發(fā)電廠輔機(jī)電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造技術(shù)方案分析

　　摘 要:本文針對(duì)火力發(fā)電廠各種高低壓輔機(jī)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，逐一進(jìn)行節(jié)能改造方案分析;指出了輔機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速驅(qū)動(dòng)后的優(yōu)越性和具體實(shí)施方案。
　　關(guān)鍵詞:風(fēng)機(jī) 水泵 變頻調(diào)速 節(jié)能運(yùn)行
　　1 前 言
　　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?；痣姀S中的各類輔機(jī)設(shè)備中，風(fēng)機(jī)水泵類設(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)。
 

　　2 風(fēng)機(jī)
　　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。
　　2.1 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?？偸前严到y(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?？梢?，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:
　　(1)
　　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。
　　2.2 風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能改造方案分析
　　(1) 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)門調(diào)節(jié)即可，不必采用變速調(diào)節(jié)。
　　(2) 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。
　　(3) 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)諧波小;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和西門子公司的SIMOVERT MV屬這類變頻器。
　　3 水 泵
　　火力發(fā)電機(jī)組必須配備的水泵主要有鍋爐給水泵、循環(huán)水泵和凝結(jié)水泵，其次還有射水泵、低壓加熱器疏水泵、熱網(wǎng)水泵、冷卻水泵、灰漿泵、軸封水泵、除鹽水泵、清水泵、過(guò)濾器反洗泵、生活水泵、消防水泵和補(bǔ)給水泵等。這些水泵數(shù)量多，總裝機(jī)容量大:50MW火電機(jī)組的主要配套水泵的總裝機(jī)容量為6430kW，占機(jī)組容量的12.86%;100MW機(jī)組為10480kW，占10.48%;200MW機(jī)組為15450kW，占7.73%。100MW機(jī)組主要配套水泵的總耗電量約占全部廠用電量的70%左右。由此可見，水泵確實(shí)是火力發(fā)電廠中耗電量最大的一類輔機(jī)。因此，提高水泵的運(yùn)行效率，降低水泵的電耗對(duì)降低廠用電率具有舉足輕重的意義。
　　3.1 給水泵
　　與風(fēng)機(jī)一樣，由于設(shè)計(jì)中層層加碼，留有過(guò)大的富裕量，造成大馬拉小車現(xiàn)象之外，由于采用節(jié)流調(diào)節(jié)，為滿足生產(chǎn)工藝上的要求，造成更大的能源浪費(fèi)現(xiàn)象。一臺(tái)200MW發(fā)電機(jī)組的給水泵，其電動(dòng)機(jī)功率達(dá)5000kW，水泵的出口壓力為25.0MPa，而正常運(yùn)行時(shí)的汽包壓力為16.5MPa。水泵的出口壓力與正常的汽包壓力之間的差別如此之大(8.5MPa)的原因有兩個(gè):
　　(1) 考慮到鍋爐檢修以后打水壓試驗(yàn)的需要;
　　(2) 為給水調(diào)節(jié)閥前提供較大的壓力，以提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反應(yīng)速度。
　　由以上分析可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)定速運(yùn)行時(shí)，為了維持汽包壓力在正常值，必須在給水管道上加裝給水調(diào)節(jié)閥，增加阻力，以至消耗大量的能源。若電機(jī)采用調(diào)速驅(qū)動(dòng)，則可用改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)滿足不同的壓力要求，節(jié)省了因閥門阻力引起的附加損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)以調(diào)速方法改變壓力的響應(yīng)速度遠(yuǎn)比改變閥門開度來(lái)得快，使鍋爐汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反應(yīng)加快，改善了鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能。
　　為了降低水泵的能耗，除了提高水泵本身的效率、降低管路系統(tǒng)阻力、合理配套并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度外，采用調(diào)速驅(qū)動(dòng)是一種更加有效的途徑。因?yàn)榇蠖鄶?shù)水泵都需要根據(jù)主機(jī)負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)流量，對(duì)調(diào)峰機(jī)組的水泵則尤其如此。根據(jù)目前我國(guó)電網(wǎng)的負(fù)荷情況，大多數(shù)125MW機(jī)組已參與調(diào)峰，為擴(kuò)大調(diào)峰能力甚至一些200MW機(jī)組也不得不參與調(diào)峰運(yùn)行。為這類調(diào)峰機(jī)組配套的各種水泵最好采用調(diào)速驅(qū)動(dòng)，以獲得最佳節(jié)能效果。例如，有一臺(tái)國(guó)產(chǎn)200MW機(jī)組配備三臺(tái)DG400-180型定速給水泵，當(dāng)主機(jī)負(fù)荷為180MW時(shí)運(yùn)行兩臺(tái)泵，調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失高達(dá)2.2MPa，僅此一項(xiàng)每年浪費(fèi)電能883.9萬(wàn)kW。
 

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