330 MW機(jī)組風(fēng)機(jī)高壓變頻改造方案及節(jié)能潛力分析

汪 ，

(1.神華國(guó)華寧東發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏 靈武 750403;2.包頭東華熱電有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014040)

火力發(fā)電是我國(guó)目前主要的發(fā)電方式，提高火電機(jī)組運(yùn)行效率、降低能耗對(duì)于推進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)清潔高效化改革、促進(jìn)綠色發(fā)展具有重要意義[1]。風(fēng)機(jī)作為火電機(jī)組中的主要輔機(jī)之一，在運(yùn)行過(guò)程中普遍存在著高能耗問(wèn)題，節(jié)能潛力巨大[2]。提高風(fēng)機(jī)節(jié)能效益的主要方法是改善風(fēng)機(jī)的調(diào)速方式，液力調(diào)速作為目前技術(shù)較為成熟的一種主要調(diào)速方式，存在著低轉(zhuǎn)速時(shí)效率低、調(diào)速范圍窄、響應(yīng)速度較慢、控制精度較低等問(wèn)題[3]，針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外主要采用加裝高壓變頻器的方法來(lái)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造[4-7]，該改造技術(shù)發(fā)展日漸成熟，節(jié)能效益顯著，目前已取得較為廣泛的應(yīng)用[8～11]。

本文針對(duì)神華寧夏國(guó)華寧東發(fā)電有限公司330 MW機(jī)組鍋爐風(fēng)系統(tǒng)的一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)變頻改造方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并分析了該一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)變頻改造方案的節(jié)能潛力，說(shuō)明了該方案的可行性。

1 設(shè)備概述與能耗分析

1.1 設(shè)備概述

本次變頻改造的設(shè)備為神華寧夏國(guó)華寧東發(fā)電有限公司鍋爐系統(tǒng)所配備的兩臺(tái)RJ36-DW2450F型雙吸離心式二次風(fēng)機(jī)和兩臺(tái)RJ29-DW2600F型雙吸離心式一次風(fēng)機(jī)，這四臺(tái)改造風(fēng)機(jī)均由江蘇金通靈風(fēng)機(jī)有限公司生產(chǎn)，且均采用液力耦合器結(jié)合電動(dòng)入口擋板對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2 液力偶合器調(diào)速的能耗分析

風(fēng)機(jī)所采用的液力偶合器在20%～100%的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，但仍存在一定的能量損失，主要包含以下三方面：

(1)液力偶合器在滑差調(diào)速時(shí)的熱損耗(約占總損耗的30%)。根據(jù)液力偶合器的工作原理可知，其渦輪與泵輪的轉(zhuǎn)速之間存在差值，稱為滑差。根據(jù)粘性流體的性質(zhì)，在調(diào)速過(guò)程中由于耦合器的滑差與軸承的摩擦將產(chǎn)生大量熱量，并被工作油吸收，工作油利用油循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻循環(huán)?；钤酱?，該滑差熱損耗也越大。以本廠為例，各液力耦合器的油損耗熱約1×106kJ，對(duì)應(yīng)功率損失將不低于130 kW，一年損耗的電量接近100萬(wàn)kWh。

(2)電機(jī)無(wú)法達(dá)到最佳運(yùn)行經(jīng)濟(jì)點(diǎn)而造成的損失(約占總損失的50%)。根據(jù)國(guó)內(nèi)機(jī)組的設(shè)計(jì)規(guī)范，風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)點(diǎn)工況約為機(jī)組ECR工況的1.2倍左右，且其額定容量應(yīng)按照設(shè)計(jì)點(diǎn)的軸功率確定。因此，風(fēng)機(jī)電機(jī)的額定容量要比該機(jī)組的ECR工況下額定容量高20%。此外 ，由于各機(jī)組的供電負(fù)荷不同，年平均負(fù)荷在65%～90%ECR范圍內(nèi)，所以風(fēng)機(jī)電機(jī)經(jīng)常會(huì)偏離額定負(fù)荷運(yùn)行，無(wú)法使電機(jī)達(dá)到最大的效率。

(3)調(diào)節(jié)模式的能量損失(約占總損失的20%)。液力偶合器調(diào)速模式是液力滑差間接調(diào)速，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化不是直接由風(fēng)機(jī)電機(jī)產(chǎn)生的。因此，“電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的三次方成比例”這一泵和風(fēng)機(jī)的相似性原理不適用于風(fēng)機(jī)電機(jī)的高效運(yùn)行。液力偶合器調(diào)速方式下，泵電機(jī)以恒定速度運(yùn)行，會(huì)造成一定功率的損耗。

