变频器在锅炉风机中的应用工艺.doc

变频器在锅炉风机中的应用发电厂中的高压电动机多为风机和水泵，应用高压变频器的主要目的是节能和实现自动控制。本文档主要介绍变频器在风机用电机的应用及注意事项。1发电厂系统简介火力发电厂主要分为三大系统。下图为火力发电厂的生产过程示意图：一，燃烧系统煤从原煤仓落入煤斗，由给煤机送入磨煤机磨成煤粉，并经空气预热器来的一次风烘干并带至粗粉分离器。在粉粉分离器中将不合格的粗粉分离返回磨煤机再行磨制，合格的细煤粉被一次风带入旋风分离器，使煤粉与空气分离后进入煤粉仓。煤粉由可调节的一次风机按锅炉需要送入一次风管，同时由旋风分离器送来的气体（含有约10左右未能分离出的细煤粉），由一次风机提高压头后作为一次风将进入一次风管的煤粉经喷燃器喷入炉膛内燃烧。二次风机将冷风送到空气预热器加热，加热后的气体一部分经磨煤机、一次风机进人炉膛，另一部分经喷燃器外侧套筒直接进入炉膛。炉膛内燃烧形成的高温烟气，沿烟道经过热器、省煤器、空气预热器逐渐降温，再经除尘器除去9099（电除尘器可除去99）的灰尘，经引风机送入烟囱，排向天空。二、汽水系统 由锅炉产生的过热蒸汽沿主蒸汽管道进入汽轮机，高速流动的蒸汽冲动汽轮机叶片转动，带动发电机旋转产生电能。在汽轮机内作功后的蒸汽，其温度和压力大大降低，最后排入凝汽器并被冷却水冷却凝结成水（称为凝结水），汇集在凝汽器的热水井中。凝结水由凝结水泵打至低压加热器中加热，再经除氧器除氧并继续加热。由除氧器出来的水（叫锅炉给水），经给水泵升压和高压加热器加热，最后送人锅炉汽包。在现代大型机组中，一般都从汽轮机的某些中间级抽出作过功的部分蒸汽（称为抽汽），用以加热给水（叫做给水回热循环），或把作过一段功的蒸汽从汽轮机某一中间级全部抽出，送到锅炉的再热器中加热后再引入汽轮机的以后几级中继续做功（叫做再热循环）。为了将汽轮机中作功后排入凝汽器中的乏汽冷凝成水，需由循环水泵从凉水塔抽取大量的冷却水送入凝汽器，冷却水吸收乏汽的热量后再回到凉水塔冷却，冷却水是循环使用的。三、电气系统发电厂的电气系统，包括发电机、励磁装置、厂用电系统和升压变电所等。发电机的机端电压和电流随着容量的不同而各不相同，一般额定电压在1020kV之间，而额定电流可达2OkA。发电机发出的电能，其中一小部分（约占发电机容量的48），由厂用变压器降低电压（一般为63kV和400V两个电压等级）后，经厂用配电装置由电缆供给水泵、送风机、磨煤机等各种辅机和电厂照明等设备用电，称为厂用电（或自用电）。其余大部分电能，由主变压器升压后，经高压配电装置、输电线路送入电网。2锅炉及风机介绍 下面介绍一下锅炉机组的基本工作过程：燃料经制粉系统磨制成粉，然后由一次风机送入炉膛中燃烧，使燃料的化学能转变为烟气的热能。高温烟气由炉膛经水平烟道进入尾部烟道，最后从锅炉中排出。锅炉排烟再经过烟气净化系统变为干净的烟气，由引风机送入烟囱排入大气中。烟气在锅炉内流动的过程中，将热量以不同的方式传给各种受热面。例如，在炉膛中以辐射方式将热量传给水冷壁，在炉膛烟气出口处以半辐射、半对流方式将热量传给屏式过热器，在水平烟道和尾部烟道以对流方式传给过热器、再热器、省煤气和空气预热器。于是，锅炉给水便经过省煤器、水冷壁、过热器变成过热蒸汽，并把汽轮机高压缸做功后抽回的蒸汽变成再热蒸汽。以下示意图便是电厂锅炉的燃烧系统流程。 我们知道，由于锅炉在正常运行中的燃料构成、热负荷、电负荷以及季节等变化因数较大，因此，锅炉燃烧所需要的空气量在各个不同的情况下，也相应有较大的变化，然而，锅炉配置的风机是按锅炉最大出力情况下的所需最大风量来设计，并必须考虑锅炉在事故情况下一定的风量裕度，所以，风机电机功率的配置一般都较大，据统计，锅炉风机档板的平均开度，在正常情况下引风机为48%左右，二次风机仅为45%左右。