变频技术在火电厂辅机上的应用.pdf

上 海 电力 2 0 0 6 年第2 期 变频技术在火电厂辅机上的应用 李 庆 上海 市电力公 司闸北发电厂 ， 上海 2 0 0 4 3 8 摘要 火电厂 中， 风机、 水泵等原采用的挡板阀门调节方式造成大量节流损失 ， 且易损坏设备 ， 建议采用调速技 术予以改造 。文章分析了各种调速 ， 尤其是高压变频调速技术 的特点 ， 介绍了高压变频器在上海闸北发电厂启 动锅炉送风机上的应用情况及其节能效果， 并总结 了变频改造对延长设备寿命以及改善运行性能 的作用。 关键词 变频 调速； 火 电厂 ； 辅机 ； 节能 中图分类号 TM9 2 1 ； TK 2 6 文献标识码 B 目前 ， 在 我 国 的能 源结 构 中， 火 电约 占在 7 4 ， 而我 国火 力发电厂的设计和制造受技术条 件 的 影 响 ， 电厂 主要 用 电设 备 如 送风 机 、 吸风 机 、 给水泵 、 循环水泵等高能耗设备 ， 其输出功率不能 随机组负荷变化而变化 ， 只有通过改变挡板或阀 门的开度来调整 ， 造成很大部分能耗在节流 中损 失 。据统计，我国火力发电厂的煤耗 比发达 国家 高出 6 0 ～8 0 g ／ k W h ， 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。如何提高和改进火电机组及其辅助设备 的节能工作十分重要 。 随着电气传动技术， 尤其是高压变频调速技 术的发展 ， 各种大容量高压变频器不断出现， 即可 满足 生产需 要 ， 又可 以达 到节 能效果 ， 同 时又能减 少设备的检修维护费用。采用高压变频技术对电 厂重 要用 电设 备 的驱 动 电源 进行 技 术 改 造 ， 是火 电厂节能降耗 、 提高竞价上 网能力的有效途径。 1 挡板 阀门调节存在的 问题 风机水泵的传统调节方式是调节入 口或出口 年 ， 后期维护费用低 。 4 输出电压变化率 d v ／ d t 采用专用 RL C 回路降低输 出 d v ／ d t指标 ， 装 置的输 出 d v ／ d t指 标为 5 0 0 V s ， 对电动机的绝缘没有任何影 响， 可以保证电动机的安全运行。 5 输出电流谐波很低， 实测数据不超过百 分之一， 对电机的正常运行没有任何影响。 6 电网自动重合闸保持不停机连续运行 。 7 单元快速电子旁路， 单元旁路动作完成 时间 小于 2 0址 s 。 8 采用特制散热器， 使装置单元温升小， 装 置体积小。 9 制造 厂家位 于上海 地 区 ， 售后 服务 方便 4 节 能情 况预测 我公 司凝 结水 泵 的额 定 流 量 l 8 0 0 1“1 “1 。 ／ h ， 额 定压力 2 ． 8 0 MP a ， 如采用变频调速装置 ， 使泵平 均流量降低到 7 5 与节流阀全开相 比 ， 则理论 上功率降低 4 2 ． 2 。扣除水泵 的效率 、 电动机和 变频功率的损失， 再扣 除节流调节时具有 的节能 一 1 3 O～ 效果 ， 功率可降低到 6 5 以下 ， 平 均节能效益应 在 3 5 ％以上 ， 一年半即可收 回投资。 5 结 语 生产技术改进为我公司节能降耗起到 了积极 的作用。高压变频调速装置的技术 日趋成熟 ， 它 不仅节能 ， 还可改善控制特性 和运行特性。我公 司 2台机 组 的 凝 结 水 泵 采 用 高 压 变 频 调 速 装 置 后 ， 对进一步降低能耗将起到积极作用。 参 考 文 献 [ 1 ] 郭立君． 泵与风机 I- M] ． 北京 水利 电力 出版社 ， 1 9 8 6 ． [ 2 ]山东工学院 、 东北 电力学院教 材组． 工程 流体力 学[ M] ． 北 京 水利电力出版杜 ， 1 9 8 7 ． 