发电厂辅助电动机节能改造技术方案分析

发电厂辅助电动机节能改造技术方案分析国家电力公司热工研究院徐甫荣1前言目前，在我国电源结构中，火电装机容量占74%，发电量占80%；水电装机容量占25%，发电量占19%；核电仅占1%左右，因此火电机组及其辅机设备的节能改造工作是非常重要的。火电厂中的各类辅机设备中，风机水泵类设备占了绝大部分，蕴藏着巨大的节能潜力。由于火电机组调峰力度的加大，这些机组的负荷变化范围很大，必须实时调节风机水泵的流量。目前调节流量的方式多为节流阀调节，由于这种调节方式仅仅是改变了通道的通流阻抗，而电动机的输出功率并没有多大改变，所以浪费了大量的能源。随着电力行业的改革不断深化，厂网分家，竞价上网政策的逐步实施，降低厂用电率，降低发电成本，提高上网电价的竞争力，已成为各火电厂努力追求的经济目标，要求越来越迫切。风机水泵类负载采用调速驱动具有非常可观的节能效果，这已是共识。另外，交流电机的直接起动(尤其是高压电机)会产生巨大的电流冲击和转矩冲击，在很短的起动过程中，转子笼型绕组及阻尼绕组将承受很高的热应力和机械应力，致使笼条的端环断裂。直接起动时的大电流还会在定子绕组的端部产生很大的电磁力，使绕组端部振动和变形，造成定子绕组绝缘的机械损伤和磨损，从而导致定子绕组绝缘击穿。直接起动时的大电流还会引起铁芯振动，使铁芯松驰，引起电机发热增加。在火力发电厂中，高压大容量交流笼型异步电动机的使用非常广泛，由于直接起动而造成的电动机烧毁和转子断条事故屡屡发生，给机组的安全经济运行造成很大的威胁。因此大容量异步电动机采用软起动方式，对于延长电动机的使用寿命，减少对电网的冲击，保证机组正常运行是非常必要的。由于电动机的变频软起动可提供高的起动转矩并可做到平滑无冲击，所以采用变频器实现软起动的效果也是非常突击的。同时，采用调速驱动，还可以有效地减轻风机水泵叶轮的磨损，延长设备使用寿命，降低运行噪声。还有运行工艺对辅机设备的控制性能的改善也是十分迫切的，例如锅炉风机和给粉机的调速控制，可以大幅度地改善炉内的燃烧工况，从而节煤、节水，并可节省这些物料的运输，处理能量等。工艺条件的改善可以创造巨大的经济效益，已不再简单地局限在节能的范畴，人们会很快地认识到这一点，并迅速行动起来。本文针对发电厂各种高低压辅机电动机的实际运行工况，逐一地进行节能改造方案分析。2风机风机是火力发电厂重要的辅助设备之一，锅炉的四大风机(送风机、引风机、一次风机或排粉风机和烟气再循环风机)的总耗电量约占机组发电量的2%左右。随着火电机组容量的增大，电站锅炉风机的容量也在不断增大，如国产200MW机组，风机的总功率达7140kW(其中，送风机二台2500kW，引风机二台3200kW，排粉风机总功率1440kW)，占机组容量的3%以上。因此，提高风机的运行效率对降低厂用电率具有重要的作用。2.1风机的运行状况和节能效果我国电站风机已普遍采用了高效离心风机，但实际运行效率并不高，其主要原因之一是风机的调速性能差，二是运行点远离风机的最高效率点。我国现行的火电设计规程SDJ-79规定，燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为5%和5%~10%，风压裕度分别为10%和10%~15%。这是因为在设计过程中，很难准确地计算出管网的阻力，并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。但风机的型号和系列是有限的，往往在选用不到合适的风机型号时，只好往大机号上靠。这样，电站锅炉送、引风机的风量和风压富裕度达20%~30%是比较常见的。电站锅炉风机的风量与风压的富裕度以及机组的调峰运行导致风机的运行工况点与设计高效点相偏离，从而使风机的运行效率大幅度下降。一般情况下，采用调节门调节的风机，在两者偏离10%时，效率下降8%左右；偏离20%时，效率下降20%左右；而偏离30%时，效率则下降30%以上，对于采用调节门调节风量的风机，这是一个固有的不可避免的问题。