為針對(duì)性地消除上述三方面的損耗，以節(jié)省風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的無(wú)效能量消耗、提高能量傳遞速率，采取高壓變頻技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行改造。目前隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高壓變頻技術(shù)已日趨成熟，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。采用高壓變頻器的主要優(yōu)點(diǎn)有以下三點(diǎn)：

(a)速度控制范圍寬， 可達(dá)到1%～100%

(b)調(diào)節(jié)精度高，可達(dá)到±0.5%

(c)整機(jī)效率高，可達(dá)到97%，功率因數(shù)不低于0.95。

2 變頻改造方案

2.1 液力偶合器改造方案

對(duì)液力偶合器的改造方案是將液力偶合器更換為特制聯(lián)軸器，即取消液力偶合器，直接用聯(lián)軸器將電機(jī)和風(fēng)機(jī)連接起來(lái)。待改造的風(fēng)機(jī)和電機(jī)之間的距離有2 m左右，聯(lián)軸器相對(duì)較長(zhǎng)，需要制作設(shè)計(jì)特殊的聯(lián)軸器。目前變頻改造已有多個(gè)廠家使用過(guò)此聯(lián)軸器，無(wú)安全隱患，改造示意圖如圖1所示。

圖1 液力偶合器更換為聯(lián)軸器示意圖

其中所采取的主要技術(shù)措施包括：

(1)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行方式為變頻在運(yùn)調(diào)速，利用變頻控制對(duì)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速；

(2)變頻改造的風(fēng)機(jī)新增一臺(tái)高壓變頻器；

(3)液力偶合器更換為特制聯(lián)軸器，為確保運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，新更換的聯(lián)軸器做高速動(dòng)平衡；

此外，液力偶合器被拆除后，其對(duì)應(yīng)的工作油系統(tǒng)、工作油冷油器及其冷卻水系統(tǒng)即可同時(shí)去除。如果原有風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的潤(rùn)滑油由液偶器系統(tǒng)提供，則將液偶器完全拆除更換為聯(lián)軸器后，重新配置兩臺(tái)潤(rùn)滑油泵(一用一備)，供改造后的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)潤(rùn)滑油。

2.2 風(fēng)機(jī)電氣部分改造方案

(1)一次風(fēng)機(jī)

單臺(tái)鍋爐配有2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)(電動(dòng)機(jī)容量 )，將一次風(fēng)機(jī)改為變頻調(diào)速，每臺(tái)鍋爐的2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)各自配備一臺(tái)智光 高壓變頻器。

(2)二次風(fēng)機(jī)

單臺(tái)鍋爐配有2臺(tái)二次風(fēng)機(jī)(電動(dòng)機(jī)容量 )，將二次風(fēng)機(jī)改為變頻調(diào)速，每臺(tái)鍋爐的2臺(tái)二次風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)各自配備一臺(tái)智光高壓變頻器。

(3)一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)主回路

兩類風(fēng)機(jī)主回路基本相同，這里以一次風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明，為了保證風(fēng)機(jī)的可靠安全運(yùn)行，采用圖2所示的智光設(shè)備“標(biāo)準(zhǔn)手動(dòng)一拖一”主回路設(shè)計(jì)方案：

圖2 “標(biāo)準(zhǔn)手動(dòng)一拖一” 主回路設(shè)計(jì)方案

該方案設(shè)計(jì)說(shuō)明如下：當(dāng)頻率正常時(shí)，將K1和K2刀開(kāi)關(guān)閉合，K3刀開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，并將進(jìn)線處高壓開(kāi)關(guān)閉合；當(dāng)需要進(jìn)行變頻檢修時(shí)，將K1和K2刀開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，K3刀開(kāi)關(guān)閉合，并將進(jìn)線處高壓開(kāi)關(guān)閉合，可使風(fēng)機(jī)設(shè)備工頻運(yùn)行(此時(shí)可利用原風(fēng)機(jī)風(fēng)門進(jìn)行調(diào)節(jié))，這時(shí)即可對(duì)高壓變頻器進(jìn)行相應(yīng)的檢修操作。

