变频器在火电厂辅机传动系统的应用现状与经济性评价.doc

变频器在火电厂辅机传动系统的应用现状与经济性评价摘要： 据统计我国火电厂平均发电煤耗396 g/(kWh)，比发达国家高出6080 g/(kWh)，其中一个主要原因就是国内火电厂的厂用电率明显偏高，主要厂用辅机运行效率低下，使厂用电率长期徘徊在7.5%左右 关键词： 变频器 火电厂 辅机传动系统0前言据统计我国火电厂平均发电煤耗396 g/(kWh)，比发达国家高出6080 g/(kWh)，其中一个主要原因就是国内火电厂的厂用电率明显偏高，主要厂用辅机运行效率低下，使厂用电率长期徘徊在7.5%左右。由于以下原因，近年来火电厂的厂用电率还有上升的趋势： 随着锅炉设备的改进与完善和电厂管理水平的提高，漏风、漏水率明显降低，使风机、水泵出现了明显的功率裕量过大问题，使原有的“大马拉小车”现象更为突出。随着装机容量的增加，有些电网供电容量出现富裕，部分机组长期处于低负荷运行状态，进一步恶化了电厂辅机的运行经济性。由于电网负荷结构的变化，负荷的峰谷差拉大，大型火电机组也要参与调峰和深调峰运行，将来甚至可能两班制运行，原有的辅机流量调节方式不能完全适应调峰要求，也会出现电能浪费和调节特性变差的情况。因此，为了抑制日益增长的厂用电率，提高火电厂经济效益，有相当多的电厂不惜投巨资，采用新兴的变频调速技术对主要辅机传动系统进行更新改造。近二年中压变频器基本上取代了其他变速驱动方式(例如液力耦合器、双速电机和串级调速驱动等)成为电厂辅机传动系统节能改造的主要技术措施之一。1火电厂大中型辅机变频器的应用现状目前，国内火电厂主要辅机传动系统变频器应用推广情况如表1所示。由表1不难看出：(1) 火电厂所采用的变频调速传动系统几乎包括了目前所有的设备配置方案，即高压方案、中压方案、高低高方案和低压方案。各种方案的设备配置情况如表2所示。其中采用保留原有6 kV电动机的高压方案使用最多，约占总台数的85%(74台)及总容量的93%(89 650 kW)；而采用中压方案和低压方案的寥寥无几，总共只有9台4 780 kW。表1目前火电厂辅机传动系统变频器使用情况统计表序号变频器生产厂家及型式安 装总台数总装机容量/MW应 用 电 厂使用的传动系统传动电动机的容量范围/kW电动机电压/kV1美国罗宾康公司Harmong Perfect系列3034.54大庆新华电厂等11个电厂送、引风机24台灰浆泵5台，给水泵1台5602 30062德国西门子公司Simcvert-MV2024.86首钢热电厂等10个电厂送引风机6302 50063Simmmovert-A(高-低-高)42.2锦州电厂等3个电厂50057064德国西门子公司Simovevt-P(高-低-中)(高-低-低)94.78山东龙口电厂等4个电厂32010000.380.665美国罗克威尔A-B公司Bulletin155744.8河南鹤壁电厂等2个电厂送引风机各2台800160066PowerFlex-70001214.27河北沙岭子电厂等5个电厂送引风机11台灰奖泵1台31.5180067ABB公司ACS 100037.5上海宝钢电厂引风机250068北京利德华福Harsvert-A43.2四川华莹山电厂送引风机80069北京先行 HVF10.25北京国华三河电厂水泵2.50610合计8796.431个电厂表2各种方案的设备配置情况表设备配置方 案 名进线变压器变频器出线降压变压器电 动机高压方案6 kV/6 kV变压器6 kV变频器无6 kV电动机中压方案6 kV/4.16 kV变压器6 kV/3 kV变压器6 kV/2.3 kV变压器4.16 kV变频器3 kV变频器2.3 kV变频器无无无4.16 kV变频器3 kV变频器2.3 kV电动机高低高方案6 kV/380 V或600 V380 V或660 V变频器(380 V或660 V)/6 kV变压器6 kV电动机低压方案6 kV/660 V变压器660 V变频器无660V电动机6 kV/380 V变压器380 V变频器无380 V电动机(2) 到目前为止，火电厂辅机传动系统中已使用或正在安装的变频器总台数约为87台，总功率达96 400 kW，其中功率在1 000 kW及以下者约48台，功率在1 0002 000 kW者约39台，功率在2 1002 500 kW者约6台。