680 MW机组引风机变频改造实践及问题处理

郭永明,刘观起

(华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定 071003)



680 MW机组引风机变频改造实践及问题处理

郭永明,刘观起

(华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定 071003)

针对火电厂引风机电能浪费严重的现象,采用变频改造方案达到了良好的效果,但经过变频改造后,在冷却能耗、交变应力、轴承散热等方面发现了新的问题。对此,在肯定变频改造成效的基础上,对其进行了实践分析,解决了“变切工”运行的技术难题,同时也提出了相应的解决方案。实践证明,该方案即可行、合理。

680 MW机组;引风机;变频改造;方案

山东某电厂680 MW机组引风机电机按脱硫、脱硝，引风三合一改造设计的容量为5700 kW,根据节能诊断,风机电动机只需要4300 kW即可满足正常运行要求。然而传统模式下引风机运行时是利用挡板的开度调整风速和风量,造成了大量节流损耗。特别在处于低负荷状态时,引风机效率大大降低,增加了系统的能耗[1]。而且高速固定转速运行的风机对挡板、风道、风机叶轮的磨损较大,致使风机易发生喘振、轴承振动大、轴承温度升高等事故[2-4]。目前,解决这些问题的方法主要是采取对电机进行变频改造,实现转速的自动调节,满足不同工况所需的风压和风量的大小[5]。同时在确保风机正常运行、电厂安全生产的同时,实现节能减排,降低风机挡板、管道磨损以及停机检修频率的目的[6-8]。但经过实践验证,在变频改造实践过程中,还存在一系列问题,如冷却方式能耗较大、交变应力导致共振、轴承散热变差等问题,若得不到及时解决,将造成不必要的经济损失。对此,本文在对变频改造原理[9-10]研究的基础上,分析了变频改造后存在的问题,并给出了合理的解决方案。

1　变频改造技术原理

变频器由远方DCS系统对其进行控制。DCS系统能监测变频器的不同工况并对监测数据进行分析,进而反馈应急措施,以确保系统安全稳定运行,防止误操作的发生。此外,变频器可自动切换到旁路运行,从而实现工频到变频的自动转换。当变频器发生故障时,自动旁路开关柜迅速动作,保证机组能够平稳地由变频运行切换到工频运行状态。

以该厂5号机组A、B两台引风机为例,其变频回路一次部分如图1所示。高压开关QF(5A603、5B603)为电动机为原有设备。高压真空开关QF1(5A603J、5B603J)、QF2(5A603P、5B603P)、QF3(5A603C、5B603C)组成一次回路。其中,QF3与QF2之间安装闭锁装置,以保证二者不同时合闸。

图1　5号机组A、B两台引风机变频器一次接线

变频器故障跳闸后自动无扰切换到工频旁路的“变切工”方案为:

1) 当变频器发生故障时,603J跳闸,DCS系统接收故障信号。

2) 旁路运行时,一方面DCS系统发出信号关闭风门,并对其位置进行实时监控,以防止转速突变产生扰动;另一方面机组减负荷运行或提高1台风机的转速,以减缓扰动程度。

3) DCS系统监控603P状态,确认其保持分闸状态。

4) DCS收到变频器停止信号后,延时5 s后断开603C。

5) DCS系统监控603C和603J的状态,确认其为分闸状态,延时3 s,对风门位置再次进行确认,保证在允许范围之内。此时,603P合闸,工频旁路运行切换完毕。

6) 为了防止抢风现象,工频运行风机的风门开度到正常范围时,变频运行的风机将风门调整到相应的位置,使两台风机风量均衡。

2　变频改造主要成效

5、6号炉引风机变频器改造后分别于2012年6月16日、8月29日投入运行,截止到2013年6月底分别运行了7536和5922 h,运行期间均无异常,主要成效如下:

1) 引风机启动电流明显降低,其上限在额定电流的110%以内,能够对电机进行软启动,降低了对厂用系统的冲击。

2) 变频器容量配置低于电机额定容量,降低了设备投资成本(约30%)。

3) 变频器发生故障时,机组能够平稳地由变频运行切换到工频运行状态。

4) 5、6号机组4台引风机年节电1587.2万kW·h左右,折合电费约722.2万元。

5) 引风机转速明显降低,由改造前工频运行时转速994 r/min降到机组满负荷时引风机转速900 r/min。同时风机的振动也明显降低,由4 mm/s降低到2 mm/s之内,提高了引风机运行的安全系数,降低了维修成本(23万元/a)。

6) 截止到2013年6月底,5、6号机组厂用电率分别完成3.65%、4.04%(包括脱硫厂用电率),在国内同类型机组排序中名列第一位和第三位。

综上,通过变频改造后,提升了节能降耗指标,降低了维护工作量大大,延长了设备的使用寿命,但也带来了额外问题。

3　遇到的问题及解决方案

3.1变频冷却方式存在的问题及改进措施

3.1.1冷却方式存在的问题

高压变频器属于大型电气设备,联合引风机运行时,产生的热量较大。传统冷却方式为强迫风冷,易使粉尘污染对设备造成损害,在空气交换过程中还会使变频室内产生负压现象。现有的冷却方式为密闭空间空调冷却,这种方式主要是根据变频器的发热量和房间面积大小计算出空调的制冷量,从而配备一定数量的空调,该厂变频器室内空调采用的均是10 P格力空调。但其空调长时间制冷运行,耗费大量的电能,维护成本较高。

3.1.2改进措施

将引风机变频器冷却方式改为空-水冷冷却方式,即在现场安装2台空水冷装置,每台空水冷装置的制冷量100 kW,总制冷量200 kW。空水冷装置设计参数:冷却水最高温度为30 ℃,冷却水工作水压为0.2～0.5 MPa,冷却水总流量为160 m3/h;水源为闭式冷却水系统。变频器排出的热风,经过闭式水循环管道冷却后变成凉风直接排出,如图2所示。