收稿 日期 2 0 0 6 - 0 1 - 1 8 作者简 介 须伟泉 1 9 6 1 - ， 男{ 上海人 ， 高级 工程 师 ， 硕 士， 上 海吴泾第二发 电有 限 责任公 司总经理 ， 从 事发 电厂 管 理 工作 ， O 2 1 5 4 6 0 4 6 0 0 X 2 2 0 2 ； 林秀 玉 1 9 6 6 一 ， 女 ， 福 建厦 门人 ， 经济师 ， 大 专， 从 事 电厂 生产 经营、 计划 、 节能 方面 的 工作 ， O 2 卜5 4 6 0 4 6 0 0 X 2 2 8 9 。 【 责任编辑 李毅 维普资讯 2 0 0 6 年第 2 期 上 海 电力 的挡板阀门开度， 以此来调节流量和压力 。采用 挡板 阀门调节时 ， 大量的能量消耗在挡板阀门的 截 流过程 中。 同时 ， 介质 对挡 板 阀门 冲击 较 大 ， 设 备损坏情况严重。另外 ， 挡板阀门动作迟缓 ， 手动 时人员不易操作 ， 而且操作不 当会造成风机震动。 挡板阀门执行机构一般为大力矩的电动执行器， 故障较多， 不能适应长期频繁调节 ， 构成闭环 自动 控 制较 难 ， 且 动态性 能不 理想 。 此外， 异步电动机在直接启 动时， 启动电流一 般达 到 电机 额 定 电 流 的 6 ～8倍 ， 对 电 网 冲击 较 大， 也会引起电机发热 ， 同时强大的冲击转矩对电 机和 风机 的机械使 用寿 命存 在很 多不利 的影 响 。 目前对风机、 水泵而言， 最有效的节能措施是 采用调速来调节流量。由于风机、 水泵大都为平 方转矩负载 ， 轴功率与转速大致成立方关系， 所 以 当风机水泵转速下降时， 消耗的功率大大下降 。 2变频器调速节 能的主要方式 1 串级调速 优点是可 以回收转差功率， 所以调速效率 比 较高， 但存在的问题也很多 它不适合于鼠笼型异 步电机 ， 必须更换 电机； 不能实现软启动 ， 启动过 程非常复杂； 启动电流大 ； 调速范围有限； 响应慢 ， 不易实现闭环控制； 功率因数和效率低 ， 并随转速 的调低急剧下降； 很难实现同 P L C、 DC S等控制 系统 的配合， 对提高装置的整体 自动化程度和实 现优化控制无益； 控制装置 比较复杂 ， 谐波 污染 大， 对电网有较大干扰 。 2 液 力偶合 器调速 属低效调速方式 ， 调速范围有限 ， 高速丢转约 5 ～1 0 ， 低速转差损耗大 ， 最高可达额定功率 的 1 5 ； 因效率与速度成正 比， 低速时效率极低； 精度低， 线性度差 ， 响应慢 ， 启动电流大 ； 装置大， 且必须加装在设备与电机之间， 不适合改造； 无法 软启动； 偶合器故障时 ， 无法切换运行； 维护复杂， 费用大， 不能满足提高装置整体 自动化水平 的需 要 。 3 高压 变频 器调 速 异步电动机 的转速 n与频率 厂、 电动机转差 率 、 电动机磁极对数 P有如下关系， 即 6 0 f 1 一s ／ p 1 由式 1 可知 ， 与 ，成 正 比， 只要 改 变 ． 厂即 可改 变 n 。当 ，在 0 ～5 0 Hz变化 时 ， n的调 节 范 围很宽。 由于应用 了先进 的电力 电子技术 、 计算机控 制技术 、 现代通信技术和高压电气、 电机拖动等综 合性领域的学科技术 ， 具有其他调速方式无法 比 拟 的优 点 1 变 频 器 采 用液 晶显 示 数 字 界 面 ， 调 整 触 摸式面板， 可随时显示电压电流、 频率、 电机转速， 可非常 直观地 显示 电机 在任何 时 间的实 时状态 。 2 精确的频 率分辨率 和高 的调速精度， 完 全可以满足各种生产工艺工况的要求。 3 高压变频器具有 国际通用的外部接 口， 可以同可编程控制器 P L C 和工控机等各种仪表 相连， 并可与原设备控制回路相连接 ， 构成部分闭 环系统， 如与原 D C S系统实现数据交换和连锁控 制 等 。 4 具有就地和异地操作功能 ， 另可通过互 联 网实现 远程监 控功 能 。 5 具有 电力 电子保 护和工业 电气保护功 能 ， 保 证变 频器 和 电机 在 正 常 运行 和 故 障 时 的安 全可 靠 。 6 电机可实现软启动、 软制动； 启动电流小 于 电机 的额 定 电流 ； 电机启 动时 间可连 续可 调 ， 减 少 了对 电网影 响 。 