本文針對(duì)火電廠300MW機(jī)組主輔助設(shè)備的高壓變頻改造應(yīng)用，提出了完整的系統(tǒng)解決方案。對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)改造中存在的問題及取得的良好經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析論證。

 

一、引言

 

火力發(fā)電廠是一個(gè)能源轉(zhuǎn)化的工廠。它把煤、油等一次能源——化學(xué)能，轉(zhuǎn)化成通用性廣、效率高的二次能源-—電能。產(chǎn)品(電能)無法儲(chǔ)存，發(fā)電、供電和用電同時(shí)完成，而且要求速度快、質(zhì)量高。

 

火力發(fā)電機(jī)組是由鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)三大主機(jī)及其眾多輔助設(shè)備組成。鍋爐的任務(wù)是生產(chǎn)蒸汽，即把煤、油等燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成具有一定壓力和溫度的蒸汽的熱能;汽輪機(jī)把蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能;而發(fā)電機(jī)則把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電廠的最終產(chǎn)品-電能。

 

電力行業(yè)是高壓變頻器產(chǎn)品重要的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)電力行業(yè)機(jī)組主輔助設(shè)備的變頻技術(shù)適用性研究表明：每臺(tái)機(jī)組當(dāng)中主要有七類設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)變頻應(yīng)用，粗略估計(jì)，一般每單位機(jī)組需要配置變頻器13臺(tái)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)火力發(fā)電廠中使用的送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、給水泵、循環(huán)水泵和灰漿泵等風(fēng)機(jī)和水泵的配套電動(dòng)機(jī)總?cè)萘窟_(dá)15000MW，年總用電量達(dá)520億kWh，占全國(guó)火電發(fā)電量的5%～8%。

 

目前我國(guó)火電廠風(fēng)機(jī)和水泵基本上都采用定速驅(qū)動(dòng)。這種定速驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)采用入口風(fēng)門，水泵采用出口閥門調(diào)節(jié)流量，都存在嚴(yán)重的節(jié)流損耗。尤其在機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行偏離高效率點(diǎn)，使運(yùn)行效率降低。現(xiàn)有調(diào)節(jié)流量的方法不改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此電機(jī)消耗的功率不變，而且造成管網(wǎng)壓力過大，不利于管網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。若使用變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，達(dá)到用戶期望的流量，則可以節(jié)約大量電能。發(fā)電廠輔機(jī)電動(dòng)機(jī)的有效調(diào)速運(yùn)行，直接關(guān)系到電廠效益的高低。

 

二、電力機(jī)組主輔助設(shè)備變頻改造及工藝介紹

 

1. 鍋爐風(fēng)機(jī)變頻改造情況概述

 

電站鍋爐風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)壓裕度以及機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)高效點(diǎn)相偏離，從而使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率大幅度下降。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般情況下，采用風(fēng)門調(diào)節(jié)的風(fēng)量的風(fēng)機(jī)，運(yùn)行工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)點(diǎn)兩者偏離10%時(shí)，風(fēng)機(jī)效率下降8%左右;偏離20%時(shí)，風(fēng)機(jī)效率下降20%左右;而偏離30%時(shí)，風(fēng)機(jī)效率則下降30%以上，對(duì)于采用進(jìn)口風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量的風(fēng)機(jī)，這是一個(gè)不可避免的損失?？梢?，引風(fēng)機(jī)的用電量中，有很大的一部分是被調(diào)節(jié)門消耗掉的。因此，改進(jìn)風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式是提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，降低風(fēng)機(jī)耗電量的最有效的途徑。如果在風(fēng)機(jī)上加裝目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)普遍采用的高壓變頻器，對(duì)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量的調(diào)節(jié)以滿足鍋爐負(fù)荷的變化，這樣就能將風(fēng)門調(diào)節(jié)中的能量損失節(jié)約下來。

 

2. 鍋爐風(fēng)機(jī)工藝介紹

 

