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哈尔滨水泥厂窑头风机变频改造可行性报告 |
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作者：九洲电气 曲金龙 |
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1、 概述
在火力发电厂中，风机和水泵是最主要的耗电设备，且容量大、耗电多。加上这些设备都是长期连续运行和常常处于低负荷及变负荷运行状态，其节能潜力则更加巨大。发电厂辅机电动机的经济运行，直接关系到厂用电率的高低。随着电力行业改革的不断深化，厂网分家，竟价上网等政策的逐步实施，降低厂用电率，降低发电成本提高电价竞争力，已成为各发电厂努力追求的经济目标。
2、电厂锅炉风机的状况
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提高，电厂锅炉风机的容量也在不断增大。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。送风机是用来给锅炉燃烧提供空气(氧气)的辅机设备，引风机则是将锅炉燃烧产生的高温烟气经除尘装置后排向烟道的辅机设备，二者都是电厂锅炉的主要辅机设备。由于机组的负荷经常变化，为了保证锅炉的燃烧和负压的稳定，需要及时调整送、吸风量和煤粉量。中小机组，一般采用调整风门开度的方式来调节风量，这种风门调节的截流损耗一般为30%Pe(额定容量)。
我国电厂风机虽巳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，二是运行点偏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，电厂锅炉送引风机的风量和风压富裕度达20%～30%是比较常见的。
一般在锅炉风机容量设计时，单侧风机运行时具备带75%负荷运行的能力，这主要是从机组运行的安全性出发的;当失去一侧送引风机时，机组还能带75%的负荷运行。所以当双侧风机运行，机组带满负荷时，送引风机的设计余量在20～30%左右，风门开度一般为50～60%,这也是从风门调节的灵敏度来考虑的。这就为风机的变频调速节能改造造就了巨大的潜力，即使在机组满负荷运行时，也有20～30%的节电率。
2、锅炉风机系统变频改造的节电
电厂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，采用风门调节的风机，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风门消耗掉的。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、风压(扬程)H、轴功率P与转速n之间有如下比例关系:
Q1/Q2=n1/n2：H1/H2=(n1/n2)2： P1/P2=(n1/n2)3。
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示出了采用风门调节和转速调节方式时，风机的效率—流量曲线。
图1 离心式风机不同调节方式
图2 不同调节方式下的风机效率
由图2可知，在风机的风量由100%下降到70%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，从节能的观点来看，变速调节方式为最佳调节方式。发电厂辅机采用定速驱动时，风机靠风门开度调节风量，水泵则靠阀门开度来调节流量，除产生大量的节流损耗外，反应速度慢，导致锅炉的燃烧系统无法自动投入，因而机组的协调控制无法投入，机组无法响应负荷的动态变化。辅机采用调速驱动后，机组的可控性提高了，响应速度加快，控制精度也提高了。从而使整个机组的控制性能大大改善，不但改善了机组的运行状况，还可以大大节约燃料，进一步节约能源。同时，采用变速调节以后，可以有效地减轻叶轮和轴承的磨损，延长设备使用寿命，降低噪声，大大改善起动性能。工艺条件的改善也能够产生巨大的经济效益。
3、锅炉风机系统电动机变频改造的必要性
火力发电厂在生产过程中，当发电负荷发生变化时，需要对锅炉燃烧工况进行调节。具体调节方法是通过改变锅炉的给煤量、风量、给水量来进行调节。而目前各电厂水量、风量的调节一般是通过改变阀门或挡板的开度来实现的，但这种调节方式属于节流调节，在运行中这种调节方式存在许多问题。
(1) 节流调节方式浪费电能