传统的调节方法是用档板调节控制，大量电能浪费克服挡板的阻力上，造成厂用电率高，影响机组的经济运行。 在这里需要说明一下，一般而言,一二次风机是相对流化床锅炉而言，送风机和排粉机是相对中储式煤粉锅炉而言，其实际作用是完全一致的，由于现在流化床锅炉比较普及，故而一二次风机的提法比较多。下面介绍一下一次风机、二次风机和引风机的作用（1） 一次风机：作用：一次风机作为锅炉的辅机起着干燥和输送煤粉的作用, 一次风由一次风机引入，一次风经过的环节多,风道阻力大,所以要求风压高,一次风机为两级动叶可调式,在风压上要比单级轴流风机的风压高,这样就可以满足对风压上的要求.一次风量的调整：为保证锅炉有良好的工况和较高的热效率，在运行中应根据煤质和负荷的变化及时地调整一 次风量，同时根据燃料燃烧，底料流化床温变化和料层差压的情况合理配风。如果配风过低 ，就不能使燃料充分燃烧，时间稍长，还会有结焦的危险；风量过大，又会使床温降低，同 样会使燃料无法充分燃烧，排烟热损失也相应增大。另外需要强调的是当冷炉点火启动时， 应根据底料的实际粒度和冷态实验情况，合理的调配最低流化风量，以防引起低温结焦。低 负荷运行时，一次风量不能低于最低风量，否则就有结焦和灭火的可能。（2） 二次风机：作用：二次风机为引入二次风的风机，二次风量是完全燃烧所必须的补充风量。运行中它的主要作用是控制氧量。运行中二次风机入口调节挡板全开，用液偶电动执行器控制二次风压，以确保风能够进入炉膛。可通过二次风控制挡板调节燃烧室下部各二次风喷口的风量分配。在50%锅炉负荷范围内，风量基本恒定不变，之后随负荷增加二次风量也成比例增大。总二次风量约是进入燃烧室的总风量的45%。二次风由两台二次风机供给，进入空气预热器内加热后，由二次热风道送到锅炉四周，再由三十四只二次风管分两层在不同高度进入炉内，供给燃料燃烧所需要的氧量，并实现分级送风，降低NOx排放。另一路从二次热风道引出送到给煤口和石灰石管线上作为密封风。二次风量的调整：投入和调整二次风量的基本原则是：一次风调整流化、炉温和料层差压，二次风控制总风量 。 当总风量不足时，可逐渐开启二次风小风门投入二次风，一般约在40t/h负荷时投入较为适 合。随着锅炉负荷的不断增加，二次风逐渐增大，当达到额定蒸发量左右时，一、二次风的 配比约占50%左右，此时过热器后氧量仍控制在3-5%左右。 应当注意的是投入二次风一定要根据负荷和炉温的不断升高、逐渐缓慢进行，切忌快速大量 的投入。因此时锅炉刚刚投运，炉内热强度还很低、系统燃烧还不够稳定，此时如大量快速 的投入温 度较低的二次风，势必造成炉温较大的波动，给运行调整带来许多困难，如果控制不好会造 成灭火。（3） 引风机：作用：引风机将炉膛内烟气吸入脱硫塔除尘器及烟道，使炉膛内形成负压，增加氧气使煤炭更充分燃烧，提高发热量，减少污染 克服尾部烟道、除尘器、空气预热器等的压力损失。引风量的调节：当锅炉增减负荷时，势必增加或减少燃料量和风量，这时若不及时调节引风量，就会造成锅炉变正压或灭火的严重后果。一般的调节方法是：当增加负荷时，先增加引风量，再增加送风量，保持炉膛负压在允许范围内变动；减负荷时，先减少送风量，然后再减少引风量，目的是防止正压运行。3电厂风机变频改造案例变频器在电厂风机的节能改造项目中已经广泛应用，下面是某电厂一次风机变频改造项目：一、改造方案机组正常运行工况，两台一次风机运行。为了节约投资，改电厂对所有机组两台一次风机电动机进行了变频改造，保留现有的一次风机电动机和高压开关，分别增加一台高压变频器，考虑6kV开关室位置情况，在一次风机附近建设变频器小间。