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高壓變頻器在電廠排粉機上的應用

發布時間:2017-05-31 作者:新風光
1引言
       排粉機在火力發電廠中有著其重要的地位,是火電廠重要的輔機之一,它是制粉系統中氣粉混合物流動的動力來源,靠它克服流動過程中的阻力,完成煤粉的氣力輸送。火電廠的排粉機的容量也通常有較大冗余,擋板節流造成了電能的極大浪費,對火電廠排粉機進行調速已是當前電廠節能改造迫在眉睫的問題。
       我國火電廠普遍采用單元制直吹式和單元制儲倉式制粉系統。排粉風機在制排粉系統中裝于磨煤機、風粉分離器之后,保證原煤在磨煤機內同來自空氣預熱器的熱風和排粉機出口的再循環風混合,將原煤干燥,并研磨成煤粉,而煤粉隨排粉機所產生的負壓氣流,經風粉分離器把風、粉分開,煤粉落入煤粉倉中儲存,剩余氣體內含有5%~10%的風、粉混合物,經排粉風機出口作為三次風送入爐膛或排入風箱作為一次風與給粉機落下的煤粉混合送入爐膛。如圖1所示。

 
圖1 制排粉系統圖
        為保證排粉機滿足最大運行工況的需要,電機容量均按最大需求選取,排粉機均工作在最大工作需求狀態下。為滿足工況變化的需要,風機采用調整送風擋板、風門的開啟來調節風量的方法,以及用電動機啟停等手段來調節風壓、風量。制排粉系統在運行中存在以下問題:
(1)采用排粉風機定速運行時,擋板調整節流損失大、系統效率低,造成能源的浪費。
(2)當流量降低擋板開度減小時,擋板前后壓差增加,工作安全特性變差,壓力損失嚴重,造成能耗增加。
(3)長期擋板開度,加速擋板自身磨損,導致擋板控制特性變差。
(4)管網壓力過高影響系統設備密封特性,嚴重時導致閥門泄露,關不嚴密等情況發生。
(5)電機頻繁啟停產生5~8倍的啟動電流,會沖擊廠用電系統的穩定,增加了電機維修成本,尤其對電機軸承尤為嚴重,不僅縮短了高壓電動機的使用壽命,對高壓斷路器的壽命也會產生影響。
2排粉機改造途徑選擇
       在機組負荷變化過程中,排粉機的負荷只能通過調節截留擋板來控制流量。機組即使在滿負荷的情況下,排粉機出口的調節開度也不是全開,而是一直處于節流狀態,能量損耗大。
如果不通過擋板,而是通過改變電機的轉速來調節排風機中煤粉的流量,這樣就可以消除因擋板調節導致的節流損失。在由工頻交流電源供電時,電機轉速是固定的。要改變電機的轉速,可以從以下三個方面著手:(1)改變電機的極對數;(2)改變電源的頻率;(3)改變電機的轉差率(適用于繞線式電機)。
(1)變極調速需要對電機進行改造,對定子繞組重新下線,更具需要的極對數和轉速,采取相應的連接方式,但這種調速方式無法實現平滑的無級調速,只能停電后更換極數后調速。而火電廠的排粉機運行工況要求調速必須平滑,此種調速方式不適合電廠排粉機調速。
(2)相對于改變電機的轉差率,采用變頻調速改變電機電源的頻率是先進的調速方式,它不會降低電機的效率,沒有轉差損耗,而且可以實現平滑的調速,可靠性高,因此,在排粉機變頻改造中優先考慮變頻調速方案。
3電廠排粉機變頻改造實例
3.1用戶情況
       鄒平齊星開發區熱電有限公司6號機(155MW)配備440t/h鍋爐。每臺鍋爐配備兩臺磨煤機,兩臺排粉風機,每臺排粉風機參數相同,排粉機拖動電機基本參數如表1所示。

        在運行過程中,排粉機擋板開度僅在50%左右,節流損失大,浪費嚴重,為了降低廠用電率,減少機組運行成本,公司電廠領導決定在6號機組2臺排粉風機上采用山東新風光電子科技發展有限公司生產的2套560kW/6kV高壓變頻器進行改造,改造取得了成功。
3.2新風光高壓變頻調速系統
        鄒平齊星開發區熱電有限公司6號機(155MW)排粉風機改造選用風光JD-BP37-560F高壓變頻器2臺、并配置手動旁路柜,用于變頻/工頻切換。采用“一拖一”變頻控制。風光JD-BP37-560F變頻器參數如表2所示。

 

