摘要:本文介紹了永煤集團熱電廠鍋爐引風機高壓變頻的改造情況,詳細分析了高壓變頻器一拖二的技改方案和節能效果,為高壓變頻器在電廠或其它行業類似的變頻改造項目中一臺高壓變壓器同時拖動并列的兩臺電機的應用提供了一定的理論和實踐經驗。
關鍵詞:高壓變頻器 一拖二 節能 保護
1.變頻改造工程基本情況
永煤集團熱電廠位于商丘永城市,廠區占地面積330余畝,現有四個鍋爐。裝機容量4*25MW,擔負著發電和向永城市供熱的雙重任務。其中3#鍋爐兩臺引風機功率均為400kW,2#鍋爐兩臺引風機功率均為355kW。電壓等級為6kV,均為雙機并聯運行,采用入口擋板方式進行風量調節,擋板在40%-75%之間變化。
由于擋板節流損失大,運行效率低,而且在負荷經常變化時調節不及時等多方面原因導致浪費了大量電能。為了提高廠用電率降低煤耗,永煤熱電廠于2006年開始進行變頻改造。通過對國內外變頻廠家的比較,最終選用技術成熟先進、性能穩定、售后服務完善的北京動力源公司HINV系列高壓變頻調速裝置,在2006年對4#爐送風機(1400kW)進行了變頻改造后,節能效果顯著并且運行可靠性高。于2007年先后通過立項和考察,進行了多次研討決定對2#、3#爐引風機進行了變頻一拖二并列同時運行的立項改造。
2、變頻改造方案分析
系統當前采用的是風機擋板調節,不論工況如何變化,電機均要運行在較高額定轉速,通過調節風機擋板滿足實際工況需要的風量,這樣雖然滿足了實際工況的風量需要,但是擋板調節時在節流裝置上產生了很大的節流損失,浪費了大量的能量,同時設備的啟、停對電網和設備的沖擊,還會影響設備的使用壽命。
根據泵與風機學的知識,在風機、水泵類負載變流量、變壓力的運行狀況中,流量、揚程和消耗的能量之間有下面的關系:
風機/水泵的流量和電機轉速成正比;
風機/水泵的全壓/揚程和電機轉速的平方成正比;
風機/水泵消耗的軸功率跟電機轉速的立方成正比;
由電機學的原理:電機轉速公式為n=60f/p(1—s),式中n、f、s、p分別表示電機轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數。當系統采用變頻調節時,直接通過改變頻率來改變電動機的轉速來滿足不同工況的需求。此時電機消耗的能量將會以與電機轉速立方的關系下降,因此變頻調速的節電效果非常顯著。
電廠2#、3#爐實際生產運行中,每個鍋爐均配備一臺送風機和兩臺引風機。三臺風機同時運行:送風機給爐膛鼓風保證燃燒完全,引風機使得爐膛形成負壓吸走廢氣煤灰。熱電廠相關部門根據以上變頻節能的種種優勢,決定對2#、3#爐所對應的四臺引風機進行變頻改造,但考慮單臺引風機功率較小,每臺引風機配置一臺變頻裝置成本過高,改造費用大大增加,最終經過研討選用了動力源HINV系列一拖二變頻調速裝置,變頻系統與負載的一次電氣主接線原理圖如下:
一拖二手動旁路方案
注:TF為用戶圖中等效高壓變頻系統。
變頻系統旁路方案說明:
變頻運行時:斷開QS1,閉合QS2和QS3;
旁路運行時:斷開QS2和QS3,閉合QS1;
6kV電源經用戶輸入真空開關QF1,通過變頻裝置進線刀閘QS2到高壓變頻調速裝置,變頻裝置輸出經出線刀閘QS3送至電動機;6kV電源還可以經旁路刀閘QS1直接起動電動機(考慮到變頻器故障情況發生,將原高壓開關柜進行了改造,重新選型了斷路器。由增加的過流保護、微機保護裝置對電機進行有效的動作保護,可在變頻器故障時直啟兩引風機。具體增設的保護如下所述)。變頻裝置的輸出刀閘QS3和旁路刀閘QS1互相閉鎖,即QS2和QS1不能同時閉合。
旁路作用:
當變頻裝置工程檢修時,可手動操作刀閘,形成明顯斷電點,能夠保證人身安全;
當變頻裝置出現故障時,也可手動操作刀閘,將變頻裝置隔離,使負載在工頻電源下正常運行,保證生產的安全、持續的運行。
電廠每個鍋爐引風機型號、極對數均相同,且所帶負荷相差不大,這就給變頻器一同時拖動兩臺電機提供了有利條件,但要注意選變頻器的選型。動力源公司按照兩電機額定功率之和進行選配,并留有裕量,變頻裝置內的移相變壓器容量選配為900kVA(2#爐引風機)和1000kVA(3#爐引風機)。而且在兩臺電機前增設了相應完善的保護措施,具體如下。
由于負荷的經常變化,引風機不可能處于一個開啟一個關停的狀態,因此旁路柜的設計將輸出分為兩個端口分別接至兩電機電源進線側。為防止其中一臺電機故障造成變頻器的損壞或過負荷運行,分別為每個鍋爐引風機電機增加單獨硬件的過流、過負荷保護,具體實施方案及創新點如下:
3#爐7#、8#引風機綜保原理接線圖(部分)
2#爐3#、4#引風機過流保護原理圖(部分)
過流保護柜保護原理為:
保護柜安裝在高壓變頻器旁路柜旁,保護柜裝設四個電流互感器,四個過流繼電器、一個中間繼電器公用、兩個信號繼電器。保護方式是AC兩相加裝電流互感器,電流互感器型號是LAJ-6變比是50/5,過流繼電器型號是LL-12/5,出口中間繼電器型號是DZB-214,還配有信號繼電器DX-31B。
