电厂增压风机节能改造方案分析比较

增压风机电机节能改造方案分析报告1项目背景华能云南滇东第一发电厂4×600MW机组原烟气脱硫装置为鼓泡塔方式。根据鼓泡塔烟气系统阻力设计，每台炉设有两台压力为6180kPa增压风机，配套电机4400kW。由于燃煤硫份发生变化原脱硫系统已不能满足实际运行要求。于2010年由北京博奇电力科技有限公司实施改造，将原鼓泡塔脱硫装置改为5层喷淋塔装置。脱硫系统改后烟气阻力减小，但考虑到脱销改造对烟气系统阻力影响无法确定，故脱硫改造时增压风机未实施节能改造。现经脱硫改造和即将安装SCR装置整体的阻力情况核算，增压风机压头裕量较大，低负荷时存在大马拉小车的现象。为了在低负荷工况下实现节能运行，现对增压风机电机节能方案进行分析并结合机组脱硝系统改造同步实施。本次研究方案有电机改双速和增设变频器两种，以下将对这两种方案进行叙述和分析。2增压风机电机节能方案介绍2.1电机改双速方案1）技术原理电机双速改造是利用一套定子绕组仅改变其接线方式，不再替置任何设备，即可达到两种速度。根据交流异步电机学理论，当异步电机定子绕组接到三相电源上时，定子绕组中流过对称电流，气隙中将建立基波旋转磁动势，从而产生基波旋转磁场，其同步转速1n决定于电网频率1f和绕组的极对数p。（pfn1160）通过改变接线方式增加其定子绕组极对数p，降低电机转速。根据风机学原理风机的出力与转速的三次方成正比，当电机转速降低，风机及电机的功率随之降低从而达到节能的目的。在电网频率不变情况下，改变电机极对数P，调整电机转速空间是很有限的。因为p的数值只能取自（N=1、2、3、4、5……）自然数列每当p作出一次调整电机转速差别较大，不可能做到连续可调。目前采用换向法变极方法，电机变前极对数p1，通过打破原来三相的界限，把各线圈重新组合分配给三相绕组，从而得到变后极对数p2。首先画出按p2对极的槽号相位图；第二步在图上按p2对极相位排列的变前极p1三相所占槽号；第三步在三相槽号表上任意画分三相互差120°的对称轴线，把变前极p1绕组每相槽号划分为三段，而用改变各段之间连接来改变极数。这样就可以得到第一个对称的变极方案。此后可移动三根对称轴线，但移动时必须保持它们之间仍互差120°，每移动一次，各段所占槽号的相位分布发生变化，获得一个新的对称方案，因此，能见简便地获得许多不同的变极方案，以便从中挑选最佳方案。由于变极后p2仍是正规接法，其绕组系数一般在0.86，因此变极p2后的电机输出功率为(H1×p2/p1)。考虑变极后转速下降，电机冷却风量减少，电机温升影响，其输出功率稍略降低些。2）运行性能理论上风机的流量和转速成正比，压力和转速平方成正比，其内功率则和转速立方成正比。目前我厂增压风机出口压力为6180pa，转速为745r/min。脱硝工程改造后，烟气系统总阻力在极端工况下约为9919Pa。引风机按全压5054Pa考虑，增压风机在极端情况下出口压力不应低于4865pa，按照压力和转速平方成正比的关系，电机的转速应不低于661r/min。我厂增压风机电机型号为YKK900-8W，四对极，按最少增加一对极计算，改造后电机转速下降至585/min（小于661r/min）。因此，如果考虑电机双速改造，改造后增压风机出口压力不能满足最大工况的要求。运行过程中负荷较高时将需要进行高低速切换。电机双速切换可以停电切换也可实现在线切换。停电切换时必须先停用增压风机，开启烟气旁路挡板。开启烟气旁路挡板将造成环境污染并考虑环保长期规划取消旁路挡板的可能。停电切换所需时间较长，一般约2小时，增加运行和检修工作量，运行极为不便。根据目前技术水平，风机双速在线切换的方法为利用两个6kV高压开关分别接高速开关和低速开关。当采用高速运行时合上高速开关，断开低速开关，当采用低速运行时合上低速开关，断开高速开关。