葦湖梁發電廠引、送風機高壓變頻節能效果探討

引言
　　異步電動機是電力、化工等生產企業最主要的動力設備。作為高能耗設備，其輸出功率不能隨負荷按比例變化，大部分只能通過擋板或閥門的開度來調節，而電動機消耗的能量變化不大，從而造成很大的能量損耗。隨著廠網分開，競價上網日趨激烈，如何降低發電成本，提高發電企業競價上網的競爭能力，加強內部管理，挖潛節能，是發電廠潛心研究的一件大事，2008年公司為進一步落實“以保證安全生產，提高設備健康水平，提高經濟效益為目標，重點降低廠用電率”的要求，采用低消耗、低排放、高效率的持續發展理念的經濟增長模式，應用變頻節能技術來改造傳統工藝的技術缺憾。采用高壓變頻器對高耗能用電電動機電源進行技術改造成為我公司節能降耗、提高效率的一個重要手段。不僅能降低廠用電，降低供電煤耗，增大上網用電量帶來直接經濟效益，而且能提高機組安全可靠性．減少機組故障。
　　2008年10月對引送風機進行改造，增設變頻調速裝置。通過變頻使風機處于最佳運行狀態，可以達到節能降耗，減少機械的磨損，降低管路壓力損耗，并實現電機軟啟動，減少了電機啟動時的沖擊電流，能延長電機的使用壽命及對電網和變壓器的電流沖擊，節電，降低運行成本。能大大提高運行效率，達到節能目的。
1 變頻調速原理
　　 n＝60 f(1－s)/p (1)
式中　n———異步電動機的轉速；
f———異步電動機的頻率；
s———電動機轉差率；
　 　p———電動機極對數。
　　由式(1)可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。變頻調速就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的。
　　變頻器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制四個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。
2 改造前設備狀況
　　我廠#1、2發電機組裝機容量為125MW，#1、2爐是北京巴威鍋爐廠生產的450 t/h自然循環汽包鍋爐，引送風機兩臺雙側布置，風機普遍采用高效離心式風機，目前風量調節由人工調節檔板來實現，沒有考慮到能源節約，全都采用直接啟動電機，壓力、風量采用擋板調節的工作方式，風機設計的出口壓力和風量遠高于生產工藝實際需要的壓力和風量，風道管路損耗嚴重。機組負荷低時，雙側風機運行，系統整體效率低。
引風機為沈陽鼓風機廠生產的型號為Y4-73-13No28D,左1350,右1350，。原動機功率1000KW，主軸轉速730r/min，流量138.89M3/S，3850Pa 。
送風機為沈陽鼓風機廠生產的型號為G4-73-13No22D,左450/右450。原動機功率800KW，主軸轉速960r/min，流量72.5M3/S，6870Pa。
3 改造方案
　　我公司#1、2爐引送風機電機共8臺，原來全部采用工頻運行，對8臺風機增設變頻調速裝置改造，采用一拖一加自動旁路的方式。將原引送風機閥門調節的運行方式改為由變頻調速引送風機調節流量的運行方式。當變頻器故障或檢修，可自動切至工頻運行。當引送風機變頻運行時在DCS界面上通過手操器調節引送風機頻率去調整風機轉速，從而達到調節引送風機風量的目的，同時保留原流量閥門調節方式，引送風機變頻運行時閥門置于全開位置以減少節流損失。
　　電氣系統改造是在原有6kV斷路器和電機之間加變頻調速系統和旁路開關柜經高壓變頻器輸出為6kV變頻電源，給電機供電。每套高壓變頻器配備自動隔離旁路系統。
　　自動隔離旁路開關柜由三個斷路器組成，分別是變頻器進線斷路器1QF、變頻器出線斷路器2QF、工頻斷路器3QF，6kV電源經原斷路器至自動隔離旁路開關柜的變頻器斷路器1QF，經變頻器后，再經自動隔離旁路開關柜的變頻器出線斷路器2QF至風機電動機。工頻斷路器3QF并接在變頻器進線斷路器1QF、變頻器、變頻器出線斷路器2QF兩端。在變頻器處于“保護”狀態時，將自動斷開變頻器進線斷路器1QF、變頻器出線斷路器2QF，將自動吸合工頻斷路器3QF，即實現自動旁路功能。如圖所示。變頻器出線斷路器2QF和工頻斷路器3QF由彼此的輔助節點實現互鎖功能，即：變頻器出線斷路器2QF、工頻斷路器3QF不能同時吸合，變頻器出線斷路器2QF、工頻斷路器3QF可以同時斷開。系統配置示意圖如下:

