5号炉变频调风方案设计说明书

1 5 号炉变频调风方案设计说明书 1改造项目 本设计的对象是一个已有的供 /引风系统，即冷水江金富源碱业有限公司动力分厂 5#燃煤锅炉的鼓风机 /引风机供风系统。设计的任务，是对该供风系统进行节能技术改造，以显著提高能源利用率，降低产品能耗，并提高系统的运行可靠性。 冷水江金富源碱业有限公司将该改造项目按合同委托给湖南美晟能源管理有限责任公司实施。前者称为用能方，后者称为服务方。 本说明书论述的任务是： （ 1）论述该供风系统的能源浪费率和节能潜力。 （ 2）阐明该供风系统在现有的技术条件和政策环境下进行节能技术改造 的必然性、必要性和可行性。 （ 3）论述该供风系统电力拖动电源的主电路的设计原则和方案构成。 （ 4）论述该供风系统电力拖动电源的控制电路的设计原则和方案构成。 （ 5）论述为了实现这些任务必须正确处理的若干关系 改造项目的技术设计和施工设计将遵循经过用户方和服务方共同认定的本说明书进行。 2项目的现状（流程图、额定值、运行值） （ 1）流程简图 供风系统由风源、用风负载、控风元件和送风管路等组成，其基本结构信息由流程简图来表达，如图 1。风源提供系统运行所需的风压和风流量，即提供系统运行的风功率。本流程中包含鼓风 机和引风机两个经由炉膛串联起来的风源。鼓风机输出正风压将新鲜空气送入炉膛中。引风机输出负风压到炉膛中，使炉膛能够吸入新鲜空气并避免漏风。两个风源的工作互相牵连，密切相关，是协调控制炉膛燃烧工况和汽包输出工况的主要因素。所以供风系统是锅炉的重要的子系统。炉膛是供风系统的主要负载。除炉膛外，除尘器、预热器也是供风系统的必要负载。这些负载上消耗的风压和（除去少量泄漏风量以外的）绝大部分风流量，都是有用的风压和风流量，即有用的风功率。 锅炉 风机 2174N=70505N=355门 门开度 50% P:-(610) 102除尘器 漏风率 3% Q:（ 810） 104门 门开度 50% 引风机 4756N=142231N=280n=1484r/m N=2 图 1. 5#锅炉供风系统流程简图、风机 技术参数和系统基本运行工况 如果仅有固定的风源和依自身规律而变化的风负载，风系统的运行工况就是不可控制的。所以供风系统中必须有控制调节元件。在本系统中，就是手动遥控的闸板式调节阀 过调节阀门的开启度，可以调节输出的风压和风流量。调节可以设计为手控的，也可以设计为自控的。但调节的原理都是一样的。都是通过消耗风压或者说消耗风功率来进行的。调节阀实际上也是一种风负载，是一种可调的风负载。这是一种耗能的调节手段。是传统上唯一可用、不能不用的调节手段。但在当今的技术水平下，它所消耗的大量风压和风 功率已经成了严重的浪费。技术改造的目的，就是消除这个浪费。为此，首先要对这个浪费进行定量的估计。把它的能量消耗同有用的能量消耗分离开来。借助于流程图我们可以更容易的做到这件事。 （ 2）额定技术参数 锅炉：型号 定蒸汽量 43t/h,额定蒸汽压力 热蒸汽温度 450，排烟温度 150，设计热效率 80%。 鼓风机：型号 量 70505m3/h，全压 12174动机型号定功率 355定电流 630A，额定转速 1484r/m. 引风机：型号 量 142231m3/h，全压 4756动机型号 定功率 280定电流 510A，额定转速 1484r/m. （ 3）当前运行工况 当前运行工况是运行仪表的观测值，是在一定范围内变化的实际值，估算时取平均值。 鼓风机：电机功率 门开度（ 40 60） %，平均 50%；转速接近1484r/m；输出风压（ 均 6 引风机：电机功率 门开度（ 41 56） %，平均 49%；转速接近1484r/m；炉膛负压 -（ 6 10 100均 尘器出口流量（ 8 10 104 m3/h， 平均 9 104m3/h；除尘器漏风量 3%. 