可见，锅炉送、引风机的用电量中，很大一部分是因风机的型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当而被调节门消耗掉的。因此，改进离心风机的调节方式是提高风机效率，降低风机耗电量的最有效途径。按照流体机械的相似定律，风机、水泵的流量Q、压头(扬程)H、轴功率P与转速n之间有如下比例关系:离心式风机在变速调节的过程中，如果不考虑管道系统阻力R的影响，且风压H随流量Q成平方规律变化，则风机的效率可在一定的范围内保持最高效率不变(只有在负荷率低于80%时才略有下降)。图1示出了离心式风机不同调节方式耗电特性比较，图2示出了采用调节门调节和转速调节方式时，风机的效率-流量曲线。由图2可知:在风机的风量由100%下降到50%时，变速调节与风门调节方式相比，风机的效率平均高出30%以上。因而，从节能的观点看，变速调节方式为最佳调节方式。2.2风机调速节能改造方案分析(1)对于常年带满负荷的机组，当风机的风量裕度在30%时，选用双速电机最为经济，即使在满负荷连续运行工况下，电机也可在低速档运行，已可满足风量要求；当风量余度在20%左右时，则采用变频调速、串级调度较为经济，而采用双速电机和液力耦合器不能起到节电作用；当风量裕度在10%左右时，采用双速电机和液力耦合器调速还不及调节门调节的经济性好，而采用变频调速和串级调速与调节门调节的经济性相差不大，因而此时只要采用调节门调节即可，不必采用变速调节。(2)对于调峰机组和长期处于低负荷运行的机组，考虑到长期运行的安全可靠性、经济性和操作维护工作量等，变频调速和串级调速比双速电机及液力耦合器等调速方式具有更大的优越性。因此，电厂在风机节能改造时，应优先选择变频调速和串级调速方案。(3)风机的功率一般在1000~2000kW，在目前的功率器件耐压条件下，采用高压IGBT和IGCT的三电平中压变频器，是目前的最佳选择方案。这种变频器的功率器件不串不并，可靠性最高，逆变单元采用12只HV-IGBT或IGCT，使用的功率器件最少，成本最低，体积最小。输入采用12脉冲整流器，网侧谐波小；输出采用LC滤波器，电流波形好，总的谐波畸变率THD1%，适合于任何笼型异步电机，且不必降额使用。输出电压等级有2.3kV，3.3kV和4.16kV，对于我国的6kV电机，可将电机进行Y/△改接，线电压为3.47kV，考虑风机一般均有设计余量，因此采用3.3kV的变频器，完全能满足要求。对于老设备的改造特别有利，是目前最为经济合理的改造方案。ABB公司的ACS1000和西门子公司的SIMOVERTMV属这类变频器。3水泵火力发电机组必须配备的水泵主要有锅炉给水泵、循环水泵和凝结水泵，其次还有射水泵、低压加热器疏水泵、热网水泵、冷却水泵、灰浆泵、轴封水泵、除盐水泵、清水泵、过滤器反洗泵、生活水泵、消防水泵和补给水泵等。这些水泵数量多，总装机容量大:50MW火电机组的主要配套水泵的总装机容量为6430kW，占机组容量的12.86%；100MW机组为10480kW，占10.48%；200MW机组为15450kW，占7.73%。100MW机组主要配套水泵的总耗电量约占全部厂用电量的70%左右。由此可见，水泵确实是火力发电厂中耗电量最大的一类辅机。因此，提高水泵的运行效率，降低水泵的电耗对降低厂用电率具有举足轻重的意义。3.1给水泵与风机一样，由于设计中层层加码，留有过大的富裕量，造成大马拉小车现象之外，由于采用节流调节，为满足生产工艺上的要求，造成更大的能源浪费现象。一台200MW发电机组的给水泵，其电动机功率达5000kW，水泵的出口压力为25.0MPa，而正常运行时的汽包压力为16.5MPa。水泵的出口压力与正常的汽包压力之间的差别如此之大(8.5MPa)的原因有两个:(1)考虑到锅炉检修以后打水压试验的需要；(2)为给水调节阀前提供较大的压力，以提高调节系统的反应速度。由以上分析可知，当电动机定速运行时，为了维持汽包压力在正常值，必须在给水管道上加装给水调节阀，增加阻力，以至消耗大量的能源。