旁路開關柜上安裝兩個選擇開關：（1）遠程/本地選擇開關，遠程時DCS可操作變頻器，本地時可在就地操作。（2）旁路手動/自動選擇開關，變頻器故障時自動旁路系統動作，同時發DI信號給DCS,如果自動旁路失敗再發DI信號給DCS,可選擇手動旁路操作。
4 變頻改造后的風機運行情況
　　2008年9月2號機組大修和10月1號機臨修，利用此次停爐機會，將#1、2爐引送風機8臺電機換型改造為北京合康億盛科技有限公司生產的HIVERT高壓變頻調速裝置，同時與DCS監控系統連接，將變頻的各種技術參數、運行狀態、故障及報警等功能全部上傳到DCS，并通過DCS進行遠方控制啟動和停止，同時也能實現變頻就地控制功能。
　　在DCS界面上風機起停有兩種方式，一是變頻器一鍵啟動和一鍵停機（變頻器按照事先做好的邏輯順控啟動和停止），另一種是運行人員按照電氣設備給定的啟動順序點擊開關進行操作。通常運行人員采用一鍵啟動和一鍵停機，既簡單快捷又不容易合錯開關，大大地方便了運行操作。
在變頻與工頻之間設有連鎖開關，一旦運行中發生變頻器故障，不需要運行人員操作，變頻器將發送“變頻器故障”信號至DCS，變頻器自動切換到旁路工頻運行，并把旁路狀態信號發送給DCS。同時DCS邏輯自動將風門迅速關到65%，此時運行人員參與調節，控制風量風壓正常，確保爐膛燃燒穩定。
　　如變頻器發生隱患，變頻器發送“變頻器報警”信號至DCS，此時變頻器繼續運行，檢修人員可到本地根據變頻器報警信號的信息排除隱患。
從2008年10月我廠變頻器投入運行至今，變頻器運行正常。在機組帶80MW負荷情況下，從變頻切換為工頻，爐膛負壓變化不大，燃燒穩定，運行工況可靠。
5 節能效益分析
當我們采用調節風門檔板或閥門的開度大小來控制風機、泵類負載的介質流量時,觀察到這些風機、泵類負載長期工作在額定轉速，不可避免使其能量有相當部門會損失在檔板或閥門上。應用風機、泵類負載的調速節能理論分析依據：當用檔板或閥門開度來控制介質流量的大小時管阻檔板曲線與功率P（陰影部分為輸出功率）變化（如圖1）。由曲線1到曲線2其介質流量減少了，而功率卻沒有減少多少。而通過改變轉速n來調節介質流量情況就不同了（如圖2）。


調節閥門的H-Q曲線 (圖1) 調節轉速的H-Q曲線 (圖2)
調節轉速時，H-Q曲線由曲線1到曲線2檔板開度100%時管阻曲線不變，功率節省了很多。（其中n1為調節前轉速，n2為調節后轉速）。
數據收集
　　為準確了解變頻改造后節能效果，我們收集了改造前后在機組帶90—100MW負荷時運行的相關數據，并根據半年來的運行情況，機組負荷集中在90—100MW段，根據該負荷改造前的平均運行參數，計算節能效果。改造前后數據收集如下表：

5.2 節能計算
　　通過上表我們可以看出，同種工況下，風機變頻運行時電流比工頻運行時電流小很多，節能效果非常顯著。
　　根據流體力學理論，在理想狀態下風機、泵類負載具有風機的風量與轉速成正比關系：Q1/Q2=n1/n2 ，風機的壓力與轉速的平方成正比：H1/H2=( n1/n2)2，功率與轉速的三次方成正比：P1/P2=(n1/n2)3的特性，根據這些特性，我們分別計算各臺風機的節能效果。
　　運行時間取320天（7680h），變頻器的效率97%，功率因數為0.86，運行電壓為6.1kV,電價為每度電0.236元。根據公式P= 進行節能效果計算，如下表：

6 直接經濟效益分析：
　　1）根據以上條件計算，變頻運行方式較常規工頻運行方式節能效果比較顯著，節能幅度達50--60%左右。8臺風機年節電功率為1790.85萬千瓦時，平均節電率為56%。
　　2）增加上網電價收入=年節約量×上網電價（注明：我廠上網電價0.236元/KW•h ）
每年增加上網電價收入=1790.85萬kW•h×0.236元/kW•h =422.6萬元
7 結論
　　在現場試驗的基礎上，結合理論分析，我們確定了風機的最佳的運行工況，使風機變頻運行在最大節能工況下，為公司帶來更大的節能空間和效益。
由于采用變頻調速后，風機經常工作在低轉速下，因而大大減小了風機葉輪的磨損，減少了風機振動和軸承的磨損。延長了風機的大修周期，節省了檢修費用和時間。
同時由于工作時間不用調節風門，避免了原來調節風門時易發生的喘振現象對設備造成的損害。變頻調速系統可作為軟起動器，從而避免了直接起動時對電機沖擊的影響。
8 結束語
　　高壓變頻裝置由于其節能效果明顯，特別是在低負荷時更為顯著，采用變頻調速后，實現了電機的軟起動，延長電機壽命，風機擋板全開，也減少了風道的振動與磨損。良好的節能效果，會愈來愈為電力系統所應用，具有良好的使用價值，對建設節約型社會具有重要的意義。