切换时由于电机高速和低速绕组连接方式不一致，两开关不能同时合闸，必须采用串联切换的方式。即先断开高速（低速）开关再合上低速（高速）开关。因此，电机在切换过程中存在短时失电。进行高低速切换过程中，转速会出现由低到高或由高到低的一个快速变化过程。增压风机出口压力出现较大波动同时引起炉膛负压波动，给运行调整增加难度。电机改造双速输出功率固定，一般为两种不同功率。当负载需要再次调整时，只能通过调节风门相配合，调节不灵活且输出功率很大一部分被浪费。电机改造双速启动时冲击电流大，与改造前相比无任何改观。启动及电源切换瞬间6kV厂用电压下降过多，不利于其他辅机自启动。3）安全可靠性a．改双速电机采用停电切换方式时，每当负荷变化较大都需要停运增压风机，然后人工调整电机接线。在每次停运增压风机时，均需将机组负荷降到满足单台增压风机出力的较低负荷（380MW以下），同时对另一台增压风机出力和炉膛负压进行调节。在增压风机停运过程中需要锅炉风烟系统和脱硫烟气系统的协调配合，影响锅炉燃烧稳定和大幅增加了机组运行操作量，存在较大的安全风险，另外操作过程中若调整不当导致脱硫旁路烟气挡板开启，也存在较大的环保压力。同时检修人员在每次倒换接线时也增加了误接线的风险。由于每天白天负荷较高，晚上负荷较低，每天需停运增压风机至少两次。每次停运增压风机调整炉膛压力风险极大，加上操作次数如此频繁，因此改双速电机采用停电切换方式安全性和可靠性极低。b．改双速电机采用在线切换方式时由于两个开关不能同时合闸，只能采用先断后合的串联方式切换，一旦后合开关不能可靠合闸，该增压风机将立刻退出运行，导致锅炉风烟系统阻力突然增加，若脱硫旁路烟气挡板不能保护开启，将严重威胁锅炉的安全运行。在线切换方式即使切换成功，但在切换过程中，增压风机转速存在由低速到高速或者由高速到低速的一个阶跃变化过程。增压风机转速的突然变化会导致增压风机入口和出口压力均出现较大波动，非常容易引起脱硫旁路烟气挡板的保护开启（由于负荷加减次数较多，双速之间的切换也较频繁），而脱硫旁路烟气挡板开启次数较多后，会带来严重的环保问题；另外，对于这种引风机出口压力的突然变化，引风机自动调节非常滞后，就会引起炉膛负压的大幅波动，严重威胁锅炉燃烧稳定和锅炉本体安全运行。因此，采用在线切换方式的可靠性和安全性同样极低。（另据调研华能上海石洞口二厂在进行引风机高低速切换时曾多次出现切换失败而触发RB。）4）节能效果根据改双速电机原理1222ppHH，其中2H为改造后电机功率；1H为改造前电机功率；2p为改造后电机极对数；1p为改造前电机极对数。由改双速电机“运行性能”小节所述，我厂增压风机最多增加一对极，即由4对极变为5极。由公式1222ppHH可知改双速电机功率最多降为原来功率的80%，节能20%。但实际上改双速电机后，电机效率会略有下降。如果将增压风机改成5对极，根据风机学原理，风压和转速平方成正比。改双速电机后，增压风机提供最大压力为系统所需最大工况的78%。考虑煤质变化、脱硫GGH阻塞、空预器阻力变化及漏风等因素风机低速运行空间有限，较多时间处于高速运行，此时改双速电机无节能效果。5）投资效益a）投资成本电机改双速方案，其中电机改造一次性投资约为50万/台。对电机绕组进行改造时破坏电机的完整性，势必对定子绕组造成影响，降低了电机的使用寿命，损失了设备的原有价值。当需要进行在线切换时还需另增6kV高压开关柜一面、高压电缆（ZR－YJV22-6/10kV3*185约800m），改双速在线切换方案总投资约112万。b）投资效益根据我厂机组设计值，年利用小时数为5500h，负荷变化范围40%～100%。根据历年数据统计40%～65%负荷占机组总利用小时数20%；65%～80%负荷占机组总利用小时数60%；80%～100%负荷占机组总利用小时数20%；根据增压风机改双速运行性能，低速运行能满足的工况即负荷40%~65%区段。