具體來說,風光高壓變頻器除具有一般普通高壓變頻器的性能外,還具有以下突出特點:
(1)采用高速DSP作為中央處理器,運算速度更快,控制更精準。
(2)飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。
(3)完整的工頻/變頻自動互切技術。現在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜,變頻器發生故障時能使高壓電機轉至工頻運行,旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式,手動旁路需人工操作,適應于無備用裝置或不重要的運行工況,自動旁路可在變頻器發生故障后直接自動轉換至工頻運行。新風光公司提供的自動旁路切換柜,不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態,還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能,整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。
(4)旋轉中再啟動功能。運行過程中高壓瞬時掉電3s內恢復,高壓變頻器不停機,高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。
(5)線電壓自動均衡技術(星點漂移技術)。變頻器某相有單元故障后,為了使線電壓平衡,傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓,而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角,在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
(6)單元直流電壓檢測:實時顯示檢測系統的直流電壓,從而實現輸出電壓的優化控制,降低諧波含量,保證輸出電壓的精度,提升系統控制性能,并可使保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握。
(7)單元內電解電容因采取了公司專利技術,可以將其使用壽命提高1倍。
(8)具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路,此時如果變頻器不具備相間短路保護功能,將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出,保護設備不受損害,避免事故的發生。
(9)限流功能:當變頻器輸出電流超過設定值,變頻器將自動限制電流輸出,避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護,最大限度減少停機次數。
(10)故障自復位功能:當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時,可自動復位,繼續運行。
3.3 排粉機變頻改造控制方案
        山東新風光電子科技發展有限公司的高壓變頻器的控制部分由DSP、人機界面和PLC共同構成。DSP實現PWM控制和功率單元的保護。人機界面提供友好的全中文監控界面,同時可以實現遠程監控和網絡化控制。內置PLC用于柜體內開關信號的邏輯處理,可以和用戶現場靈活接口,滿足用戶的特殊需要。該高壓變頻器使用西門子S7-200系列PLC,具有較好的與DCS系統接口能力,根據風機的特性運行要求以及高壓變頻器控制的具體要求采取了相應控制方案。
       變頻調速系統本體操作方面,采用DCS控制和RS485監控,提高了系統的安全性能。通過目前電廠已有的DCS對高壓變頻器運行狀態進行控制,通過RS485通訊對高壓變頻器運行參數進行多地監控。
        DCS系統與高壓變頻器之間的信號總共有12個,其中開關量信號9個,模擬量信號有3個。具體信號如下。
       變頻調速系統接入發電機組現有的DCS系統。變頻器需要提供給DCS的開關量輸出包括故障報警、就緒指示、運行指示、高壓合閘允許、聯跳高壓信號、排粉機旁路開關合閘信號、變頻KM1合閘信號;DCS需要提供給變頻器的開關量包括:變頻啟動(干節點,閉合時有效)、變頻停止(干節點,閉合時有效)、變頻急停(干節點,閉合時有效);DCS需要提供給變頻器的模擬量有:1路4~20mA的電流源輸出,用于排粉機頻率給定,作為變頻器的轉速給定值;用于變頻器需要提供給DCS的模擬量有:2路4~20mA的電流源輸出,模擬輸出對應的物理量為輸出頻率和輸出電流。
3.4排粉機變頻改造主回路
       為防止變頻器檢修或故障對生產的影響,本次采用的JD-BP37-560F型高壓變頻器采用“一拖一”控制方式,配置手動工頻旁路,主回路接線如圖2所示。


 
圖2 手動旁路柜主回路

      手動旁路中,共有3個高壓隔離開關K1、K2、K3,當K1、K2閉合,K3斷開時,6kV電源經隔離刀閘K1到高壓變頻裝置,變頻裝置輸出經K2送至電動機,電動機變頻運行;一旦變頻裝置出現故障,可斷開隔離刀閘K1、K2,合上K3,在工頻電源下啟動電機運行,此時變頻器從高壓中隔離出來,便于檢修、維護和調試。隔離刀閘K1、K2、K3之間具有閉鎖和防止誤操作功能。
        高壓變頻器和上級進線開關柜設置連鎖,當上級進線開關柜斷路器處于合閘位置時,絕不允許操作變頻器旁路高壓隔離開關,以防出現拉弧現象,確保操作的安全性,當出現嚴重的故障時,及時跳開上級開關柜斷路器保護高壓變頻器和電機。
       利用原有DCS控制系統的預留點,將高壓變頻器有關信號接入原有DCS控制系統,實現了遠方/就地控制功能。當高壓變頻器出現故障時,將故障信息發送給DCS,以便于及時排除故障。在排粉機高壓變頻器操作程序如下:
(1)正常啟動時,先合閘排粉機高壓開關,然后啟動變頻器運行。
(2)正常停止時,先停止變頻器運行,然后由變頻器發出排粉機高壓開關跳閘指令。
(3)變頻器故障急停時,聯跳排粉機高壓開關。
(4)排粉機高壓開關故障跳閘時,變頻器自動失電跳閘,停止運行。
3.5排粉風機變頻改造效果
      本項目排粉風機變頻改造項目于2013年8月12日正式投入運行,至今運行正常。利用高壓變頻器對排粉機電機進行變頻控制,實現排粉機的變負荷調節,解決了擋板調節線性差等難以控制的缺點。
電廠節能服務中心對6號機排粉風機正常運行時參數實際測量如下:排粉風機工頻運行,輸入電壓6.05kV,電機電流52A,功率因數為0.8,電機實際功率435.9kW;排粉風機變頻運行,運行頻率為39.3Hz,輸入電壓6.05kV,輸出電壓4.76kV,輸入電流21.0A,輸出電流37.1A,功率因數為0.97,電機實際功率213.4kW;電機功率減小222.5kW。按照每臺排粉風機年運行小時數為7200h,年節省電量大約為160.2萬kW·h,電價按照0.50元/kW·h計,則一臺排粉風機變頻改造的年收益約為80.1萬元。兩臺排粉風機變頻改造后年節約電費160萬元左右。
4結束語
        在電廠風機泵類上應用變頻調速技術,不僅節能效果明顯,而且提高了設備運行可靠性和經濟性,取得了良好的經濟效益和社會效益。隨著我國“十二五”對節能減排工作的日益重視,變頻器用于電力行業的風機、泵類等設備節電效果顯著,而且性能穩定、可靠性高,具有重要的推廣意義。