锅炉在设计时,选用风机的额定容量通常大于实际需要量,其配套拖动电机的额定容量则更大。实际运行时不得不关小风门进行节流调节。,在额定工况下,风机风门开度仅为60%～80％。在节流过程中,风机特性曲线不变，转速不变，仅仅依靠关小风门，人为增加管道阻力来减小流量。风门开度减小，阻力损失相应增加，但系统输入功率并无减小，而是白白损失在节流过程中。
(2) 节流调节的系统稳定性及控制精度差
由于风门的档板开度与流量的非线性关系，加上执行机构机械传动间隙的影响，档板开度调节既不灵敏又不精确,无法实现流量的快速、准确调节。
3) 节流调节运行费用大
锅炉送引风机是目前火电厂中应用高压变频调速技术进行节能改造的首选和主要对象，尤以引风机为多。一般是一台锅炉3（4）台送引风机同时上变频调速，或者只上两台引风机。其原因主要是风机的节能潜力大，调速范围宽，且其功率等级决定了使用高压变频改造时其技术性能和经济性能都较好，系统设计采用标准的一拖一带工频旁路方案，如图3所示。一拖二带工频旁路方案，如图4所示。
图3 标准的一拖一带工频旁路方案
图4 标准的一拖二带工频旁路方案
一般的中小型锅炉风机基本上都为离心风机，离心风机的供风调节方式为进风阀门调节。正常工作时，阀门的开启度约为50%～80%，即有一部份的能量浪费在了风门的压头损损失上。把浪费的这部分能量节省下来，就是节电了，送、引风与一次风系统在设计时是按最大供风需求（最大工况加备用）来考虑的，送、引风与一次风机的运行工况也相同（即按单机的最大供风需求量来考虑的）；在实际使用中有很多时间风机都需要根据实际工况进行调节，传统的做法是用开关风门的方式进行调节，这种调节方式增大了供风系统的节流损失，在启动风机时还会有启动冲击电流，且对系统本身的调节也是阶段性的，调节速度缓慢，减少损失的能力很有限，也使整个系统工作在波动状态。而通过在送风机加上装变频调速器，则可一劳永逸的解决好这些问题，可使系统工作状态平缓稳定，并可通过变频节能回收投资。
从风机使用的一般性经验可以知道：工频运行状态下，用风门（风阀）调节风量的风机在使用过程中的负荷是在50～80%之间波动；负荷越小风门（风阀）的节流损失就越大，风机效率也就越低。而改用变频器调速方式（即电机改变供电频率的方式）就几乎不存在风门的节流损失，同时变频装置对电动机可以采用软启动方式启动，不存在启动冲击电流，可提高系统的安全系数。
改造后的变频供风系统是在保留原来供风系统的基础上增加一套变频回路与原回路并联使用，形成双回路可转换的控制系统，通过调节电机（风机）的转速来调节烧结时的用风量。
总之，风机机组采用变频调速改造后，不仅节约了大量电能，由于对电机实现真正的软启动，对电机、风机、风门、高压开关等设备以及电网的启动冲击大大减少，它们的使用寿命得以延长，可以大幅度节省这些设备的维护费用。另外，变频器高精度、宽范围的无级调速功能，不仅可以全面满足流量的动态调节需要，而且变频器属于高度智能化的新型设备，完全可以实现提高生产效率和机组自动化水平的要求。
4、锅炉风机系统变频改造的特点
一般情况下，很多人都用相似定律的比例率来计算风机、水泵变频调速的节电率。但是,实际中却没有这样的节能效果。由于相似定律是研究、设计风机本身的规律，它是就风机而论风机的定律。对于工作在管道系统中的风机必须视具体工况进行分析计算，由于风机的入口和出口风压是否为大气压，直接关系到风机的轴功率变化。因此，风机的节能计算不能照搬照抄相似定律，风机的节能计算必须根据具体实际工况进行分析计算。也应当考虑变频调速之后风机的效率、电动机的效率、变频器的效率等因素的影响。
在没有进行变频调速时，风机或水泵的运行方式是根据负荷变化调整调节门的开度或并联运行的风机和泵的运行台数来满足负荷的变化要求。这种调节操作简单，但调节精度低，管网系统的运行效率低。采用变频调节时，如果根据负荷变化需要来调节流量或压力，将流量或压力调节在一个最优的范围内，可以提高管网运行的整体效率，这样节能效果更加突出。可以利用变频调节调节精度高，操作方便的特点，优化控制系统，提高系统效率。同时，变频调速之后由于管网系统运行效率的提高，电动机不但减小了从电网输入的功率，同时变频器也提高了电网输入的功率因数。这就使电动机从电网吸收的无功功率相对的降低了，由于电网传输的无功率功率减小，使得无功功率的传输在电网中造成的有功损耗也降低，即无功经济当量也降低了。
所以，风机水泵变频调速之后的节能，不但直接体现在单台设备的能耗降低上，更重要的是体现在管网系统效率的提高与电网的功率因数的提高即无功经济当量的降低这两个方面。
4.1、风机工频运行特性
4.1.1工频运行特性曲线
图5 风机工频运行特性曲线
4.1.2风机工频运行具有的特点
