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發(fā)電廠風機電動機節(jié)能改造技術方案分析
目前，在我國電源結構中，火電裝機容量占74%，發(fā)電量占80%；水電裝機容量占25%，發(fā)電量占19%；核電僅占1%左右，因此火電機組及其輔機設備的節(jié)能改造工作是非常重要的。火電廠中的各類輔機設備中，風機水泵類設備占了絕大部分，蘊藏著巨大的節(jié)能潛力。由于火電機組調(diào)峰力度的加大，這些機組的負荷變化范圍很大，必須實時調(diào)節(jié)風機水泵的流量。目前調(diào)節(jié)流量的方式多為節(jié)流閥調(diào)節(jié)，由于這種調(diào)節(jié)方式僅僅是改變了通道的通流阻抗，而電動機的輸出功率并沒有多大改變，所以浪費了大量的能源。隨著電力行業(yè)的改革不斷深化，廠網(wǎng)分家，競價上網(wǎng)政策的逐步實施，降低廠用電率，降低發(fā)電成本，提高上網(wǎng)電價的競爭力，已成為各火電廠努力追求的經(jīng)濟目標，要求越來越迫切。風機水泵類負載采用調(diào)速驅(qū)動具有非常可觀的節(jié)能效果，這已是共識。
另外，交流電機的直接起動(尤其是高壓電機)會產(chǎn)生巨大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，在很短的起動過程中，轉(zhuǎn)子籠型繞組及阻尼繞組將承受很高的熱應力和機械應力，致使籠條的端環(huán)斷裂。直接起動時的大電流還會在定子繞組的端部產(chǎn)生很大的電磁力，使繞組端部振動和變形，造成定子繞組絕緣的機械損傷和磨損，從而導致定子繞組絕緣擊穿。直接起動時的大電流還會引起鐵芯振動，使鐵芯松馳，引起電機發(fā)熱增加。在火力發(fā)電廠中，高壓大容量交流籠型異步電動機的使用非常廣泛，由于直接起動而造成的電動機燒毀和轉(zhuǎn)子斷條事故屢屢發(fā)生，給機組的安全經(jīng)濟運行造成很大的威脅。因此大容量異步電動機采用軟起動方式，對于延長電動機的使用壽命，減少對電網(wǎng)的沖擊，保證機組正常運行是非常必要的。由于電動機的變頻軟起動可提供高的起動轉(zhuǎn)矩并可做到平滑無沖擊，所以采用變頻器實現(xiàn)軟起動的效果也是非常突擊的。同時，采用調(diào)速驅(qū)動，還可以有效地減輕風機水泵葉輪的磨損，延長設備使用壽命，降低運行噪聲。還有運行工藝對輔機設備的控制性能的改善也是十分迫切的，例如鍋爐風機和給粉機的調(diào)速控制，可以大幅度地改善爐內(nèi)的燃燒工況，從而節(jié)煤、節(jié)水，并可節(jié)省這些物料的運輸，處理能量等。工藝條件的改善可以創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益，已不再簡單地局限在節(jié)能的范疇，人們會很快地認識到這一點，并迅速行動起來。
本文針對發(fā)電廠各種風機電動機的實際運行工況，逐一地進行節(jié)能改造方案分析。
風機是火力發(fā)電廠重要的輔助設備之一，鍋爐的四大風機(送風機、引風機、一次風機或排粉風機和煙氣再循環(huán)風機)的總耗電量約占機組發(fā)電量的2%左右。隨著火電機組容量的增大，電站鍋爐風機的容量也在不斷增大，如國產(chǎn)200MW機組，風機的總功率達7140kW(其中，送風機二臺2500kW，引風機二臺3200kW，排粉風機總功率1440kW)，占機組容量的3%以上。因此，提高風機的運行效率對降低廠用電率具有重要的作用。
風機的運行狀況和節(jié)能效果
我國電站風機已普遍采用了高效離心風機，但實際運行效率并不高，其主要原因之一是風機的調(diào)速性能差，二是運行點遠離風機的最高效率點。我國現(xiàn)行的火電設計規(guī)程SDJ-79規(guī)定，燃煤鍋爐的送、引風機的風量裕度分別為5%和5%~10%，風壓裕度分別為10%和10%~15%。這是因為在設計過程中，很難準確地計算出管網(wǎng)的阻力，并考慮到長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題，通常總是把系統(tǒng)的最大風量和風壓富裕量作為選擇風機型號的設計值。但風機的型號和系列是有限的，往往在選用不到合適的風機型號時，只好往大機號上靠。這樣，電站鍋爐送、引風機的風量和風壓富裕度達20%~30%是比較常見的。
