机转速,从而达到调节流量和风量的目的。当变频器故障或检修,可选择手动方式切换至工频运行。

6 风机变频改造效果

6.1节能计算

陕西某火力发电厂该炉变频改造工程于2018年10月下旬一次成功投运,至今运行正常,改造达到了预期目的。高压变频器现场运行如图6所示。

 1591186640(1).jpg

图6高压变频器现场运行

6.1.1风机工频运行数据

风机工频运行数据(液耦调速)如表5所示。

表5 风机工频运行数据

序号

负荷(MW)

一次风机工频每小时耗电量(kW•h)

二次风机工频每小时耗电量(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风机变频运行数据

风机变频运行数据如表6所示。

表6风机变频运行数据

序号

负荷(MW)

一次风机变频每小时耗电量(kW•h)

二次风机变频每小时耗电量(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  直接经济效益

表7 节能效益计算

序号

设备名称

单台风机年节电(万kW•h)

单台风机年节电费(万元)

年节电费(万元)总计

1

2套一次风机

400

80

160

2

2套二次风机

300

60

120

总计

280

由表7可知,一次风机、二次风机使用4台高压变频调速改造后,与液力耦合调节相比较,经计算,按发电价0.2元/kW•h,设备年运行6000h计算,4台变频器全年共节约280万元。

6.2其他效果

(1)风机变频改造后,电机实现了真正的软启动,消除了对电网和负载的冲击,避免产生操作过电压而损伤电机绝缘,延长了电动机和风机的使用寿命。

(2)采用变频调节,节省了液力偶合能量损耗,且能均匀调速,满足生产需要,节约大量的电能。

(3)低负荷下转速降低,减少了机械部分的磨损和振动,延长了风机大修周期,从而节省了大量的检修费用。

(4)具有控制精度高、抗干扰能力强、谐波含量小的特点,且有完善的保护功能,有利于电动机和风机的安全运行。

7结束语

高压变频器在陕西某火力发电厂该机组辅机的调速改造中应用是成功的。高压变频器的先进性、可靠性已得到许多工业应用的证实。在各行各业,对于许多高压大功率的风机水泵设备推广和采用高压变频调速技术,不仅可以取得相当显著的节能效果,而且也得到国家产业政策的支持。