以最有利节能效果（节能20%）估算每年所节约的电量000968%204400%205500Q度。按上网电价0.36元/度计算，每年可节约成本约34.8万元。改造双速电机采用离线切换方式约1.5年收回成本，采用在线切换方式约3.2年收回成本。但这种方式只要出现一次切换失败，导致锅炉灭火造成的损失将远远大于节能所带来效益。6）可行性电机改双速无论采用停电切换或在线切换方式，均需要先停用一侧风机。此时，锅炉燃烧处于极不稳定状态，甚至需投油助燃。本应在加负荷阶段，但实际却需要先降低出力，调整增压风机至高速才可带高负荷。在南方电网区域内机组调峰、调频时段较多。这种方案在未及时调整好增压风机高速，就已经错过调峰时段，所以电机改双速在我厂几乎无实用价值。通过电力系统内部调研，风机采用双速节能的方式极少。采用在线切换方式还需增设6kV真空断路器一台，我厂6kV厂用工作段已无满足要求的备用开关柜。2.2增设变频器方案1）技术原理增设变频改造是将通入电机电源进行整流、逆变处理，改变电源频率。根据公式pfn1160，只要降低电源频率1f即可降低电机转速，从而降低电机出力达到节能目的。变频器由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变频器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变频器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压(电流)。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。原理上变频器能连续稳定输出0～60Hz频率电源且连续可调，因此通过变频调整电机转速的空间相当宽裕。2）运行性能增设变频器方案，既不需考虑切换短时失电、切换失败等不安全因素，又无需考虑切换过程中风机转速变化过快对炉膛压力带来的波动。从技术角度变频器调速过程完全可以精确控制到0.1Hz，调节过程对炉膛的压力波动影响几乎为零，运行调整安全、便捷。变频器实际应用中总可以找到满足工艺需求最适合的频率，使电机效率最高，达到85%以上且满足各种工况下烟气系统阻力的变化。由变频器原理可知，其组件均为静止型电子元器件，无机械损耗和噪声。运行中仅整流元器件轻微发热，其次对电网产生较低含量谐波。经多年的技术发展和更新，高压变频器技术成熟，运行稳定可靠。自动化水平高，在线监测简单方便。增设变频器后电机启动时可采用降频、降压方式启动，启动电流比改造前明显减小，启动瞬间对6kV厂用电冲击较小。增设变频器方案，运行中无需频繁启停风机和操作6kV高压开关。延长了增压风机、高压开关等贵重一次设备的使用寿命同时减少运行和检修的工作量。3）安全可靠性增设变频器方案在运行中无需操作、倒换任何一次设备，减小了操作和检修风险。同时调节过程稳定连续，对炉膛压力几乎无影响，较大提高了机组安全稳定运行水平。变频器设备自身硬件可靠性高，据我厂现有的7台高压变频器3～4年运行情况统计，仅发生过1次功率模块损坏而且尚未造成一次设备停运。随着高压变频技术的发展，变频器设计时保证其可靠的措施主要有：（1）高压变频器功率单元采用冗余设计，6kV系统的每相功率模块单元采用多级式。一般为5只以上，当发生1～2只功率模块损坏时变频器不会退出运行。（2）为保证风机连续运行，避免变频器重故障而导致风机停运，整套变频装置还配置自动旁路系统。如图所示，自动旁路系统中QF1、QF2、QF3为真空断路器，可靠性高。正常运行时QF、QF2、QF3合闸，变频器重故障时QF2、QF3跳闸，QF1合闸。整个过程均由DCS逻辑自动实现，速度快，对锅炉扰动很小。4）节能效果由“运行性能”小节所述，变频器实际应用中总可以找到满足工艺需求最适合的频率，使电机效率最高，达到85%以上