2×600 MW空冷亚临界发电机组辅机节能改造分析及能耗计算

王建鹏

(山西省自动化研究所，山西太原 030012)

总装机容量为2×600 MW空冷亚临界发电机组，机组主辅机设备若要节能，降低厂用电率，提高机组运行效率，则需要进行系统的优化和整体协调以期实现机组节能降耗的目标。

通过对现场运行情况、设备工况的调研和评估论证，对主辅机设备采用高压变频调速技术，并且在不改变原有系统控制结构体系和安全性能的基础上协调原有控制技术，使主辅机的调节形成一套完整的自动化节能优化系统，从而实现机组主辅机节能降耗。

1 系统分析

1.1 一次动力系统

机组10 kV高压母线部分主要包括A、B两母线一次动力系统。通过分析，可知10 kV母线段电源系统可以通过采用电压源型结构的高压变频器进行节能优化时，可以将母线段的负载侧功率因数由目前的0.6～0.82提高到0.95以上，普遍提高网侧功率因数降低电网和网侧变压器的无功损耗。

两台机组具备节能改造条件的主辅机设备统计如下，累计有效设备运行总装机容量50 460 kW，占机组电动机负载装机总容量55.78%。预计进行整体节能优化后，机组10 kV一次动力系统主辅机设备电耗水平可平均下降4 500 kW/h～6 000 kW/h。改造部分的增压风机(2×5 500 kW)、闭式水泵(2×400 kW)、辅机冷却水泵(2×630 kW)占机组节能优化的装机总容量25.9%，初步显现高压变频节能优化系统的技术和经济优势。

1.2 变频控制系统

机组采用先进的DCS控制系统，机、电、炉一体化设计结构，锅炉、汽机、脱硫、除尘等主系统均由下属的各子系统组成，各子系统又分别形成一个相对独立的自控单元实现系统的整体平衡和稳定运行，当发电负荷发生变化单台主辅机设备出现异常时，需要联动汽机锅炉负荷侧设备作出相应调整，严重时需要进行设备保护和联调动作。变频节能改造，不仅是要从三项能耗指标入手，更重要的是需要在进行改造时，不破坏现有系统结构和安全防护体系，采用同等原则进行运行模式和设备变化的调整和协调，实现经济运行的同时又保障机组运行安全和稳定性能。

根据一次动力系统的分析，结合机组运行工艺流程，该机组中能够进行工况调节的设备主要涉及:锅炉侧的引风控制系统、磨煤机负荷调整系统，汽机侧的凝汽器凝结水系统和辅机冷却循环水系统，以及脱硫系统的烟气控制系统、吸收系统、灰浆输送系统等，主要辅机设备基本上均与机组的子系统稳定性有关。进行变频节能优化，需要满足以下几方面要求:

(1)采用变频调速技术后，既有控制对象不变，控制目标不变。

(2)没有调节对象的需要在进行机组节能改造后，与子系统的工艺参数关联进行实时控制调节，从而达到优化运行参数的目的。

(3)在运行方式发生变化时，需要实现转速与开度，工频与变频之间的无扰切换。

(4)系统设备出现故障跳闸时，应当实现变工况调整。避免机组降负荷停机等影响机组安全的事故发生。

(5)在改变被控对象后，必须保证调节品质不低于现行运行标准。

(6)实现机组内各子系统间的工况联动、子系统内设备间的变工况联动，以保障最大限度的稳定。

2 系统优化方案

通过对现有机组现有主辅机设备10 kV高压动力系统和机组生产工艺、自动化控制水平、DCS现状等情况的具体研究、分析，以“先保证系统安全可靠，结构合理，提供最佳性价比方案”的原则，对机组的一次系统和控制系统进行变频节能改造整体系统架构的方案设计论证。

2.1 一次动力系统方案

通过对一次系统的分析，结合主辅机设备负载运行工况和控制工艺的工况需求，需要对以下设备采取高压变频调速技术进行节能优化，使负载功耗能够跟随机组发电负荷情况自动调整，提高负载设备的效率，优化设备运行工况，达到节能的目的。

通过对一次系统的分析，结合脱硫系统增压风机设备负载运行工况和控制工艺的需求，采用变频调速技术后，增压风机的负载功耗能够跟随机组发电负荷情况自动调整，提高负载设备的运行效率，优化运行工况，从而达到节能的目的。

2.2 变频节能控制系统方案

通过对现有机组DCS的分析，结合机组变频节能优化的应用特点，该系统需要在DCS提供控制端口、运行方式和控制策略，以期实现项目的控制，达到节能和优化系统的目的。以脱硫增压风机控制方案为例，根据脱硫系统的工艺要求和控制需求，在现有控制系统的基础上，采用变频协调控制技术来实现改造所需完成的各项功能。主要设备包括:HARSVERT-A10/400高压变频器2台、高压隔离开关6台、10 kV母线高压开关柜2台。

采用HCU技术设计的高压变频控制系统将高压变频器、旁路切换装置、高压开关等有关的设备整合为一种驱动设备。对于DCS而言，可实现工频、变频运行方式的切换，以及控制转速还是控制挡板、阀门的调节对象切换问题;控制风机启停，实现其负荷率随机组负荷调整。

3 节能收益计算及回报

下面以脱硫增压风机为例预算。

3.1 现场技术数据

(1)发电机组容量:600 MW

(2)年运行时间:以6 850 h计算

(3)电价:0.315元/kWh

3.2 工频状态下年耗电量计算［1］

Pd:电动机功率;d:电动机效率;U:电动机输入电压;

cosφ:功率因数。

计算公式:

累计年耗电量公式:

Cd:年耗电量值;T:年运行时间;δ:单负荷运行时间百分比。

各负荷电动机实际功耗计算值见表1。

表1 电动机实际功耗

年累计工频耗电量:Cd=25 994 709 kWh

3.3 变频状态下年耗电量计算

计算依据:(1)风机设备属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系:Q∝n，H∝n，P∝n;即，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方正比。即:

H＇变频时风机的压力;H0额定压力;Pdn额定功率;Pb变频功率。

(2)Pd′:电动机轴功率;P:风机轴功率;d:电动机效率;f:变频器实际效率;Q:流量;H:风压;λ:风机特性系数。

由于风机与电动机轴直接连接，则传动效率为1;

风机轴功率:

电动机功率:

由上述公式(4)(5)(6)可推理得出:

根据实际运行工况，推导预期100%开度情况的提供风压4 350 Pa、网侧功率6 450 kW。

经过计算各设备进行变频改造后功率如表2。

表2 各功率段变频改造后功率

年累计变频耗电量:Cd=22 082 634 kWh

3.4 节能收益计算

根据公式:ΔC=Cd－Cb

节电率=(ΔC/Cd)×100%(见表3)。

表3 各功率段节电量

按照2009年的运行工况，累计年运行时间6 850 h，平均节电率17.1%，年节电量391.2万kWh。节约电量若以发电成本计算，则每年可节约发电成本:

391.2 ×0.315=123.23 万元。

4 结束语

根据以上对按照机组辅机电动机系统运行数据，进行节能改造后，在现有运行工况不发生改变的前提下，预期改造后增压风机节电率在17.1%以上，节约的成本非常可观，为了使企业顺利开展节能技术改造，零风险实现节能改造利益最大化，节能设备制造商以设备作价对节能改造企业进行投资，通过节能收益获得投资回报，实现节能技改企业和节能设备制造企业的共赢发展。

［1］刘军祥.100 MW机组给水系统高压变频改造可行性研究［J］.变频器世界，2006(8):53－57.