为了便于估算阀门上所消耗的功率，将有关的数据标注到流程图上。 3锅炉运行的调控要求 锅炉是一个复杂的系统。燃煤系统和供风系统是锅炉的两个重要的子系统。锅炉最重要的运行工况是供汽压力和供汽量，以及煤的消耗量。负载的蒸汽消耗量和锅炉的燃烧状况时时在变化，使供汽压力随着波动。锅炉的运行要求，是实时针对汽包压力的波动调节燃烧状况使压力保持稳定。而影响燃烧状况 的主要因素是给煤量和供风量。因此，给煤量、鼓风机的输出正压、引风机的输出负压必 3 须有有效的调节手段。在传统的锅炉调控系统中，供风系统的调节阀也就成了不可或缺的调节手段。 4传统调节方法是一种高耗能的调节方法 供风系统的传统调节方法 节流调节法是一种高耗能的调节方法。将流程简图简画为等效风路图，问题的本质立即暴露出来。在等效风路图中，鼓风机和引风机合并简化为一个近似恒压输出的等效风源；再忽略其自身的损耗，就进一步简化为一个理想的恒压风源。除调节阀以外，炉膛和电除尘器等有用负载，合并简化为一个等效负载 ；再将忽略掉的风源自身损耗归并到其中，就是全部有用的等效负载。两个调节阀合并简化为一个等效的可调负载，串联在风源与有用的固定等效负载之间。如图 2 所示。 分析等效风路图时，将其分为风源和风负载两部分。风源输出风功率，风负载消耗风功率。根据调节阀划分到哪一边，就有两种分法。如图 3 所示。 图 3 中，理想风源的风压是恒定的，并等于风机的空载风压。空载风压没有数据，可以用稍小的额定风压即全风压来近似，并记为 用负载用风阻 节阀（可调负载）用可调风阻 r 来表示。风路中 各点的流量近似视为恒定的，记为 Q。当 Q 通过有用负载风阻 R 时，在其上产生有用风压降 耗有用风功率 Q 通过可调节流风阻 r 时，在其上产生节流风压降 耗节流风功率 图很容易建立两个平衡方程。 第一个是风压平衡方程。风源风压应等于各个负载风压之和。源风压为 等效风源 等效负载 调节阀 图 2. 供风系统的等效风路图 大 气 (a) E R r Q 大 气 高 效 风 源 低效用风器 低 效 供 用 风 系 统 图 3. 节流调节导致低效风能系统 r 大 气 低 效 风 源 高效用风器 低 效 供 用 风 系 统 (b) 4 ( R + r ) (1) 负载风压为 (2,) 风压损失率 P 为 P = r (r+R) (3) 第二个是功率平衡方程。风源功率应等于各个负载功率之和。源功率为 ( R + r ) (4) 负载功率为 (5) 功率损失率 N = r (r+R) (6) 可见风压损失率即功率损失率， N = P （ 7） 可见，节流调节法是一种以功率的损耗为基础的调节方法。调节越深，功率损耗越大，功率效率越低。这是 一种名副其实的高耗能功率调节方法。这种高耗能的节流调节方法不仅在风路中被广泛使用，在水路中、在电路中也被广泛使用。 这是人们正在努力缩小的一个很大的耗能空间。 5根据流程图估算节流功率损耗和节电潜力 （ 1）鼓风机的节流功率损耗 鼓风机将电功率转化为风功率，生成的风压与转速平方成正比。在额定转速时生成的风压，当输出额定流量时，为 12174为当前转速接近额定转速，所以可以认为风源风压为 12174据风压平衡方程，这个风压主要消耗在炉膛和调节阀两个元件上。消耗在炉膛上的风压平均 6000调节 阀上消耗的风压为 12174 6000 = 6174 压损失率为 6174 12174 = (8) 5 风功率损失率 要求出损失的风功率是多少，还要知道鼓风机输出的全部风功率有多大。电动机的输入电功率为 W。设当前电动机的实际效率为 D ,当前鼓风机的实际效率为 F ,则经过电功率轴功率风功率的变换后，鼓风机输出的风功率是 于是调节阀损耗功率为 1 = = F 要求出 需要把 D 和 F 搞清楚。