2变频器在电厂辅机节能改造应用中的经济性评价现仅引用一实例进行如下计算分析：某电厂一台125 MW调峰机组，备有2台以简易导流器调节的Y4-73NO.28D离心式引风机，其额定参数为：转速n=960 r/min,风量qvos=380 000 m3/h,全压pcos=3 973 Pa,效率185.5，轴功率P=480 kW。配套电动机为JSQ-158-6型，额定功率700 kW，电压Un=6 kV,电流In=83 A, cos0.87，效率dn=93.5%。机组的厂用电率高达9.74%，为降低厂用电率拟改造其调节方式，以变速调节取代原有的导流器调节。拟采用的变速方案有2个：变频调速和液力调速离合器调速。拟通过技术经济比较择优选用。电厂提供的计算条件是：机组在满负荷运行时引风机实际风量仅为额定风量90%；管路阻力曲线经过引风机的额定工况点；机组负荷模式如表3所示；改造后的剩余使用寿命按10年计，年利率i=6%,上网电价按0.2元/(kWh)计。表3机组负荷模式机组负荷率/%10090807060年运行小时数/h100020005005003000按上述数据，作如下计算。2.1原有调节方式下引风机耗电量由产品样本查得Y4-73型引风机的无因次特性曲线，并在其上画出管路的阻力曲线。该曲线是过坐标原点和额定工况点的二次抛物线，其表达式为(1)式中，为管道系统无因次全压；为引风机的流量系数；为引风机额定全压系数和额定流量系数,由特性曲线可查得在导流器全开时，引风机的无因次特性参数为；为引风机的功率系数。利用这些特性参数，可计算得到原有调节方式下引风机的耗电量，计算采用常规方法1，计算步骤和结果如表4所示。表4采用导流器调节时引风机的耗电量计算计算序号主机负荷率/%100908070601流量qv/m3h-1342 000307 800273 600239 400205 2002流量系数0.180.1620.1440.1260.1083功率系数(由查特性曲线)0.0840.0750.0680.0620.0564轴功率415.67371.1336.49306.8277.15电源功率PB=P/d/kW455.3409.6373.88343312.756年耗电量=PB年运行小时数/kWh455 300819 200186 940171 780938 2507年总耗电量2 571 470注：表中d为电动机效率，由电动机效率曲线查得。2.2改用变频器调速时，引风机耗电量和节电率计算改用变频器调速时管路的阻力曲线不变，各运行工况点必位于管路阻力曲线上，故可利用管路的阻力曲线方程由已知风量qv按下式计算相应的引风机全压p(2)变频调速时引风机效率f基本不变，则可用下式计算轴功率P=pqv/1000f(3)由上述公式计算得，在变频调节方式下引风机的耗电量和节电率如表5所示。表5采用变频器调速时引风机的耗电量和节电率计算计算序号主机负荷率/%100908070601风机风量qv/m3s-195.085.576.066.557.02全压3 215.42 602.42 056.31 574.31 156.63引风机内效率i/%85.585.585.585.585.54引风机全效率f/%83.583.583.082.582.55引风机轴功率P=pqv/1000f/kW365.8266.5188.3126.979.96电动机负载率0.5230.3810.2690.180.1147电动机效率d/%90.588.284.778.768.28变频器v/%97969492919电源输出功率PB=P/dv/kW416.7314.7236.5175.3128.710年耗电量=PB年运行小时数/kWh416700629 400118 25087 650386 10011年总耗电量/kWh1 638 10012变频调速方式节电率=(2 571 470-1 638 100)/2 571 470=0.363=36.3%2.3改用液力调速离合器时引用机的耗电量和节电率计算采用液力调速离合器时，仍属于调速调节方式，故引风机的风量qv，全压p，引风机的效率f和轴功率P都与变频调速毫无差别，不同之处仅在于需考虑液力调速离合器的传动效率。