图2　引风机变频器空-水冷冷却方式

空-水冷循环系统的特点:

1) 设备安装简单、快捷。由于具有整体式结构,占据空间小的特点,可安装于变频器室内,风道与柜顶的排气口连接,热风经空冷装置交换热量成冷风后直接送入变频器室。

2) 设备使用的寿命较空调长,运营成本比空调低,冷却电耗指标小于空调冷却指标。

3) 管道全部采用焊接方式,可靠性高。

4) 维护量小,环境卫生,滤网清洗周期延长。

3.2交变应力的防治

引风机采用的是挠性转子,转子的制作材料存在制作工艺上的误差,会导致转子本身存在一定的不均匀性和引起共振的固有频率。变频改造后,当转速达到临界转速区时,会发生机械共振问题,此时叶轮振动加剧,转速的变化使叶轮产生交变应力,进而导致叶轮产生疲劳裂纹。特别当风机负荷突然增大时,振动更为剧烈。鉴于存在的这些固有问题,该厂技术员认为本厂680 MW机组5号炉B引风机叶轮多次发生穿透性裂纹的原因有两点:

1) 引风机属高速风机,承载力大,为保证安全,叶轮采用进口700钢焊接而成。由于硬度高、脆性大、塑性差,抗冲击能力差、焊后收缩大,焊接要求两侧对焊,温度、速率较难以统一,因此热处理工艺水平差等原因造成了叶轮焊缝局部裂纹。

2) 变频改造后存在共振区导致叶轮振动大,转速的变化使叶轮产生交变应力,使本来已有细小局部裂纹的叶轮产生疲劳裂纹。

除采取通用解决该问题的办法,对叶轮轮毂内部进行加强,保证叶轮形式外观不变之外,针对引风机变频运行还提出了如下保护措施:

1) 变频运行后,在运行中监测电机和风机轴系的振动(包括扭振)状况,遇到振动加大时,找出频率较集中的转速区间,迅速越过共振区,提高风机转速,辅助调节导叶开度或挡板门开度。

2) 因变频器对电机输出转矩特性和风机的影响未知,建议降低风机调节速度,减少对具有较大转动惯量风机转子的冲击,降低应力。

3) 通过变频调速设置的引风机频率尽量避开共振频率的范围,避免发生共振现象。

3.3轴承降温措施

在风机风扇与异步电动机同轴的情况下,异步电动机的散热能力是以额定转速下的冷却风量来衡量的。变频改造后,一方面,异步电动机的冷却风量整体水平降低,散热能力降低;另一方面,引风机转速变化频繁,多次接近临界转速,产生共振现象,轴承接触轴承瓦发生摩擦,导致轴承升温。此外,变频运行对轴承供油系统造成压力,轴承摩擦次数频繁,润滑油消耗较大,粘稠度也随之下降,若得不到及时补充甚至会造成烧瓦。

该电厂引风机属高转速风机,额定转速为990 r/min。由于承载力大、转速高,轴承发热量大,一般条件下正常运行温度为55～60 ℃,但是在低负荷期间轴承温度经常高达80 ℃以上。

采取的措施:

1) 加强冷却。在轴承温度高达80～85 ℃时,启动第2台冷却风机,由2台冷却风机同时冷却,注意观察轴承温度情况。若在同等负荷下,轴承温度能够保持不上升或下降,维持2台风机运行;若温度同时上升,可能因冷风系统阻力较大,2台风机运行达不到预期效果,应改回1台风机运行。

2) 加强润滑。当加强冷却无效时,应加强润滑,通过润滑管路适当向轴承补充油脂(一个轴承补油120 g左右)。由于新油脂补充时轴承温度会短时升高,为避免触及报警系统,补油最好在风机负荷及轴承温度不太高时进行。当轴承温度超过70 ℃时,每升温10～15 ℃时加油周期缩短一半,加油量适当减少,如两周一次,每个轴承加80 g左右,或一周一次,每个轴承加50 g左右。

3) 夏季改善冷却的方案。环境气温偏高时可采用物理降温的方式降低冷却风机的进风温度,在风机入口采用大风量水帘式冷风扇或移动空调对吹,降低冷却风进风温度。

4) 增加冷风孔。运行中要经常检查锥形冷风罩大端法兰上的12个冷风孔是否被保温材料或密封垫挡住,阻碍回风。引风机回风冷风孔为12个,经校核,目前回风量较小,阻力较大,达不到冷却效果,应扩孔增加至19个。

4　结　语

本文对680 MW机组引风机的变频改造措施进行了分析,并解决了“变切工”的技术难题,经过理论评估和实践,节能效果显著,降低了维护工作量。同时对变频改造后出现的问题,提出了相应解决方案。实践证明,该方案合理、可行,为火电厂变频改造工程提供了借鉴。

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(责任编辑侯世春)

IDF frequency conversion transformation for 680 MW unit and its treatments

GUO Yongming, LIU Guanqi

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Taking account of the status of energy waste of induced draft fan (IDF) in thermal power plant, although the retrofit scheme with frequency conversion technology obtained good effect, a series of new problems still emerged such as cooling energy consumption, alternating stress, bearing heat dissipation. The author, therefore, on the basis of the accreditation of frequency conversion transformation, analyzed its application, solved the technological problems in the operation, and proposed the corresponding solutions. The application proves that this method is feasible and reasonable.

680 MW unit; induced draft fan; frequency conversion transformation; plan

2016-03-11。

郭永明(1990—),男,硕士研究生,主要研究方向为电力系统分析、运行与控制。

TK223.26

A

2095-6843(2016)04-0347-04