火力发电厂锅炉风机节能改造

2013-04-25邱俊

长沙民政职业技术学院学报 2013年1期

邱俊

（长沙民政职业技术学院，湖南长沙，410004）

1.引言

某火力发电有限公司是始建于上世纪50年代的一座城市老电厂，共有9台机组，总装机容量达14.8万千瓦。“以大代小”的一期技改项目的两台12.5万千瓦机组于1994年全部投产。二期技改工程是在一期技改的基础上进一步贯彻“以大代小”的原则，2003年年底技术改造项目两台31万千瓦机组并网发电，总装机容量扩至87万千瓦。今年8月，本人有幸参加了该公司3#机组锅炉风机节能改造项目。

2 机组锅炉风机变频节能改造必要性分析

2.1 从风机运行状态分析

国家在“十一五”规划中大力提倡建设节约型社会。随着电力行业改革的深化、“厂网分家”、“竞价上网”等政策的出台，通过节能降耗，降低厂用电率，降低发电成本，提高电价竞争力，已成为各发电厂提高经济效益的重要工作。

在火力发电厂中，风机和水泵是主要的耗电设备，容量大、耗电多。加上基本上都为连续运行且常常处于低负荷及变负荷运行状态，节能潜力巨大。

图1是3#机310MW机组图。3#机组的风机都是采用高效离心式风机，厂用电一般占机组年发电量的8.76%。而风机、水泵等负载约占厂用电量的三分之一，6kV以上电压等级的风机、水泵等辅机设备将至少消耗其中的九成。由于这些设备经常没有工作在最高效率点，所以实际运行效率并不高。当初设计时是以最大需风量和风压作为参考来选择电机类型，所以冗余量特别大，一般风量裕量在5%～10%，风压裕量在10%。其中锅炉引风机、一次风机、二次风机、送风机的单机功率大，长时间运行，节能潜力最大。其他的比如排粉风机、再循环风机等也具有很大的节能潜力。所以对电厂高压辅机设备进行降耗节能改造，不仅是当前推进企业节能降耗的重要技术手段，也是实现经济增长方式转变的必然要求。

图1 火电厂3#机组图

2.2 从风机控制方式分析

风机传统的调节方式是调节入口或出口的挡板阀门开度，以此来调节流量和压力，是一种经济效益差、能耗大、设备损坏严重、维修难度大、运行费用高的落后办法。主要存在以下问题：

1）采用挡板阀门调节时，大量的能量损耗在挡板阀门的截流过程中。对风机而言，最有效的节能措施是采用调速来调节流量。由于风机大都为平方转矩负载，轴功率则与转速大致成立方关系，所以当风机转速下降时，消耗的功率大大下降。

2）介质对挡板阀门和管道冲击较大，设备损坏严重。

3）挡板阀门动作迟缓，手动时人员不易操作，而且操作不当会造成风机震动。挡板阀门执行机构一般为大力矩的电动执行器，故障较多，不能适应长期频繁调节，调节线性度差，构成闭环自动控制较难，且动态性能不理想。

4）异步电动机在直接起动时起动电流一般达到电机额定电流的6-8倍，对电网冲击较大，也会引起电机发热，强大的冲击转矩对电机和风机的机械寿命存在很多不利的影响。

可见，锅炉风机节能改造是非常有必要的。

3.风机节能改造实施过程

3.1 变频调速分析

3.1.1 变频调速能节约原来损耗在挡板阀门截流过程中的大量能量，大大提高了经济效益。

3.1.2 采用变频调速后，可实现软起动，对电网的冲击和机械负载的冲击都不存在了，同时延长了风机的寿命。同时，采用变频调速后，电机的无功功率通过变频器直流环节的滤波电容进行了瞬时补偿，变频器的输入功率因数可大0.95以上。相对电机直接工频运行而言，功率因数大大改善，对低速电机效果尤为明显。实现变频调速后，风机和水泵经常在额定转速以下运行，介质对水泵叶轮、风机风扇的磨损、轴承的磨损、密封的损坏都大大降低。同时，烟气对烟道挡板的冲击磨损大大降低，延长了烟道挡板的检修周期，减少了维护工作量。电机运行的振动和噪声也明显降低。