若电机采用调速驱动，则可用改变电动机的转速来满足不同的压力要求，节省了因阀门阻力引起的附加损耗，达到节能的目的。同时以调速方法改变压力的响应速度远比改变阀门开度来得快，使锅炉汽包水位自动调节系统的反应加快，改善了锅炉给水调节系统的性能。为了降低水泵的能耗，除了提高水泵本身的效率、降低管路系统阻力、合理配套并实现经济调度外，采用调速驱动是一种更加有效的途径。因为大多数水泵都需要根据主机负荷的变化调节流量，对调峰机组的水泵则尤其如此。根据目前我国电网的负荷情况，大多数125MW机组已参与调峰，为扩大调峰能力甚至一些200MW机组也不得不参与调峰运行。为这类调峰机组配套的各种水泵最好采用调速驱动，以获得最佳节能效果。例如，有一台国产200MW机组配备三台DG400-180型定速给水泵，当主机负荷为180MW时运行两台泵，调节阀的节流损失高达2.2MPa，仅此一项每年浪费电能883.9万kW·h。如果改用一台全容量调速给水泵则可以节省大量电能(表1)。由表1可见，当主机采用定压运行方式时，可平均节电20%，当主机采用定-滑-定运行方式时可平均节电30%。以上是没有考虑给水焓升变化的计算结果，如果考虑调速泵中给水焓升较小，则平均节电率将下降3%~5%。从效率变化方面来看，节流调节法在工况改变时泵的效率曲线不变，因此随着流量减小泵的效率下降比较快，而转速调节法当水泵转速改变时，泵的效率曲线也相应改变。因此，可以保证泵始终在高效区范围内运行。如果管路系统的静扬程H0=0(例如水平开式供水的情况)，那么管路系统阻力曲线近似于相似抛物线，泵的运行工况点近似于相似工况点。这样，泵在变速运行过程中性能参数的变化可用比例定律表示，由(1)式可得:因此，用转速调节法调节流量可以大幅度节约电能。譬如流量下降到额定流量的80%，轴功率将下降到额定值的51%；如果流量下降到50%，那么轴功率可以大幅度地下降到13%。当然，实际上还要考虑调速装置的滑差损失等因素，即使如此节电效果也是十分可观的。如果静扬程H0不太大，也可以近似用比例定律来估计调速节能的效果。以上叙述了一台泵单独供水时调速节能的原理，火力发电厂中单泵供单炉的单元制给水系统就属于这种情况。但是，单机容量100MW以下的火力发电厂基本上采用母管制给水系统，这种系统根据所需给水量的变化增减运行泵的台数，即所谓台数调节法。如果泵的台数比较多，采用这种方法也可以使各泵的运行工况点接近于高效区，所以运行经济性也比较好。有些给水系统还配备了流量大小不同的给水泵，根据负荷进行大小泵搭配运行，即所谓经济调度，这样运行经济性会更好些。但是，为了最大限度地提高运行经济性，最理想的方案还是转速调节，因为台数调节法仍然存在一些节流损失，而且在变负荷时泵的运行效率仍然有些降低，图3表示采用台数调节法与转速调节法时泵轴功率的差异。另外，与转速调节法相比，台数调节法不仅经济性差，而且安全性也差，因为它必须根据负荷经常起动和停泵，增加了不安全因素。由于给水泵的功率大，一般在5000kW以上，采用变频调速虽然性能优越，但是成本太高，投资回收周期长，在目前还不能满足给水泵节能改造的要求，随着电力电子技术的发展，给水泵实现变频调速也是完全可能的。目前300MW机组的给水泵一般采用小汽轮机调速驱动，200MW及以下机组则大部分可采用液力耦合器调速。液力耦合器虽属低效调速方式，但是即使在低转速比时，相对节流调节而言，也有明显的节能效果，并且因其投资少，见效快，资金回收周期短，在老机组和中小机组节能改造工程中，不失为一种经济实用的改造方案。3.2循环水泵循环水泵是为火电机组凝汽器系统提供冷却水的重要辅机设备，为大流量低扬程轴流泵。一般小机组为母管制，大机组为单元制。其运行方式为随机组长期连续运行。一般一台机组为两台泵，冬天一台泵运行、夏天需两台泵运行。为了运行的可靠性，也有设计三台泵的，一台运行，一台备用，一台检修。循环水泵目前大多采用动叶可调的轴流泵，但是由于是定速运行，因此很难适应季节和负荷的变化，造成冷却水的大量浪费。若采用变频