2.1 引風(fēng)機(jī)

 

引風(fēng)機(jī)是熱電廠的鍋爐生產(chǎn)工藝中重要的輔機(jī)。引風(fēng)機(jī)輸送的介質(zhì)是煙氣，最高溫度一般不得超過250度。鍋爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還有煙氣的除塵、脫硫設(shè)備，煙氣阻力較大，利用引風(fēng)機(jī)排煙才能排除煙氣，同時(shí)引風(fēng)機(jī)也是保證鍋爐燃燒室產(chǎn)生的負(fù)壓重要設(shè)備。

 

2.2 送風(fēng)機(jī)

 

為了滿足煤完全燃燒，通過送風(fēng)機(jī)(包括一、二次風(fēng)機(jī))供給煤粉燃燒時(shí)所需要的空氣量。一次風(fēng)進(jìn)入爐膛底部風(fēng)室，一次風(fēng)道上還并聯(lián)有風(fēng)道點(diǎn)火器;二次風(fēng)直接經(jīng)爐膛上部的二次風(fēng)箱分兩層入爐膛。在整個(gè)煙風(fēng)系統(tǒng)中均設(shè)有調(diào)節(jié)擋板，以便在運(yùn)行和啟停爐期間運(yùn)行調(diào)節(jié)控制。

 

2.3 排粉機(jī)

 

煤粉由熱空氣加熱后經(jīng)排粉機(jī)送入鍋爐。排粉機(jī)是制粉系統(tǒng)中氣粉混合物流動(dòng)的動(dòng)力來源，靠它克服流動(dòng)過程中的阻力，完成煤粉的氣力輸送。在直吹式制粉系統(tǒng)、中間儲(chǔ)倉(cāng)式乏氣送粉系統(tǒng)中，排粉機(jī)還起一次風(fēng)機(jī)作用，靠它產(chǎn)生的壓力將煤粉氣流吹送到爐膛。制粉系統(tǒng)的排粉機(jī)采用入口擋板調(diào)節(jié)，并且為減小三次風(fēng)量，排粉機(jī)入口管道通過調(diào)整小擋板來調(diào)節(jié)風(fēng)量，浪費(fèi)了大量的電能。為降低能耗，

 

排粉風(fēng)機(jī)在制粉系統(tǒng)中裝于球磨機(jī)，粗粉分離器、細(xì)粉分離器之后，保證原煤在球磨機(jī)內(nèi)同來自空氣預(yù)熱器的熱風(fēng)和排粉機(jī)出口的再循環(huán)風(fēng)混合，將原煤干燥，并研磨成煤粉，而煤粉隨排風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的負(fù)壓氣流，經(jīng)細(xì)粉分離器把風(fēng)、粉分開，煤粉落入煤粉倉(cāng)中貯存，剩余氣體內(nèi)含有5～10%的風(fēng)、粉混合物，經(jīng)排粉風(fēng)機(jī)出口作為三次風(fēng)送入爐膛或排入一次風(fēng)箱作為一次風(fēng)與給粉機(jī)落下的煤粉混合送入爐膛。通過上述流程介紹我們可以看出，在制粉系統(tǒng)中排粉機(jī)主要為制粉系統(tǒng)提供負(fù)壓。在對(duì)排粉機(jī)進(jìn)行變頻改造后通過將排粉機(jī)入口風(fēng)門全開，同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)出口風(fēng)門，完全可以滿足為制粉系統(tǒng)提供負(fù)壓的需要并且不對(duì)三次風(fēng)造成影響。

 

三、鍋爐相關(guān)水泵工藝介紹

 

3.1 鍋爐給水泵

 

