發(fā)電廠風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造技術(shù)方案分析
目前，在我國(guó)電源結(jié)構(gòu)中，火電裝機(jī)容量占74%，發(fā)電量占80%；水電裝機(jī)容量占25%，發(fā)電量占19%；核電僅占1%左右，因此火電機(jī)組及其輔機(jī)設(shè)備的節(jié)能改造工作是非常重要的。火電廠中的各類(lèi)輔機(jī)設(shè)備中，風(fēng)機(jī)水泵類(lèi)設(shè)備占了絕大部分，蘊(yùn)藏著巨大的節(jié)能潛力。由于火電機(jī)組調(diào)峰力度的加大，這些機(jī)組的負(fù)荷變化范圍很大，必須實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵的流量。目前調(diào)節(jié)流量的方式多為節(jié)流閥調(diào)節(jié)，由于這種調(diào)節(jié)方式僅僅是改變了通道的通流阻抗，而電動(dòng)機(jī)的輸出功率并沒(méi)有多大改變，所以浪費(fèi)了大量的能源。隨著電力行業(yè)的改革不斷深化，廠網(wǎng)分家，競(jìng)價(jià)上網(wǎng)政策的逐步實(shí)施，降低廠用電率，降低發(fā)電成本，提高上網(wǎng)電價(jià)的競(jìng)爭(zhēng)力，已成為各火電廠努力追求的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，要求越來(lái)越迫切。風(fēng)機(jī)水泵類(lèi)負(fù)載采用調(diào)速驅(qū)動(dòng)具有非?？捎^的節(jié)能效果，這已是共識(shí)。
另外，交流電機(jī)的直接起動(dòng)(尤其是高壓電機(jī))會(huì)產(chǎn)生巨大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，在很短的起動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子籠型繞組及阻尼繞組將承受很高的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，致使籠條的端環(huán)斷裂。直接起動(dòng)時(shí)的大電流還會(huì)在定子繞組的端部產(chǎn)生很大的電磁力，使繞組端部振動(dòng)和變形，造成定子繞組絕緣的機(jī)械損傷和磨損，從而導(dǎo)致定子繞組絕緣擊穿。直接起動(dòng)時(shí)的大電流還會(huì)引起鐵芯振動(dòng)，使鐵芯松馳，引起電機(jī)發(fā)熱增加。在火力發(fā)電廠中，高壓大容量交流籠型異步電動(dòng)機(jī)的使用非常廣泛，由于直接起動(dòng)而造成的電動(dòng)機(jī)燒毀和轉(zhuǎn)子斷條事故屢屢發(fā)生，給機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成很大的威脅。因此大容量異步電動(dòng)機(jī)采用軟起動(dòng)方式，對(duì)于延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，保證機(jī)組正常運(yùn)行是非常必要的。由于電動(dòng)機(jī)的變頻軟起動(dòng)可提供高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并可做到平滑無(wú)沖擊，所以采用變頻器實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)的效果也是非常突擊的。同時(shí)，采用調(diào)速驅(qū)動(dòng)，還可以有效地減輕風(fēng)機(jī)水泵葉輪的磨損，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低運(yùn)行噪聲。還有運(yùn)行工藝對(duì)輔機(jī)設(shè)備的控制性能的改善也是十分迫切的，例如鍋爐風(fēng)機(jī)和給粉機(jī)的調(diào)速控制，可以大幅度地改善爐內(nèi)的燃燒工況，從而節(jié)煤、節(jié)水，并可節(jié)省這些物料的運(yùn)輸，處理能量等。工藝條件的改善可以創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，已不再簡(jiǎn)單地局限在節(jié)能的范疇，人們會(huì)很快地認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，并迅速行動(dòng)起來(lái)。
本文針對(duì)發(fā)電廠各種風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，逐一地進(jìn)行節(jié)能改造方案分析。
風(fēng)機(jī)是火力發(fā)電廠重要的輔助設(shè)備之一，鍋爐的四大風(fēng)機(jī)(送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)或排粉風(fēng)機(jī)和煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī))的總耗電量約占機(jī)組發(fā)電量的2%左右。隨著火電機(jī)組容量的增大，電站鍋爐風(fēng)機(jī)的容量也在不斷增大，如國(guó)產(chǎn)200MW機(jī)組，風(fēng)機(jī)的總功率達(dá)7140kW(其中，送風(fēng)機(jī)二臺(tái)2500kW，引風(fēng)機(jī)二臺(tái)3200kW，排粉風(fēng)機(jī)總功率1440kW)，占機(jī)組容量的3%以上。因此，提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率對(duì)降低廠用電率具有重要的作用。
風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況和節(jié)能效果
我國(guó)電站風(fēng)機(jī)已普遍采用了高效離心風(fēng)機(jī)，但實(shí)際運(yùn)行效率并不高，其主要原因之一是風(fēng)機(jī)的調(diào)速性能差，二是運(yùn)行點(diǎn)遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的最高效率點(diǎn)。我國(guó)現(xiàn)行的火電設(shè)計(jì)規(guī)程SDJ-79規(guī)定，燃煤鍋爐的送、引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕度分別為5%和5%~10%，風(fēng)壓裕度分別為10%和10%~15%。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，很難準(zhǔn)確地計(jì)算出管網(wǎng)的阻力，并考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生的各種問(wèn)題，通常總是把系統(tǒng)的最大風(fēng)量和風(fēng)壓富裕量作為選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)的設(shè)計(jì)值。但風(fēng)機(jī)的型號(hào)和系列是有限的，往往在選用不到合適的風(fēng)機(jī)型號(hào)時(shí)，只好往大機(jī)號(hào)上靠。這樣，電站鍋爐送、引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓富裕度達(dá)20%~30%是比較常見(jiàn)的。