7 可减少配件的损耗， 延长设备使用寿命， 提高劳动生产效率。 ’ 3变频器在启动锅炉送风机上 的应 用 上海闸北发电厂现有 2台 1 2 5 Mw 机组 ， 于 2 0世纪 7 O年代中期安装， 现已改烧重油。在 9 0 年代曾建造 4台 1 0 0 Mw 燃气轮机发电机组 ， 后 单独成立为上海闸电燃机电厂。由于装机容量较 小 ， 因此上海 闸北 发 电厂 在 上海 电 网 中承担 调 峰 电厂 的作 用 。 由于 机组 实 行 两 班 制 运行 ， 且 年 发 电量不高， 所 以在 9 0年代又安装了2台 3 5 t 的启 动锅炉 ， 同时向燃机电厂和闸北电厂供汽， 每台启 动 锅炉 各使 用一 台送 风 机 。 启动锅炉送风电动机的参数如下 型号 Y3 1 5 L 2 - 6 电压 3 8 0 V 容量 1 3 2 k W 电流 2 4 5 ． 8 A 转速 9 8 7 r ／ mi n 接法 三角形 绝缘等级 B 启动锅炉送风机 的参数如下 型号 G9 1 9 1 6 D 风量 4 1 9 1 2 m ／ h 一 1 3 】一 维普资讯 上 海 电力 2 0 0 6 年第2 期 介质密度 1 ． 2 k g ／ m。介质温度 6 O℃ 转 速 9 8 7 r ／ mi n 全压 5 5 7 5 P a 由于需 风量 小 于供 风 量 ， 启 动 锅 炉送 风 机采 用挡板 调节 ， 这样 就造 成大 量能源 损耗 在挡板 上 ， 同时又 由于发电量不足 ， 厂用电率居高不下 ， 送风 机长期处于节流运行状态， 能量损失大 ， 风机效率 低 。为 了进一 步 适 应 厂 网分 开 、 竞 价 上 网 的 电力 体制， 节约能源， 降低厂用电率 ， 保护环境 ， 简化运 行方式 ， 减少转动设备的磨损等， 厂部决定对启动 锅 炉 的 2台送 风 机 进行 技 术 改 造 ， 通 过对 电机 调 速来 实 现风 机的 变 速运 行 ， 对 风 量 及 压力 进 行 合 理 调节 ， 以达 到改 善工艺 和节 能 的 目的。 经 多方调 研 、 论 证 ， 采用 了不改 变原 有风 机和 电动机 、 加装 变频 器的方 案 ， 利 用变 频器来 改 变电 机 的转速 ， 调 节风 机的风 量 ， 从 而达 到最 大限度 的 节 能 。变频 器 选 用 了 丹 麦 的 丹 佛 斯 公 司 制 造 的 VL T 6 0 0 0型变 频器 ， 具体 技术规 格如 下 设 计 VVC H U 电压 矢量 控制 功率 1 3 2 k w 输 入功率 因数 0 ． 9 5以上 频率精度 0 ． 3 所有因素下 调速范围 O ～1 0 0 连续的 依应用而定 加速时间 1 ～3 6 0 0 S ， 可调节 依负载而定 减速 时 间 1 ～ 3 6 0 0 S ， 可调节 依 负载 而定 根据实 际情况 ， 2台启 动锅 炉 送 风 机 变 频 器 的 现 场主回路均 采用 自动 一拖 一 的方 案 ， 如 图 1所 示 。此 结构是典 型的旁路方案 ， 变 频器异 常时 ， 变频器停止运 行 ， 隔离开关 QS 3经延时可 以直 接 自动 切 换 到 工 频 下 图 1 启动锅炉送风机 变频器一次接线图 运行。工频 旁路 由 3个 隔 离开 关 QS 1 、 QS 2和 QS 3组成。要求 QS 2不能与 QS 3同时闭合， 在 机械 上 实 现 互 锁 。变 频 运 行 时 ， QS 1和 QS 2闭 合 ， QS 3断 开 ； 工 频 运 行 时 ， QS 3闭 合 ， QS 1和 Q S 2断 开 。在 检 修 变 频 器 时 ， 有 明显 断 电 点 ， 能 够保证人身安全 ， 同时也可手动使负载投人工频 电 网运 行 。 4 变频改造后的运行情 况 为 了检验 变 频 器运 行 效 果 ， 求 得 送 风 机在 变 频 及工 频状 态下 的 性 能 比较 ， 厂部 组 织 了 生产 技 术科、 热力试验组及产品生产制造厂家， 联合对 2 号 启动 锅炉送 风 机在变频 及 工频状 态下 冷态性 能 进行了试验 运行方式和工况均相同 。 