一次风机电动机采用变频控制方式，一次风调节挡板仍保留，一次风控制逻辑在DCS系统内设计编制，增加一次风机变频控制站，实现了手、自动控制及无扰切换等功能。一次风机变频运行时，调节挡板保持全开，一次风通过改变一次风机电动机转速来调节；变频器出现故障时，风机跳闸后，手动切换至工频定速运行，调节挡板同时也自动参与一次风压控制。风机变频运行向定速切换时，应停运风机，手动切换一次回路后，按原启动方式投入运行。变频器接入原电气回路如图1所示。某品牌的一次风机变频装置的手动旁路由三把刀闸组成，其中QS2和QS3属于单刀双掷刀闸，一个在合位时，另一个必定在分位。一次风机电机进行变频改造后，原先DCS系统对一次风系统的控制方式发生了根本改变，必须对所有设计一次风系统的顺控、自动逻辑和画面进行全面修改，增加变频模式下操作、顺控启停、事故联锁、协调控制等功能。二、变频器主要技术规范1安装、投运变频器装置后原电机不加任何改动可直接应用。26kV主电源故障时，变频器在3秒钟内不停机，一旦主电源重新受电，装置系统能自动恢复正常工作而无需运行人员的任何干预，以满足主电源母线切换的需要。3变频器内部通讯采用光纤连接，以提高通讯速度和抗干扰能力，变频器内部强弱电信号分开布置光电隔离、铁壳屏蔽，对本体控制系统就地控制柜没有谐波影响，柜内设有屏蔽端子和接地设施。变频装置冷却系统可靠，考虑冗余配置。单台冷却风机故障不影响系统正常运行，并报警远传到控制室。每一套冷却装置拆装方便，并不影响变频装置的安全可靠运行。4变频装置提供电动机所需的过载、过流、过压、欠压、过热、缺相保护以及进线变压器的保护和变频器过载，变频器过热等保护功能。5变频装置动力电源和控制电源分开供电，动力电源为变频调速系统内部供电，控制电源独立于动力电源系统。控制电源故障时，变频器不能立即停机，能保持运行半小时以上，以便维护人员处理电源故障。变频器自备UPS，可维持30min。变频器可在输出不带电机的情况下进行空载调试，也可在使用380VAC进行空载调试。6当6kV母线上电动机成组启动时，对变频器运行无影响。系统的共模电压由进线变压器承担，不大于20kV，电动机不承受共模电压。变频器瞬时失电后，如果超过5个周波，变频器自动使输出功率为零，使电容上的容量输出时间较长。待输入电压恢复正常后，重新提升输出频率到给定值，此过程由加减时间控制，不应有初始化时间。如果失电时间超过3秒，则变频器保护停机，需要系统复位后才能重新启动。三、经济效益分析（一）直接经济效益该公司共4台300MW机组，每台机组有2台一次风机电机。一次风机采用上海鼓风机厂生产的1788B/1224型单吸离心式风机，单台风量82.2M3/S，其配套电动机采用上海电机厂生产的YKK500-4型电机，额定电压6KV，额定电流175.4A，额定功率1600KW，转速1484rpm。为了摸准2#机组一次风机改造前后效益，在2008年7月中旬进行了3#机组一次风机改造后效率试验。试验参数主要有一次风机电流、一次风压力。试验时，一次风机调整门全开,随着机组负荷变化，一次风机通过转速调整一次风压力。本次试验共有四个工况，机组负荷分别为：180MW、200MW、250MW、300MW。从试验中一次风机运行功率参数来看，在一次风机改造前，机组负荷越小，一次风系统节流损失越大；改造后，系统阻力损失大幅下降，相应的功率也就节省下来了，所以在低负荷时节电效果明显。参照2007年1-12月份负荷变化工况，统计规律为1、2、3、11、12月份为电力系统高峰时段，4、5、6、7、8、9、10月份为电力系统低谷时段，并且机组调峰比较频繁。