其值与引风机转速成正比，即v=n/no=qv/qv,os(4)应用式(3-4)计算得到采用液力调速离合器时，引风机的耗电量和节电率如表6所示。2.4三种调节方式经济性分析比较拟采用的二种改进方案的初投资如表7所示。表6采用液力调速离合调速时引风机的耗电量计算序号主机负荷率/%100908070601引风机轴功率P(取自表5)365.8266.5188.3126.979.92液力调速离合器效率v=n/no=qv/qv,os0.90.810.720.630.543电动机输出功率Pd=p/kW406.4329.0261.5201.4148.04电动机效率d0.910.900.880.860.815电源输出功率PB=pd/446.6365.6297.2234.2182.76年耗电量=PB年运行小时数/kWh446 600731 200148 600117 100548 1007年总耗电量/kWh19916008节电率=(2 571 470-1 991 600)/2571 470=0.226=22.6%表7二种改造方案的初投资变 频 调 速 方 案液力调速率合器方案干式变压器变频器、控制屏电动机合计调节装置费用/万元1852.515.58611.25安装工程费用/万元103初投资总计/万元9614.25下面用静态差额回收期法和动态总费用现值法比较三种调节方式的经济性。静态差额回收期法被定义为二种调节方案投资差额与年运行成本节约额之比，即Pa=(I2-I1)/(C1-C2)(5)式中,Pa为回收期，a；I2-I1为方案2与方案1的投资差额，万元；C1-C2为方案1与方案2的运行费用差额，万元。总费用现值法是指将设备的总投资和设备有效使用期的运用费用按资金的时间价值规律拆算到有效使用期第一年的总费用PV。当多个方案比较时，总费用现值PV最小者为最优方案，即PV=I+Cf(6)f=(1+i)t-1/i(1+i)t(7)式中,I为设备总投资现值，万元；C为年运行费用，万元；f为现值系数；i为贷款年利率，i=6%;t为有效使用年限，t=10年。根据式(5)和式(6)、式(7)对三种调节方式经济性进行了比较计算，计算结果如表8所示。表8三种调节方式的投资回收期和总费用现值比较调节方式投资现值I/万元年耗电量/kWh年耗电费C/万元改进后年节约电费/万元回收期/a现值系数f电费现值/万元总现值PV/万元入口简易导流器02 571 470514300736378.5378.5液力调速离合器14.251 991 60039.8311.61.237.36293.2307.4变频调速961 638 1003776186751473624.1337.1由上述计算结果不难看出：尽管变频调速方案节电率高达36.3%，比液力调速离合器方案高出13.7个百分点，年节电电费高达18.67万元，也比液力调速离合器方案高出7.07万元，节电效果可谓显著。但其总费用现值却比液力调速离合器方案高29.7万元，投资回收期也比液力调速离合器方案高出3.91年，变频调速方案的经济性明显地差于液力调速离合器方案。若要使变频调速方案的总费用现值与液力调速离合器方案的总费用现值相当，变频调速装置的初投资额应降到66.3万元以下，降幅约为31%。3结论(1) 对于调峰或低负荷运行的火电机组而言，以变频调速取代传统的入口简易导流器调节或液力变速机械调节都有明显的节电效果。同时变频调速在消除电动机启动冲击和提高自动装置投入率诸方面也有独到之处。推广使用这项技术，对降低居高不下的厂用电率，提高电厂经济效益和机组运行可靠性方面必将发挥重要作用。(2) 据本文的调研统计，近几年我国火电厂在推广应用变频调速方面取得了长足进展。但在方案经济性对比计算中，多次发现变频调速方案在目前给定条件下并不占优势，其主要原因是：变频器特别是中、高压变频器初投资过高；电厂电价只能按成本电价或上网电价计算，电价相对较低。降低变频调速方案的初投资是变频器在火电厂节能改造中推广应用的重要条件之一，也是有可能的，作者将另文作进一步的阐述。(3) 在火电厂辅机传动系统的节能改造中，预先对改进方案进行节电效果和经济性评价二方面的估算是十分必要的，通过估算不仅可以对各种