電站鍋爐風機的風量與風壓的富裕度以及機組的調(diào)峰運行導致風機的運行工況點與設計高效點相偏離，從而使風機的運行效率大幅度下降。一般情況下，采用調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)的風機，在兩者偏離10%時，效率下降8%左右；偏離20%時，效率下降20%左右；而偏離30%時，效率則下降30%以上，對于采用調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)風量的風機，這是一個固有的不可避免的問題。可見，鍋爐送、引風機的用電量中，很大一部分是因風機的型號與管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)不匹配及調(diào)節(jié)方式不當而被調(diào)節(jié)門消耗掉的。因此，改進離心風機的調(diào)節(jié)方式是提高風機效率，降低風機耗電量的最有效途徑。
按照流體機械的相似定律，風機、水泵的流量Q、壓頭(揚程)H、軸功率P與轉(zhuǎn)速n之間有如下比例關系:
離心式風機在變速調(diào)節(jié)的過程中，如果不考慮管道系統(tǒng)阻力R的影響，且風壓H隨流量Q成平方規(guī)律變化，則風機的效率可在一定的范圍內(nèi)保持最高效率不變(只有在負荷率低于80%時才略有下降)。圖1示出了離心式風機不同調(diào)節(jié)方式耗電特性比較，圖2示出了采用調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式時，風機的效率-流量曲線。
由圖2可知:在風機的風量由100%下降到50%時，變速調(diào)節(jié)與風門調(diào)節(jié)方式相比，風機的效率平均高出30%以上。因而，從節(jié)能的觀點看，變速調(diào)節(jié)方式為最佳調(diào)節(jié)方式。
風機調(diào)速節(jié)能改造方案分析
對于常年帶滿負荷的機組，當風機的風量裕度在30%時，選用雙速電機最為經(jīng)濟，即使在滿負荷連續(xù)運行工況下，電機也可在低速檔運行，已可滿足風量要求；當風量余度在20%左右時，則采用變頻調(diào)速、串級調(diào)度較為經(jīng)濟，而采用雙速電機和液力耦合器不能起到節(jié)電作用；當風量裕度在10%左右時，采用雙速電機和液力耦合器調(diào)速還不及調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)的經(jīng)濟性好，而采用變頻調(diào)速和串級調(diào)速與調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)的經(jīng)濟性相差不大，因而此時只要采用調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)即可，不必采用變速調(diào)節(jié)。
對于調(diào)峰機組和長期處于低負荷運行的機組，考慮到長期運行的安全可靠性、經(jīng)濟性和操作維護工作量等，變頻調(diào)速和串級調(diào)速比雙速電機及液力耦合器等調(diào)速方式具有更大的優(yōu)越性。因此，電廠在風機節(jié)能改造時，應優(yōu)先選擇變頻調(diào)速和串級調(diào)速方案。
風機的功率一般在1000~2000kW，在目前的功率器件耐壓條件下，采用高壓IGBT和IGCT的三電平中壓變頻器，是目前的最佳選擇方案。這種變頻器的功率器件不串不并，可靠性最高，逆變單元采用12只HV-IGBT或IGCT，使用的功率器件最少，成本最低，體積最小。輸入采用12脈沖整流器，網(wǎng)側諧波小；輸出采用LC濾波器，電流波形好，總的諧波畸變率THD<1%，適合于任何籠型異步電機，且不必"降額"使用。輸出電壓等級有2.3kV，3.3kV和4.16kV，對于我國的6kV電機，可將電機進行Y/△改接，線電壓為3.47kV，考慮風機一般均有設計余量，因此采用3.3kV的變頻器，完全能滿足要求。對于老設備的改造特別有利，是目前最為經(jīng)濟合理的改造方案。ABB公司的ACS1000和西門子公司的SIMOVERT MV屬這類變頻器。
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