(1) 图5中，F1为工频运行时的（Q-p）性能曲线，也是变频风机在50Hz下满负荷运行时的性能曲线。E点为工频运行时的额定工作点，即挡风板在某一固定位置时的工作点。A点为流量小于额定流量时的工作点，即通过关小挡风板沿着（Q-p）特性曲线向左上方滑动的一系列的工作点；B点为流量大于额定流量的工作点，即挡风板开大直至全开，并且沿着（Q-p）特性曲线向左下方滑动的一系列工作点。请注意挡风板全开之后，应当防止电动机过载。
(2) pa为流量小于额定流量时的风机出口全压；pe为额定流量时的风机出口全风压；pb为流量大于额定流量时风机的出口全风压。Re为额定流量时，即挡风板在某一固定位置时的管网阻力曲线；Ra为小于额定流量时，即关小挡风板之后的管网阻力曲线；Rb为大于额定流量时，即挡风板开大直至全开之后的管网阻力曲线。挡风板在不同的位置时，Re，Ra，Rb实际是一系列曲线族。η1为效率曲线。
(3)从图5中我们可以看出，pa>pe>pb；Qaηb。在额定工作点运行时，风机的效率最高，等于定效率。在额定工作点以外的任何工作点的效率都小于额定效率。
4. 2、变频运行特性
4.2.1变频运行特性曲
图6 风机变频运行特性曲线
4.2.2变频运行时的特点
（1） F2、F3不仅仅是二条曲线，而是F1性能曲线下方偏左的一系列曲线族，即工作频率不同，（Q-p）曲线就沿着管网阻力曲线向左下方滑动形成不同的（Q-p）曲线族。
（2） Fn变化时，工作点A、E、B、也分别沿着管网阻力曲线Rb，Re，Ra变为C、D、F。效率曲线η1也随着向左推移，并且形成高效扇形区。因此，风机变频运行时，pb降为pc，pe 降为pd或pg；pa降为pf。流量Qb减小到Qe；Qe减小到Qa；Qa变得更小。
（3） 如果Fn变化时，把挡风板打开到某个固定位置，使管网阻力为Re，保持流量Qa不变，即Qa恒定。工作点A即压力pa降为pg。
（4） 如果Fn变化时，把挡风板打开到最大位置，使管网阻力为Rb，分别保持流量不变，即Qa、Qe、Qb恒定。工作点A、E即压力pa 、pe也分别降为ph 、pc。Pb恒定不变。
（5） 随着频率Fn的降低，当管网阻力一定时（假设为Re），变频运行风机的出口压力逐渐降低为pd或pg，变频后流量从Qe快速减少为Qa，工作点G的所需要的扬程也随着降低。而频率增加时，风机的出口压力也上升，使流量Qa反而增加，直至到Qe。如果要继续增加流量，此时必须把挡风板全部打开，流量最大可以达到Qb，此时要防止工频泵过载。
（6） 变频运行时，频率不能调的过低，因为过低的频率运行，将满足不了工艺要求。
6、技术方案
由于每台锅炉只有一台送风机,采用一拖一的变频驱动方式，变频装置采用旁路进行切换。建议采用国产哈尔滨九洲POWERSMART-40A/400KVA/6KV变频器1套。具体主接线见图7。
图7 一拖一方案
每台锅炉引风机2台,最好采用一拖一的方式，如果资金短缺可以采用一拖二的方式,如图8所示。
图8 一拖二方案
7、供货范围
配置POWERSMART-40A/400KVA/6KV变频装置6套；旁路切换柜6套。
8、设备投资与回收期限
一套设备一次性投资每套大约为40万元。按照实际运行流量为额定流量的80%计算节电费。年节电费在15~18万元，回收期限为2.7/2.2年。如果设备寿命以20年计算，维护费用按照节电收益的3%计取。在设备寿命期内节电效益将达到：15~18×20×0.97-40=251~309万元，可见节电效益是非常可观的。如果实际流量小于80%，节电效果还要好于此效果。
9、结束语
通过上述的分析计算我们认为，哈尔滨岁宝集团化工热电厂锅炉风机变频调速节能与否,取决于实际运行的风压和流量。因此对实际运行参数必须给出准确的参数范围,方能确定其具体准确的节能效果。
通过上面的分析计算,无论是从技术上还从经济效益哈尔滨岁宝集团化工热电厂锅炉风机变频调速是可行的。风机机组采用变频调速改造后，不仅节约了大量电能，由于对电机实现真正的软启动，对电机、风机、风门、高压开关等设备以及电网的启动冲击大大减少，它们的使用寿命得以延长，可以大幅度节省这些设备的维护费用。另外，变频器高精度、宽范围的无级调速功能，不仅可以全面满足流量的动态调节需要，而且变频器属于高度智能化的新型设备，完全可以实现提高生产效率和机组自动化水平的要求。(end)
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(2/17/2009) |
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