这是比较困难的。但换一个思路，问题就好办了。与调节阀损耗的风功率 应的是调节阀损耗的电功率 N*终要求的还是这个 N* 显然 N* 比例系数就是 。 所以，调节阀损耗的电功率是 N* =75。 44 (9) (2)引风机的节流功率损耗 引风机以负压形式输出风功率。实际运行风量为（ 8 10） 104 h,平均值为 Q = (1 2) (8+10) 108 3600 = 25 s, 在额定转速为 1484 r m 时输出的额定流量为 142231 h = s, 根据风机理论，流量之比等于转速之比， Q n (10) 如果把调节阀全部打开，引风机只要以转速 n =（ Q （ 25 1484 = 939 r m 运行，就能输出 Q = 25 s 的流量以及炉膛和电除尘器所需要的负压和功率。而实际转速将近 1484 r m ，多出了 545 r m 。这部分转速就是为了克服阀门的阻力而增加的。按照风机理论，风压与转速的平方成正比， 6 P (11) 转速为 939 r m，流量为 25 s 时，引风机 所能提供的负压是 P = -（ （ 9392 14842） 4756= 中炉膛占用的负压是 -(1 2)(600+1000) = a， 剩下的负压，则为电除尘器所分享，其值为 1904 ( 800) = 1104 在，加上了调节阀，风机以接近 1484 r m 的转速旋转，生成近似 4756压，除去炉膛和电除尘器所占用的部分，剩下便是调节阀所占用的，其值为 4756 ( 800 1104) = 2852 是调节阀消耗的风功率为 2852 25 10 3 = W 压力损失率 2852 4756 = (12) 功率损失率 (13) 如同鼓风机一样，可以认为电功率损失率与风功率损失率是相等的。于是电功率损失量为 N* W (14) 这里出现了一点点矛盾： 入功率略小于输出风功率。这淡然是不可能的。其原因观测数据的误差或取平均值带来的误差所至。例如流量 Q 的值，在生产流程中并没有监测仪表，其值是从环保监测数据中取来的，有经过平均处理。如果 Q 值偏大，就会出现这种情况。但从估算 过程可以看出， Q 值偏大虽然可以造成上述矛盾，对各个元件之间的功率比例并不会带来很大的影响。所以我们仍然可以相信，功率损失率 输入电功率损失量 N* （ 3）供风系统的节流功率总损耗 鼓风机节流功率损耗与引风机节流功率损耗之和，就是供风系统的节流功率总损耗： N*V = N* N* W (15) 供风系统总的功率损失率可以用 加权平均法求出： （ (= (16) 6用变速调节代替节流调节的预期节电效果 7 能量的形式多种多样，本质却都相同。无论是调节风压、风流量、水压、水流量、温度、热流量、电压、电流，都是调节功率。从根本上讲，一种是耗能调节法，一种是开关调节法。节流就是一种耗能调节法，把用不了的能量丢掉。开关调节法是一种高效调 节法。能量流要么全开，要么全关。全开时全用，全关时不用，都不浪费一点。但风路中常常不允许全开全关，所以直接使用开关调节法用不上。水路、热路中也常常遇到这种情况。好在能量是可以相互转换的。在电力电子技术出现之后，电功率的开关调节法解决了。变频器就是用开关调节法来实现频率变换与调节的。所以用变频调速电力拖动来代替工频恒速电力拖动，就是间接的实现了风压、风流量、风功率的开关调节，用高效调节法代替了耗能调节法。节流阀就可以退出运行。 上面算出， 5#炉供风系统的节流功率损失率高达 用变频调节代替节流调节后 ，这部分损失是不是都可以全部那回来了呢？当然不是这样。这有两方面的原因。 第一方面的原因是算不准。计算的只是平均值、概略值。