如果按全年运行7000小时计算，合计可节电4383984kWh，按照0.207元/kWh价格计算，合计约节省90万元，三到四年可收回全部投资。详细计算见下表：项目工况1工况2工况3工况4机组负荷(MW)180200250300一次风机定速风压(kPa)9.79.759.679.9A一次风机定速运行电流(A)104.35112.59106.82118.82A一次风机定速运行功率(kW)954.27661029.631976.86461086.604B一次风机定速运行电流(A)105.82110.49105.91115.61B一次风机定速运行功率(kW)967.71971010.427968.54271057.249一次风机变频风压(kPa)9.49.69.549.93A一次风机变频运行电流(A)69.657072.3191.17A一次风机变频运行功率(kW)636.9465640.1472661.2721833.746B一次风机变频运行电流(A)70.297476.789.89B一次风机变频运行功率(kW)642.7992676.727701.4184822.0405节省功率（kW）642.2505723.1834582.7169488.0665运行时间百分比（）5255025发电量（万kWh）6300350008750052500合计发电量（万kWh）181300节约电量（kWh）224787.712655712039509854116.4合计节约电量（万kWh）438.4合计节约费用（万元）90机组厂用电率下降0.24（二）间接经济效益1改造前一次风机工频启动时，电动机承受8-10倍的冲击电流，而采用变频启动后，电动机由于软启动，启动电流小，启动过程平稳，对电网和电机没有冲击，对风机也不产生大的启动转矩冲击，可延长设备使用寿命，降低维修费用，减少维修改造量。2采用变频运行后，由于电机轴功率下降，一次风机转速降低，减轻了机械振动和噪声，可延长设备使用寿命，改善了劳动环境。3变频器保护功能齐全，质量可靠，可提高控制可靠性。4采用变频运行后，一次风稳定可靠，提高了一次风系统运行稳定性。四、结论一次风机变频器投入运行后，运行良好，调节平稳，运行电流明显下降，调节范围宽泛，具有明显的节电效能，达到了预期的收益。改造前后试验数据表明一次风机采用变频调速的运行效率明显比定速运行采用调节阀调节时高，尤其是机组低负荷运行时。一次风机电动机采用变频器调速，调速范围大，电动机转速稳定，动态响应性能好，调节性能平稳，有利于一次风系统运行稳定可靠，改善了机组调节品质。采用变频技术降低电耗效果明显，符合国家节能政策，达到了节约能源，降低厂用电的目的，值得进一步推广应用。4注意事项 变频器在一二次风机和引风机的改造中有许多的优点，这里就不再赘述，重点讲一下变频器在风机的应用中应该注意的问题。（1） 通风问题。除了做好变频器本身的通风问题以外，由于变压器和变频器的散热量大，应用管道将热风引到室外。当环境温度过低时，应考虑增加加热器。（2） 高速风机存在共振临界转速。设定变频器运行频率时应躲开共振频率。（3） 对于采用母管制的风机，当一台运行另一台起动时，由于出口阀不严，此时待起动的风机可能处于反转状态，转速可达100200 rs，这对变频器的起动提出了严格的要求。（4） 变频器对电压变化比较明显，如输入电压低于变频器设定的欠压保护值时，变频器会自动停止运行，需要复位后再起动。而有的电厂规定成组电动机自起动时，高压厂用母线电压不低于正常电压的65%70%；一类电动机在电源消失9 s后才跳闸，如9 s内电源恢复应能自起动。这些同变频器的性能存在矛盾，在设计时应充分考虑。（5） 电机保护。变频器除了自身具备的保护功能外，还可以保留原有的继电保护装置