給水泵的任務(wù)是將除氧器貯水箱內(nèi)的具有一定溫度的給水，通過給水泵產(chǎn)生足夠的壓力打入汽包，汽包內(nèi)汽液分離，水送入熱鍋爐，在鍋爐環(huán)冷壁中加熱產(chǎn)生蒸汽后進(jìn)入蒸汽輪機(jī)作功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。根據(jù)電能生產(chǎn)的特點(diǎn)和熱鍋爐運(yùn)行的特殊要求，給水泵必須連續(xù)不斷地運(yùn)行。這不僅關(guān)系到正常發(fā)電，而且也直接關(guān)系到鍋爐設(shè)備的安全。因此，鍋爐給水泵在發(fā)電廠是最為重要的水泵，號(hào)稱發(fā)電機(jī)組的心臟。給水泵工藝流程如下圖1所示：

 

圖1 水泵工藝流程圖

 

目前由于現(xiàn)場(chǎng)大部分鍋爐給水泵均采用閥門來調(diào)節(jié)流量、壓力等參數(shù)來滿足鍋爐運(yùn)行所需給水的需要, 在這種調(diào)節(jié)方式下，系統(tǒng)主要存在的幾個(gè)問題：

 

1) 采用給水泵定速運(yùn)行，閥門調(diào)整節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費(fèi)。

 

2) 當(dāng)流量降低閥位開度減小時(shí)，調(diào)整閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴(yán)重，造成能耗增加。

 

3) 長(zhǎng)期的40～70%閥門開度，加速閥體自身磨損，導(dǎo)致閥門控制特性變差。

 

4) 管網(wǎng)壓力過高威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致閥門泄漏，不能關(guān)嚴(yán)等情況發(fā)生。

 

5) 設(shè)備使用壽命短、日常維護(hù)量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費(fèi)。

 

解決上述問題的重要手段之一是采用變頻調(diào)速控制技術(shù)。利用高壓變頻器對(duì)給水泵電機(jī)進(jìn)行變頻控制，實(shí)現(xiàn)給水流量的變負(fù)荷調(diào)節(jié)。這樣，不僅解決了控制閥調(diào)節(jié)線性度差、純滯延大等難以控制的缺點(diǎn)，而且提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性;更重要的是減小了因調(diào)節(jié)閥門孔口變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了系統(tǒng)對(duì)管路密封性能的破壞，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，維護(hù)量減小，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約能源，為降低電廠廠用電率提供了良好的途徑。

 

3.2 鍋爐凝結(jié)水泵

 

汽輪機(jī)做功后的尾氣大部分蒸氣被凝結(jié)器循環(huán)冷卻水冷凝成水，凝結(jié)水進(jìn)入熱井中，由凝結(jié)泵(兩用一備)抽出，經(jīng)軸封冷卻器和水位自動(dòng)調(diào)整裝置后，一部分通過低壓加熱器經(jīng)過加熱后送至除氧器;另一部分通過再循環(huán)調(diào)節(jié)閥回到熱井中，保證熱井液位。凝結(jié)水泵工藝流程圖如下圖2所示：

 

目前電廠機(jī)組中凝泵的配置基本都是一用一備，某臺(tái)泵運(yùn)行一段時(shí)間后，要經(jīng)常倒泵，而且凝泵出口的水壓力、流量采用閥門調(diào)節(jié)流量 , 在這種調(diào)節(jié)方式下，系統(tǒng)主要存在的幾個(gè)問題：

 

1) 采用凝結(jié)泵定速運(yùn)行，閥門調(diào)整節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費(fèi)。

 

2) 當(dāng)流量降低閥位開度減小時(shí)，調(diào)整閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴(yán)重，造成能耗增加。

 

3) 長(zhǎng)期的40～70%閥門開度，加速閥體自身磨損，導(dǎo)致閥門控制特性變差。

 

4) 管網(wǎng)壓力過高威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致閥門泄漏，不能關(guān)嚴(yán)等情況發(fā)生。

 

5) 由于經(jīng)常倒泵、泵經(jīng)常直起，致使管網(wǎng)受沖擊較大，相關(guān)設(shè)備使用壽命短、日常維護(hù)量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費(fèi)。