有些次要的因素都忽略了。例如风管的功率消耗，风路和用风器的漏风消耗等，这些损耗有一部分是不可避免的。 第二方面的原因是做不到。理想的开关功率调节是没有损耗的，实际的变频器自身还是要消耗一部分功率，只不过很小罢了。 虽然有这两方面的原因，但都是次要的因素，功率损失中的大部分都是可以拿回来的。用一个略小于 1 的系数 K 来概括这些次要因素的影响，就可以将预期节电率表示为 = V = (17) K 值取多少最合适，不容易回答，也不必过分追究。设 K= = (18) 当前供风系统的实际运行功率为 W 变频调节的预期节电功率为 W (19) 届时供风系统的运行功率将降低到 136 (20) 以年运行 330天计算，年用电量将由 24 330=211147236 24 330=1077120节电量 24 330 = 1034352 (21) 按 电价计算，年节电费 1034352 496488 元 (22) 7. 供风系统采用变速调节对燃煤控制的影响和节煤的预期 煤是锅炉的第一成本。节电重要，节煤更重要。节煤比节电更难。每吨蒸汽的耗煤量，是最重要的技术经济指标。 节煤的关键，是如何把煤烧透烧干净。为此，首先要有合适的风煤比。风要 8 适度过量。这是第一个要求，决定了供风量与给煤量的关系。供风与给煤必须协同控制，配合调节。 供风的参数是压力 P 与流量 Q。给煤的参数是 煤层厚 H 与单位时间的给煤量 G.。 H 与 G 是成正比的。 P 与 Q 是负相关的。 P 与 Q 取何值，决定于风源 要是燃烧的煤层） 性的交点。所以 P、 Q、 H、 G 四个变量是相关的，调节起来不容易。供风压力 P 与煤层厚度也要保持适度的平衡，才能达到理想的燃烧。这是第二个要求。 要把风与煤的流量平衡和压力平衡这两个平衡同时都调到最佳状态并不容易。设想由于需汽量减少，汽包压力上升，需要减少给煤量 G。这时从流量平衡来看，应该相应的减少供气量 Q。但从压力平衡的角度来看，又需要减少风压P.。可这两个要求是矛盾的。因为风 机的 性决定了随着 Q 的减少， P 反而会升高。这时唯一的办法是增加风路阻力，使负载需求的压力 P 也跟着升高。但在小风量高风压下运行，系统的稳定性就要变差，燃烧的效果就要变坏。 分析这种复杂的相互关系，需要利用涉及 P、 Q、 H、 G 的特性方程和特性曲线。这些方程是 P = (风源特性 ) （ 23） P = (风阻特性 ) （ 24） H = (煤层特性 ) （ 25） R H (煤层风阻系数的特性 ) （ 26） 其中 空载风压， r 是风源内部风阻系数， R 是负载风阻系数。 R 与炉膛结构及几何尺寸、煤的粒度和性质等诸多因素有着复杂的关系，我们无法给出。但可以断定 R 与煤层的厚度 H 成正比，即（ 26）式。通过（ 26）式，可以把（ 26）、（ 25）式归并到（ 24）式中。这时（ 24）式的形式仍然没有变。 把（ 23）画在 标系上，有两种画法。一种是固定 变参数 r，得到一组经过（ 0， 的特性曲线族。这是一组节流调节供风系统的可调风源特性曲线族，是与图 3（ b）对应的高损耗风源特性曲线族。 r 是节流阀的风阻系数。随着阀门开度变小， r 增大，损耗增加。 负载特性 QP 。节流调节供风系统的特性曲线和工作区域 节流调节风源特性 9 另一种画法，是固定 r，改变参数 时得到一组平行特性曲线族。这是一组变速调节供风系统的可调风源特性曲线族，是基于变频调速电力拖动技术的高效风源特性曲线族。通过变速，高效风源特性曲线可以平行的扫过整个 。这种风源特性没有闭环控制，属于自然特性，随着 Q 的增加， P 略有下降。 把负载的风阻特性曲线（ 24）也画在同一个 标面上。这是一种平方阻力特性。随着流量 Q 的增加，压力 P 按照 比例增加。