试验 采用 了 5种 工 况 工 频 时挡 板 开 度 分 别 为 1 0 0 、 8 0 、 6 0 、 4 0 和 2 O ； 变频时参照工 频 风量值 。试验 数据 如表 1 和 表 2 所 示 。 通过 对 比表 1的数据 可 以 看 到 ， 在 5种 工况 条件 下 ， 2号 启 动 锅 炉 送 风 机 在 变频 运 行 状 态 下 比在 工频状 态 下 的能 耗 都 更 小 ， 尤其 在 低 负 荷 运 行时 ， 效果 更 明显 。 表 2风机在 变频和工频下的全压 效率和整组效 率 风机全压效 率／ 风机整组效率／ 工 况 工频 变频 提 高值 工频 变频 提高值 1 6 4 ． 4 1 6 4 ． 46 O ． O5 5 9 ． 5 4 5 9 ． 9 5 o ． 4 0 2 6 7 ．1 O 7 2 ． 2 4 5 ．1 4 5 6 ． 5 8 6 7 ． 1 9 1 O ． 6 1 3 6 4 ． 2 7 7 0． 09 5 ． 8 2 3 9 ． 6 8 6 5 ． 1 8 2 5 ． 5 0 4 4 7 ． 1 o 6 4 ． 72 1 7 ． 6 2 1 4 ． 8 3 6 O ． 1 9 45 ． 36 5 2 4 ． 2 6 3 3 ． 4 4 9 ．1 9 1 ． 9 4 3 1 ． 1 O 2 9 ．1 6 从表 2可以看出， 在相 同工况下 ， 使用变频有 更 好 的调节效 率 和能效 。 使用变频 以后， 送 风机 的各项性能指标都有 改进 ， 如 以工 况 3为例 挡 板 开 度 为 6 O 时 ， 送 风 机在 整组 条 件 下变 频 比工 频每 天 可 以节能 表 1 变频和工频时在全压下风机轴功率对 比以及在整 组下 电动机输入 功率对 比 风量／ m0 h - 1 风机轴功率／ k W 电动机输入功率／ k W 工况 工频 变频 工频 变频 每小时节电 每天节 电 工频 变频 每小时节 电 每天节电 3 4 O 3 3 ． 5 7 1 3 4 8 3 9 ． 2 5 7 2 ． 0 1 7 1 ． 9 8 0 ． 0 3 0 ． 6 4 7 7 ． 4 3 7 7 ． 4 0 O ． O 3 0 ． 6 8 1 0 0 挡板开度 3 2 85 6 ．6 1 2 3 3 6 7 6 ． 3 2 7 1 ． 0 1 5 9 ． 8 9 1 1 ． 1 2 2 6 6 ． 7 9 7 6 ． 3 5 6 4 ． 4 0 1 1 ． 9 5 2 8 6 ． 8 7 8 0 挡板开度 2 7 37 5 ． 3 2 3 2 9 8 6 4 ． 7 1 6 2 ． 3 2 3 9 ． 9 9 2 2 ． 3 3 5 3 5 ． 8 9 6 7 ． 0 1 4 3 ． 0 0 2 4 ． 0 1 5 7 6 ． 2 3 6 0 挡板开度 1 8 93 7 ． 9 2 4 21 9 4 8 ． 2 7 5 3 ． 2 7 1 6 ． 6 5 3 6 ． 6 3 8 7 9 ． O 1 5 7 ． 2 8 1 7 ． 9 O 3 9 ． 3 8 9 4 5 ． 1 8 4 O 挡板开度 9 9 2 7 ． 7 4 5 1 O 5 3 5 ． 1 6 4 9 ． 2 5 2 ． 7 7 4 6 ． 4 8 1 1 1 5 ． 5 4 5 2 ． 9 6 2 ． 9 8 4 9 ． 9 8 1 1 9 9 ． 5 O 2 O 挡板开度 维普资讯 2 0 0 6 年第2 期 上 海 电力 5 7 6 ． 2 3 k W ， 一年以 3 2 0天计算 ， 每 台送风机可 以 节能 5 7 6 ． 2 3 k W 3 2 0 1 8 4 3 9 3 ． 6 k W ， 2台送 风 机一 年可 以节能 3 6 8 7 8 7 ． 2 k w ， 节 能效 果 明显 。 