2.3 散熱設(shè)計(jì)方案

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，高壓變頻器的發(fā)熱量較大，需要設(shè)計(jì)合適的散熱方案。若采取傳統(tǒng)的強(qiáng)制風(fēng)冷方法，會(huì)因太大的空氣交換量而產(chǎn)生室內(nèi)負(fù)壓，并產(chǎn)生粉塵污染問(wèn)題；若采取空調(diào)冷卻，則會(huì)有較大的投資、維護(hù)及能耗問(wèn)題。所以目前對(duì)于風(fēng)機(jī)變頻器的冷卻常采取空水冷的方式，采用該方式時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)的冷卻水溫度若滿足不了設(shè)計(jì)需要，就需要同時(shí)設(shè)計(jì)二次冷卻方案。為提升系統(tǒng)運(yùn)行期間的安全穩(wěn)定性，不管采用何種冷卻方式，都需根據(jù)變頻系統(tǒng)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)適合本系統(tǒng)的專用的散熱方案。

(1)變頻器本體的散熱

所采用的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)為強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式，使用離心式散熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻，散熱風(fēng)機(jī)(包括功率柜體散熱風(fēng)機(jī)及變壓器柜體散熱風(fēng)機(jī))全部采用工業(yè)級(jí)散熱風(fēng)扇產(chǎn)品，其平均無(wú)故障時(shí)間長(zhǎng)于變頻裝置本身。變壓器柜除柜頂風(fēng)機(jī)外，在柜底還安裝有橫流風(fēng)機(jī)，從下方進(jìn)行吹風(fēng)，以確保變壓器的散熱效果。變頻系統(tǒng)的散熱風(fēng)機(jī)也可采用溫度控制儀進(jìn)行風(fēng)機(jī)的起、?？刂?，還可以在變頻啟動(dòng)前，先啟動(dòng)散熱風(fēng)機(jī)對(duì)變頻系統(tǒng)做干燥處理，避免變頻系統(tǒng)在長(zhǎng)期停用時(shí)造成內(nèi)部受潮而啟動(dòng)失敗的結(jié)果。

考慮變頻器本身主要功率元件收溫度影響較大，因此，進(jìn)行以下設(shè)計(jì)，確保變頻系統(tǒng)能夠更好的散熱：

(a)散熱風(fēng)機(jī)的電源采用兩路電源互為備用，一路由外部提供的380 V三相四線電源，一路由動(dòng)力電源經(jīng)變頻裝置內(nèi)部變壓器轉(zhuǎn)換，兩路電源之間可無(wú)擾切換，確保冷卻風(fēng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)行，保證變頻系統(tǒng)的散熱；

(b)高壓變頻系統(tǒng)散熱風(fēng)機(jī)采用熱冗余備用，在單臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)故障時(shí)，變頻裝置會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，控制器提示條顯示，并上傳到DCS側(cè)進(jìn)行報(bào)警。若在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不處理報(bào)警，當(dāng)溫度達(dá)到變頻器設(shè)置的溫度上限后，變頻器會(huì)停機(jī)。

(c)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率單元及系統(tǒng)柜體采用申請(qǐng)國(guó)家專利的獨(dú)特設(shè)計(jì)，加強(qiáng)散熱，系統(tǒng)在南方濕熱環(huán)境大量應(yīng)用，得到考驗(yàn)。其中功率單元的風(fēng)道寬而短，散熱效率大大提高，功率單元溫升低，適用于溫度較高的工作環(huán)境；功率柜上部選用專門的大風(fēng)量風(fēng)機(jī)，并將柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前后兩側(cè)同時(shí)朝見(jiàn)，使散熱效率大幅提升，提高了系統(tǒng)能夠適應(yīng)的工作環(huán)境溫度。

(2)變頻器室的散熱

根據(jù)以上要求提供變頻裝置空水冷系統(tǒng)，具體描述如下：

空氣水冷卻系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱空冷器)是一種利用高效、環(huán)保、節(jié)能的冷卻系統(tǒng)，由變頻器產(chǎn)生的熱風(fēng)通過(guò)風(fēng)道進(jìn)入散熱器，散熱器中固定有冷水管，冷水管中有滿足一定要求的冷水。熱風(fēng)在通過(guò)換熱片時(shí)，循環(huán)冷卻水吸收熱風(fēng)中的熱量，以此來(lái)維持變頻器室內(nèi)的溫度保持恒定。本系統(tǒng)采用的空冷器散熱圖如圖3所示。