阻力系数 R 越大，P 上升得越快。因为没有用节流阀， R 还是比较小的。 在图 4 和图 5 中，风源特性曲线与风阻特性曲线的交点，就是供风系统的工作点。工频恒速拖动的风机，在低 Q 时，只能工作在低 Q 高 P 区，虽然采用了节流阀，把负载上的压力降了下来，但风机生成的仍然是高压，只不过把一部分压力转移到节流阀 上去了。把阀门包括在负载内，风机仍然是在高压低流量下工作，这时稳定性降低，燃烧状况变坏是必然的。风机实际上是到不了低 Q 低 变频调速拖动的风机则不一样，在低 Q 低 P 区工作是很容易的，只需把转速降下来就可以了。这时风机是真正在低 Q 低 P 区工作，不仅仍然保持着高的效率，而且仍然保持着高的稳定性。设想由于锅炉负载变小，需要减少给煤量。这时煤层次变薄，风阻变小。只要把转速降低，风源特性曲线下移， Q 就会变小，P 也会变小，工作仍然稳定。不但节了电，而且节了煤。节煤比节电更重要。 图 5 是开环拖动系统 的特性。虽然与节流调节相比，压力的稳定性已经高了许多。但随着流量 Q 的变化，压力 P 还是会有一些改变。这对于燃烧的稳定性是不利的。但由于有了变频器，而且变频器自身又带了 节器，只要增加压力传感变送器，把开环控制变为闭环调节，就可以实现恒压特性，如图 6 所示。 变速调节风源特性 P 图 5。变速调节供风系统的特性曲线和工作区域 P 10 采用这种方式工作时，系统运行的稳定性将进一步提高，燃烧状况将更为理想。操作者选定需要的任意一个（ P,Q）点，风就会在这个点上稳定的运行，煤就会在这个点上稳定的燃烧。煤耗的降低更是可以预期的。 引入风压闭环控制时，对鼓风机 应该引入输出正压控制，对引风机应该引入炉膛负压控制。两个闭环结合的好，可以达到最理想的效果。 考虑到目前的运行经验和使用者的意见，在方案设计中没有使用闭环控制方案。 8供电可靠性的提高：由工频单电源供电到变频工频双电源供电 节电定有效果，节煤亦可预期，已如前述。供电可靠性的提高，也十分明显。原有的系统，是工频单电源供电，设备除了故障，就会引起停运甚至停产，可靠性不是很高的。改造以后，原有工频电源保留下来作为备用电源，新的变频电源作主电源。正常情况下由变频主电源供电。主电源故障时，立即切换到工频备 用电源供电。这就大大提高了风机供电的可靠性。 9双电源冗余供电系统结构设计 （ 1）新增无传感器矢量控制变频系统作主电源，保留已有的软启动工频系统作备用电源，构成双冗余高可靠电力拖动电源系统。 （ 2）两个系统在电网侧通过各自的电源断路器实现并联，保持各自的独立性，可以分别通断电，提高可靠性，便于运行和检修。 （ 3）两个系统在负载侧通过各自的输出接触器实现并联，保持各自的独立性，并实行连锁通断电控制，提高可靠性，确保安全性，便于运行和检修。 （ 4）新增三相电流互感器装设在两个系统的公共进线段，无论是主电源 系统工作，还是工频备用电源系统工作，都可实现用同一套仪表计量、监控、保护。 （ 5）已有工频系统的两个三相电流互感器移装到两个系统的公共出线段上，系统原有接线仍保留。已有的电动机综合保护器仍按原接线动作工频系统。并将综合保护器的保护动作信号引入变频控制系统中。 （ 6）选用新型综合电力监控仪 行监控与计量。 （ 7）为了检修的安全与方便，设立专门的出线柜， 4 只输出接触器、 10 只电流互感器和两只综合电力监控仪均装在一个或两个出线柜中。 鼓风机电力拖动系统主电路设计图见 图 。引风机电力拖动系统主电路设计图见 图。已有的工频系统画在虚线框内。 11 77350265630 80380510280209 1422314756 3 10变频调速电力拖动系统中变频器的选择 （ 1） 品牌选择；选用国产品牌，英威腾 列矢量通用型变频器。 （ 2） 类型选择；选用变转矩型（ 以适应风机负载特性。 （ 3） 容量选择；按电动机额定容量和额定电流选择。 鼓风机；功率 355 电流 630A 变频器；功率 400 输入 /输出电流 670A/690A 型号规格； 风机；功率 280 电流 510A 变频器；功率 350 输人 /输出电流 620/640A 型号规格； 4） 运行条件对策 根据 5#锅炉配电间的环境条件，湿度，粉尘。腐性气体问题不必改滤，主要运行环境问题是温度问题，最高环境温度 +450C。根据 频器的使用说明书，在额定状态下允许的运行环境温度是 +400。每超过 10C，降额 4%使用，最高不允许超过 +50。所以在最高环境 450时，应降额（ 45%=20%. 鼓风机的 400P 变频器的额定功率 400降额为 400（ 1 =320际负荷 鼓风机 的机械效率为 =要求的额定轴功率为 : 705051217413600 110 33 仍小于 320 +450C 时，电流额定值应降为 690（ 1 =552A实际电流278A，即使按鼓风机的 算 仍小于 552A。所以 风机变频器能够适应 +450C 的最高环境温度，并且仍有一定裕度。 在 450风机 315 1 =252频实际功率约 00A (1=480A226A 即使引风机达到额定 力，其所需轴功率及运行电流仍为 功率定额，电流定额仍然有余。 11 变频电力拖动系统中变频器外围配件的选择 （ 1）电源断路器选择 电源断路器功能：变频器保护；电动机保护；检测、试验、检修时与电网隔离； 类型选择：低压塑壳空气式断路器； 12 品牌选择：常熟开关厂 型号选择： 43502规格选择：额 定工作电压 定电流 800A，短路电流分断能力为标准型，手动操作，极数 4，热动电磁脱扣器，附件代号 350，电动机保护型，中性极型，湿热型 （ 2） 负载接触器选择 负载接触器功能：实现变频电源，工频备用电源的连接，实现变频主要电源与工频备用电源的自动切换和可靠隔离，切除负载侧故障，失压保护 品牌选择：无锡浩邦科技 类型选择：真空接触器 型号选择： 格选择：额定工作电流 800A,额定工作电压 1140V 控制电源电压 助触头 3 常开 3 常闭。 （ 3） 输入电抗器，输 出电抗器，直流电抗器选择 风机负载，启动不频繁，运行平稳，故不采用专门的铁芯电抗器，而采用磁环。 （ 4） 信号滤波器选择 负载平稳，用磁环选择兼作电抗与滤波。 （ 5） 监控仪表选择 监控仪表功能：实现运行电力量 (电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素、谐波等）的实时监测；实现主电源，备用电源电能用量与需量的分别计量；允许组成电力监控网络。 类型选择：智能型综合电力监控仪 品牌选择：山东力创科技 型号选择： 33 12系统运行方式和操作要求 不同的电源供电，对节流阀的工况有不同的要求。 1变频主电源供电运行方 式和操作要求 （ 1）节流阀 100%打开 （ 2）用调节频率来调节风压、风流量。 （ 3）摸索采用相应的给煤燃煤工艺。 （ 4）严格遵守系统安全控制的逻辑要求（见后面） 2工频备用电源供电运行方式和操作要求 （ 1）按照现有的工频运行工况，节流阀在适当范围内（例如开启度 40%50%一带）运行。用节流阀来调节风压、风流量。 （ 2） 严格遵守系统安全控制的逻辑要求（见后面） 3由变频主电源运行切换为工频备用电源运行，无论是正常情况下的切换，还是变频主电源出现故障时的切换，也无论是手操作下的切换，还是自动操作下的切换， 都必须严格遵守系统安全控制的逻辑要求，遵守调节方式和调节阀工况进行相应转换的工艺要求。 13系统安全控制的逻辑