電站鍋爐風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)壓的富裕度以及機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)高效點(diǎn)相偏離，從而使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率大幅度下降。一般情況下，采用調(diào)節(jié)門(mén)調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)，在兩者偏離10%時(shí)，效率下降8%左右；偏離20%時(shí)，效率下降20%左右；而偏離30%時(shí)，效率則下降30%以上，對(duì)于采用調(diào)節(jié)門(mén)調(diào)節(jié)風(fēng)量的風(fēng)機(jī)，這是一個(gè)固有的不可避免的問(wèn)題。可見(jiàn)，鍋爐送、引風(fēng)機(jī)的用電量中，很大一部分是因風(fēng)機(jī)的型號(hào)與管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)不匹配及調(diào)節(jié)方式不當(dāng)而被調(diào)節(jié)門(mén)消耗掉的。因此，改進(jìn)離心風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式是提高風(fēng)機(jī)效率，降低風(fēng)機(jī)耗電量的最有效途徑。
按照流體機(jī)械的相似定律，風(fēng)機(jī)、水泵的流量Q、壓頭(揚(yáng)程)H、軸功率P與轉(zhuǎn)速n之間有如下比例關(guān)系:
離心式風(fēng)機(jī)在變速調(diào)節(jié)的過(guò)程中，如果不考慮管道系統(tǒng)阻力R的影響，且風(fēng)壓H隨流量Q成平方規(guī)律變化，則風(fēng)機(jī)的效率可在一定的范圍內(nèi)保持最高效率不變(只有在負(fù)荷率低于80%時(shí)才略有下降)。圖1示出了離心式風(fēng)機(jī)不同調(diào)節(jié)方式耗電特性比較，圖2示出了采用調(diào)節(jié)門(mén)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式時(shí)，風(fēng)機(jī)的效率-流量曲線。
由圖2可知:在風(fēng)機(jī)的風(fēng)量由100%下降到50%時(shí)，變速調(diào)節(jié)與風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)方式相比，風(fēng)機(jī)的效率平均高出30%以上。因而，從節(jié)能的觀點(diǎn)看，變速調(diào)節(jié)方式為最佳調(diào)節(jié)方式。
風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能改造方案分析
對(duì)于常年帶滿負(fù)荷的機(jī)組，當(dāng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕度在30%時(shí)，選用雙速電機(jī)最為經(jīng)濟(jì)，即使在滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行工況下，電機(jī)也可在低速檔運(yùn)行，已可滿足風(fēng)量要求；當(dāng)風(fēng)量余度在20%左右時(shí)，則采用變頻調(diào)速、串級(jí)調(diào)度較為經(jīng)濟(jì)，而采用雙速電機(jī)和液力耦合器不能起到節(jié)電作用；當(dāng)風(fēng)量裕度在10%左右時(shí)，采用雙速電機(jī)和液力耦合器調(diào)速還不及調(diào)節(jié)門(mén)調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性好，而采用變頻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速與調(diào)節(jié)門(mén)調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性相差不大，因而此時(shí)只要采用調(diào)節(jié)門(mén)調(diào)節(jié)即可，不必采用變速調(diào)節(jié)。
對(duì)于調(diào)峰機(jī)組和長(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)組，考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性和操作維護(hù)工作量等，變頻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速比雙速電機(jī)及液力耦合器等調(diào)速方式具有更大的優(yōu)越性。因此，電廠在風(fēng)機(jī)節(jié)能改造時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇變頻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速方案。
風(fēng)機(jī)的功率一般在1000~2000kW，在目前的功率器件耐壓條件下，采用高壓IGBT和IGCT的三電平中壓變頻器，是目前的最佳選擇方案。這種變頻器的功率器件不串不并，可靠性最高，逆變單元采用12只HV-IGBT或IGCT，使用的功率器件最少，成本最低，體積最小。輸入采用12脈沖整流器，網(wǎng)側(cè)諧波??；輸出采用LC濾波器，電流波形好，總的諧波畸變率THD<1%，適合于任何籠型異步電機(jī)，且不必"降額"使用。輸出電壓等級(jí)有2.3kV，3.3kV和4.16kV，對(duì)于我國(guó)的6kV電機(jī)，可將電機(jī)進(jìn)行Y/△改接，線電壓為3.47kV，考慮風(fēng)機(jī)一般均有設(shè)計(jì)余量，因此采用3.3kV的變頻器，完全能滿足要求。對(duì)于老設(shè)備的改造特別有利，是目前最為經(jīng)濟(jì)合理的改造方案。ABB公司的ACS1000和西門(mén)子公司的SIMOVERT MV屬這類(lèi)變頻器。
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