2号启 动锅炉 送风 机使 用 变频 后 的风 机 入 口 流量 Q 一 风机效 率 玑风机入 口流 量 Q 一 轴 功率 N 的特性 曲线如 图 2 所 示 。 Q ／ m3 ．h ‘ 图 2 2号启 动锅炉送风机 Q一玑QN 特性 曲线 5 对设备 的良好影 响 1 良好 的调 节性 能 启动 锅炉送 风 机 采 用变 频 调 速 后 ， 其 调 节 范 围大， 调节性能平稳 ， 电动机转速稳定 ， 并且动态 响应性能好 ， 同时可保持平稳的炉膛压力控制 ， 有 利于改善锅炉的燃烧品质 。 2 减 少 了启动 时的 电流 冲 击 在没有使用变频装置的情况下， 每次启动都 会对 电机、 电缆 、 开关产生很大的冲击 ， 在较大惯 性负载的情况下， 会产生好几倍于额定值的启动 电流 一般 电机直接启动时的最大启动 电流为额 定电流的 7倍 ， Y／ A启动 为 4 ～5倍 ， 所产生 的 电冲击和机械冲击 ， 都会对设 备造成很不利的影 响。使用变频装置以后 ， 在启停设备过程中， 皆无 冲击产生。观察变频器启动的负荷曲线 ， 可以发 现它启动时基本没有冲击， 电流从零开始， 仅是随 着转速增加而上升 ， 不管怎样 都不会超过额定 电 流， 真正做到了软启动。因此送风机变频运行解 决 了电机启动时的大电流冲击问题 ， 消除了大启 动电 流对 电机 、 电缆 、 开关 、 传 动 系统 和 主机 的 冲 击应力 ， 设备健康水平大大提高， 日常的设备维护 保养费用也随之降低。 3 延长了相关设备寿命 使用变频 器可使 电动机转速变化 沿送 风机的加 减速特性曲线变化， 没有应力负载作用于轴承上， 延 长 了轴承的寿命 。同时 ， 有 关数据表 明 ， 机械 寿命 与 转数的倒数成正 比， 降低送风机转数可成倍地提高 送风机寿命 ， 送风机使用费用 自然就降低了。 4 提 高 了电源容 量 的利 用率 ’ 异步电动机的高功率因数运行 ， 对于 电力用 户 而言也 是 很重 要 的 。使 用 变 频 调速 装 置 以 后 ， 无论原负载电动机 的功率因数 如何 ， 也不管负载 率的高低 ， 对电源而言， 将变频装置和电动机做为 整体负载看， 其功率 因数总在 0 ． 9 5以上， 这对提 高电源容量的利用率是相当有用的。 5 降低 噪音 ， 减 少 了环 境 污染 闸北 电厂送 风 机 改用 变 频 装 置 以后 ， 在 降低 风机转速运行的同时 ， 噪音也大大降低 ， 减少 了环 境污染 ， 改善了运行和检修人员的作业环境。 6 结 语 变频调速技术是迅速发展起来的一种新型电 力传动调速技术 ， 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。如果能进一步降低变频调速方案的初 期投资 ， 今后必将有更宽阔的舞台。 参考 文献 [ 1 ] 李遵基等． 中压 变频器 在火 电厂送 风机控制 中的应用 [ J ] _ 中国电力， 2 0 0 0 ， 3 3 6 ． 收稿 日期 2 0 0 6 0 4 1 9 作者简介 李庆 1 9 7 5 一 ， 男 ， 助理工程师 ， 从 事电厂设备检 修 维护及技 术管理工作， 0 2 1 6 5 0 5 7 0 0 1 2 1 6 2 。 责 任编 辑 李毅 上海光伏产业 3年 内产值将达百亿元 我 国太 阳光伏产业 已迈进快速发展 的“ 阳光时期” 。 2 0 0 5年 ～2 0 0 7年上海 市开发利用太 阳能行 动计划 提出， 至 2 0 0 7年前上海光伏产业 总产值要达到 1 O 0 亿元 ， 光伏产业发展将 成为上海先进 制造业 的新增 长点 。上 海是 中国太阳能光伏产业的重要 研发和生 产基地 ， 上海市政府对发展太阳能产业高度重 视 ， 将太 阳能光伏 电池 的研制 和 产业化列入“ 科教兴市” 重大产业科技攻关项 目， 从多方面给予支持。 摘 自 能源信 息} 2 0 0 6 ． 0 3 ． 3 0 1 33 维普资讯