圖3 空氣水冷器散熱圖

本系統(tǒng)所采用的散熱方式是帶室外風(fēng)冷螺桿式冷卻機(jī)組的空-水冷密閉冷卻方式散熱(其本質(zhì)與中央空調(diào)類似，又稱為水冷式中央空調(diào))，該散熱方式通過(guò)空冷裝置吸收變頻器所產(chǎn)生熱空氣的熱量，并將降溫后的冷空氣重新排到室內(nèi)；而冷卻水則通過(guò)室外的風(fēng)冷螺桿式冷卻機(jī)組來(lái)冷凍。空冷裝置內(nèi)通過(guò)冷卻水溫度控制在5～20℃之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可確保熱空氣通過(guò)散熱片降溫后，室內(nèi)的工作環(huán)境溫度能夠被限制在30℃以下，從而保證了變頻器室內(nèi)良好的運(yùn)行環(huán)境。冷卻水與循環(huán)風(fēng)完全分離，室內(nèi)的高壓設(shè)備與室外的水管線也明顯分離，從而隔離了室內(nèi)高壓設(shè)備的絕緣破壞、無(wú)法防水等安全隱患，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。

3 節(jié)能潛力分析

根據(jù)廣州智光公司對(duì)類似機(jī)組在改造后的實(shí)際節(jié)電效能，結(jié)合神華寧夏國(guó)華寧東發(fā)電有限公司1、

2號(hào)機(jī)組在2014年的運(yùn)行狀況，采用比例法可基本上預(yù)測(cè)出改造后的節(jié)能效益。所用到的主要計(jì)算公式如式(1)和式(2)

ηs=αη0(ηe-ηl)

(1)

式中ηs——預(yù)計(jì)節(jié)電率;

α——負(fù)荷修正系數(shù);

η0——風(fēng)機(jī)設(shè)備效率;

ηe——變頻器效率;

ηl——液耦效率。

W=kεηsPaT

(2)

式中W——預(yù)計(jì)節(jié)電率;

k——年平均負(fù)荷比例修正系數(shù);

ε——年平均負(fù)荷率;

ηs——預(yù)計(jì)節(jié)電率;

Pa——改造前的風(fēng)機(jī)功率;

T——年運(yùn)行時(shí)間。

根據(jù)式(1)可計(jì)算得到單臺(tái)風(fēng)機(jī)改造后的預(yù)計(jì)節(jié)電率，再結(jié)合式(2)，可由年平均負(fù)荷率及年運(yùn)行時(shí)間，算得單臺(tái)設(shè)備的年預(yù)計(jì)節(jié)電量，進(jìn)而乘以對(duì)應(yīng)的設(shè)備數(shù)量并求和，可計(jì)算得到總的年節(jié)能效益，計(jì)算結(jié)果如表1所示(年平均負(fù)荷率為75%，年運(yùn)行時(shí)間為6 000 h)。

表1 節(jié)能效益計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)的調(diào)速方式進(jìn)行變頻改造，可大幅降低原有調(diào)節(jié)方式的能量損耗，節(jié)能方面成效顯著。2臺(tái)機(jī)組改造設(shè)備為4臺(tái)一次風(fēng)機(jī)、4臺(tái)二次風(fēng)機(jī)，按年平均負(fù)荷率75%，年運(yùn)行時(shí)間6 000 h條件運(yùn)行，變頻改造后年節(jié)約電量合計(jì)為1 779.84萬(wàn)kWh。

4 結(jié)論

本文針對(duì)神華寧夏國(guó)華寧東發(fā)電有限公司330 MW機(jī)組鍋爐風(fēng)系統(tǒng)的一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)變頻改造方案及其節(jié)能潛力進(jìn)行了介紹，得到的主要結(jié)論如下：

(1)原風(fēng)機(jī)設(shè)備在液力偶合器調(diào)速方式下，能量損失主要來(lái)源于滑差調(diào)速時(shí)的熱損耗、偏離最佳運(yùn)行經(jīng)濟(jì)點(diǎn)的能量損失、調(diào)節(jié)模式的能量損失等方面。

(2)通過(guò)變頻改造可有效消除原有調(diào)速方式的主要能量損失，達(dá)到更寬的調(diào)速范圍、更高的調(diào)節(jié)精度，提高整機(jī)效率。

(3)風(fēng)機(jī)的變頻改造方案主要包括設(shè)備改造、電氣改造、設(shè)計(jì)變頻器本體與變頻室專用散熱方案三個(gè)方面。

(4)根據(jù)節(jié)能潛力分析，在年平均負(fù)荷率75%，年運(yùn)行時(shí)間6 000 h的條件下，預(yù)計(jì)變頻改造后兩臺(tái)機(jī)組年節(jié)約電量合計(jì)為1 779.84萬(wàn)kWh，具有顯著的節(jié)能效益。