3.1.3 采用变频调速后，可以很方便地构成闭环控制，进行自动调节，调节器输出的4-20mA信号输到变频器(或通过通信接口进行控制)，通过变频器调节电机转速，可以平稳地调节风量、流量，且线形度较好，动态响应快，使机组在更经济的状态下安全稳定运行。

按照常规设计，310MW机组辅机设备参数如下：引风机两台，各2000KW；送风机两台，各1250KW。如果工作设备使用变频方式，保守估计节能率为30%。

以上分析为直接节能效益。除此之外，变频器对机泵实现真正软启动，使高压开关、电机、机泵、阀门、管网等诸多设备的启动冲击和机械摩擦、震动大大减少，延长了机组的使用寿命，节省了这些设备的一大笔维护费用。变频器所配置的阀门联动、参数自动记录、流量闭环自动调节等功能提高了系统的自动化水平。

3.2 主回路改造过程

系统改造后的一次主回路如图2所示。控制柜可实现在变频器故障时将2台风机同时切换回工频运行，不影响锅炉生产；开关柜3、高压变频器、切换柜为新增设备；K1为隔离刀闸；KM1与KM2为真空接触器，实现工频与变频运行的切换，工频与变频运行是相互联锁的，使用同一个控制回路，以保证变频器同时驱动2台电机；K1未合到位时，KM1与KM2不允许合闸；KM1与DL1互锁，KM2与DL2互锁，以避免工频电源反送至变频器输出端子或两路电源同时输送到电机上；切换柜加电压监测仪，柜门上加电磁锁，以保证安全；K1加电磁锁，在变频器有输出时不允许操作K1。

图2 系统改造后的部分一次主回路

3.3 控制回路改造过程

高压变频器控制系统包括主控制器、单元控制器、功率单一控制部分、辅助部分。图3为控制系统原理图。

原系统通过DCS控制2台风机的启停及挡板，变频改造后仍保留原控制系统，以备风机工频运行时使用。变频改造后，高压变频器系统可实现就地／远程控制。将变频器控制系统与DCS系统联接，通过DCS操作员站对变频器系统进行启停、复位及频率调节控制；可在DCS系统上对变频器及电机的运行参数、设备故障信号进行监测；能够实现在锅炉正常运行中工频和变频状态的无扰动切换。

图3 高压变频器控制系统原理图

4.风机变频节能改造效果分析

由于#3炉在设计时，其风机电机和风机的选型偏大，所以在选配高压变频调速系统时，是按照#3炉风机的长期运行工况电流选配。同时由于锅炉对煤质要求不高，只要煤的标准热量达到3000～5500大卡都可以燃烧，就造成了不同的煤质对风机的风量要求不一样，在低煤质燃烧时，风机的电流比较大，高煤质燃烧时，风机的电流较小，所以#3炉的风机对高压变频调速系统的电流变化情况和运行的稳定性提出了很高的要求。上海艾帕电力电子有限公司的Innovert系列高压变频调速系统的自有专利技术SCP抗短路技术和核心STT技术，使得设备抗干扰力和电压、电流扰动适应力很强，同时还有完善的输入侧电压、电流和输出侧的电机马达综合保护对引风机的稳定运行提供了有力保障。

最近我们将3#锅炉的送、引风机改造前、后的相关数据进行了简单统计，考察变频改造后的节能效果。相关统计数据见表1。

从表1可知，按年平均负荷370t/h、平均运行300天计算，3#锅炉送、引风机变频改造后的年节电量为（工频耗电率－变频耗电率）年平均负荷×年运行小时数 =（5.428－2.450）×370×（300×24）=793万 kW·h；年节电率为（工频耗电率－变频耗电率）/工频耗电率 =（5.428－2.450）/5.428=54.8%，即用改造前 50%左右的用电量就可以完成改造前的生产任务，节能效果非常显著。