保護原理如下:如7#引風機AB兩相短路,短路電流反映到A相電流互感器,A相過流繼電器保護動作,通過中間繼電器出口到高壓Ⅳ段7#8#引風機柜133號線跳閘,與此同時通過信號繼電器發信號。若AC兩相短路則AC兩相過流繼電器同時動作。8#引風機保護動作結果同樣跳7#8#引風機柜斷路器保護。
實施效果:
1、增設了一級保護,大大提高了變頻器保護和開關柜微機保護動作的可靠性。
2、在電機故障時實現速斷與過流保護動作功能。
在熱電廠和動力源技術人員的積極配合下,項目改造順利實施,在規劃時間內完成了設備的安裝、調試、投運工作;通過投運前后比較,達到逾期節能改造效果的同時,引風機電機多級保護功能也有了可靠保證。
變頻器及保護柜現場圖示
3、變頻改造節能分
項目改造完成后,分別將改造前后五天時間內連續不停機測算。具體測算條件如下:
測量條件:在測試時間內的日發電量保證在同期連續生產時的最大發電量,工頻、變頻兩者測量時間內的生產工況盡量保持一致。
測量時間:在保證測量條件的基礎下,工頻/變頻各連續測量5*24小時。
測算結果如下表所示:
風機
類型 |
消耗功率(kW) |
進線電流(A) |
風門開度 |
變頻
轉速給定(Hz) |
日節約
電量(kWh) |
節電率 |
改造前 |
改造后 |
改造前 |
改造后 |
改造前 |
改造后 |
2#爐
引風機 |
545.7 |
432 |
64.82 |
48.1 |
70% |
100% |
37-48 |
2710.8 |
21% |
3#爐
引風機 |
649.3 |
485.25 |
75.7 |
53.1 |
65% |
100% |
35-47 |
5017.2 |
25% |
在節能測算階段,從用戶實際利益出發基本以最大負荷運行,采用兩臺風機同時變頻運行時節電率均在20%以上,在無需供熱或負荷較低時節電率均在30%以上。電廠年運行時間按330天、電價按0.5元計算,2#爐和3#爐引風機變頻改造后每年可節約電量為2550240度,合計電費為1275120元。所有投資在一年半以下便保全部收回。
上述試驗數據也驗證了鍋爐引風機并列運行的理論基礎,證明了高壓變頻器在配備方面具有很大的靈活性,為大功率并列運行的風機/水泵變頻改造項目提供了理論和實踐基礎。
設備自2008年11月份投運以來一直運行穩定,節能效果顯著。理論和實踐證明了應用高壓變頻調速裝置的突出優勢:
(1)工頻運行時由于設備設計余量而導致“大馬拉小車”的現象,因電機定速旋轉不可調節,這樣運行自然浪費很大。而變頻調節后徹底解決了這一問題;
(2)由負載檔板或閥門調節導致的大量節流損失,在變頻改造后不再存在;
(3)某些工況負載需頻繁調節,而檔板及液耦等方式調節線性太差跟不上工況變化速度,并且在調節時容易出現電機過載現象,故能耗很高。而變頻調節響應極快,基本與工況變化同步,對電機無沖擊式的無級調速方式徹底解決了以上問題;
(4)異步電動機功率因數由變頻前的0.8左右提高到變頻后的0.95以上(20%負載以上時);
(5)可實現零轉速啟動,無啟動沖擊電流,從而降低了啟動負載,減輕了沖擊扭振。而且高壓變頻器本身損耗極小,整機效率在97%以上。
(6)可根據現場工藝要求進行不同配置,技術成熟先進,運行穩定可靠。
4、改造后其他附加收益:
(1) 改善了工藝。投入變頻器后可以平滑穩定地調整風量,避免點爐或停爐時出現熄火及結焦事故。
(2) 延長電機和風機的使用壽命。一般風機均為離心式風機,啟動時間長,啟動電流大(約6~7倍額定電流,即使有水阻柜軟啟動裝置啟動電流也在3倍額定電流),對電機和風機的機械沖擊力很大,嚴重影響其使用壽命。而采用變頻調速后,可以實現軟起動(帶負荷下啟動電流不超過額定電流)幾乎不產生沖擊,可大大延長機械的使用壽命。
(3) 減少擋板機械、風機風葉和電機振動、軸承磨損,延長電機風機的大修周期,節省檢修費用和時間。
(4) 現場噪音大大降低,極大改善電廠的運行環境。
(5) HINV高壓變頻裝置很方便的同電廠主控室DCS聯接,避免了傳統電動執行裝置易損壞及開度指示不準的現象,提高了電廠自動化水平。
5、結束語
永煤集團熱電廠鍋爐引風的變頻改造的成功實施運行,不僅體現出了變頻技術的廣泛應用前景,更體現了北京動力源科技股份有限公司在高壓變頻綜合改造上的技術解決能力,高壓變頻一拖二并列運行項目的順利實施,大大擴展了變頻技術作為當今節能改造的靈活性,也驗證了國產高壓變頻器性能的成熟可靠性。
參考文獻
[1] 泵與風機(第三版),郭立君,何川,北京,中國電力出版社。
[2] HINV高壓變頻裝置培訓教材,北京,北京動力源科技股份有限公司。
[3] 永煤集團熱電廠變頻改造資料,河南,河南永煤集團熱電廠