330 MW机组风机高压变频改造方案及节能潜力分析

2018-08-23汪，

节能技术 2018年4期

汪，

(1.神华国华宁东发电有限责任公司，宁夏灵武 750403;2.包头东华热电有限公司，内蒙古包头 014040)

火力发电是我国目前主要的发电方式，提高火电机组运行效率、降低能耗对于推进能源产业清洁高效化改革、促进绿色发展具有重要意义[1]。风机作为火电机组中的主要辅机之一，在运行过程中普遍存在着高能耗问题，节能潜力巨大[2]。提高风机节能效益的主要方法是改善风机的调速方式，液力调速作为目前技术较为成熟的一种主要调速方式，存在着低转速时效率低、调速范围窄、响应速度较慢、控制精度较低等问题[3]，针对以上问题，国内外主要采用加装高压变频器的方法来对风机进行变频改造[4-7]，该改造技术发展日渐成熟，节能效益显著，目前已取得较为广泛的应用[8～11]。

本文针对神华宁夏国华宁东发电有限公司330 MW机组锅炉风系统的一次风机和二次风机变频改造方案进行了详细介绍，并分析了该一次风机和二次风机变频改造方案的节能潜力，说明了该方案的可行性。

1 设备概述与能耗分析

1.1 设备概述

本次变频改造的设备为神华宁夏国华宁东发电有限公司锅炉系统所配备的两台RJ36-DW2450F型双吸离心式二次风机和两台RJ29-DW2600F型双吸离心式一次风机，这四台改造风机均由江苏金通灵风机有限公司生产，且均采用液力耦合器结合电动入口挡板对风机的运行过程进行调节。

1.2 液力偶合器调速的能耗分析

风机所采用的液力偶合器在20%～100%的转速范围内，可实现无级调速，但仍存在一定的能量损失，主要包含以下三方面：

(1)液力偶合器在滑差调速时的热损耗(约占总损耗的30%)。根据液力偶合器的工作原理可知，其涡轮与泵轮的转速之间存在差值，称为滑差。根据粘性流体的性质，在调速过程中由于耦合器的滑差与轴承的摩擦将产生大量热量，并被工作油吸收，工作油利用油循环系统进行冷却循环。滑差越大，该滑差热损耗也越大。以本厂为例，各液力耦合器的油损耗热约1×106kJ，对应功率损失将不低于130 kW，一年损耗的电量接近100万kWh。

(2)电机无法达到最佳运行经济点而造成的损失(约占总损失的50%)。根据国内机组的设计规范，风机的设计点工况约为机组ECR工况的1.2倍左右，且其额定容量应按照设计点的轴功率确定。因此，风机电机的额定容量要比该机组的ECR工况下额定容量高20%。此外，由于各机组的供电负荷不同，年平均负荷在65%～90%ECR范围内，所以风机电机经常会偏离额定负荷运行，无法使电机达到最大的效率。

(3)调节模式的能量损失(约占总损失的20%)。液力偶合器调速模式是液力滑差间接调速，风机的转速变化不是直接由风机电机产生的。因此，“电机功率和转速的三次方成比例”这一泵和风机的相似性原理不适用于风机电机的高效运行。液力偶合器调速方式下，泵电机以恒定速度运行，会造成一定功率的损耗。

为针对性地消除上述三方面的损耗，以节省风机运行过程中的无效能量消耗、提高能量传递速率，采取高压变频技术对风机的驱动调节方式进行改造。目前随着电力电子技术的发展，高压变频技术已日趋成熟，被广泛应用于工业领域。采用高压变频器的主要优点有以下三点：

(a)速度控制范围宽，可达到1%～100%

(b)调节精度高，可达到±0.5%

(c)整机效率高，可达到97%，功率因数不低于0.95。

2 变频改造方案

2.1 液力偶合器改造方案

对液力偶合器的改造方案是将液力偶合器更换为特制联轴器，即取消液力偶合器，直接用联轴器将电机和风机连接起来。待改造的风机和电机之间的距离有2 m左右，联轴器相对较长，需要制作设计特殊的联轴器。目前变频改造已有多个厂家使用过此联轴器，无安全隐患，改造示意图如图1所示。

图1 液力偶合器更换为联轴器示意图

其中所采取的主要技术措施包括：

(1)风机正常运行方式为变频在运调速，利用变频控制对风机电动机进行调速；

(2)变频改造的风机新增一台高压变频器；

(3)液力偶合器更换为特制联轴器，为确保运转平稳性，新更换的联轴器做高速动平衡；

此外，液力偶合器被拆除后，其对应的工作油系统、工作油冷油器及其冷却水系统即可同时去除。如果原有风机系统的润滑油由液偶器系统提供，则将液偶器完全拆除更换为联轴器后，重新配置两台润滑油泵(一用一备)，供改造后的风机系统润滑油。

2.2 风机电气部分改造方案

(1)一次风机

单台锅炉配有2台一次风机(电动机容量 )，将一次风机改为变频调速，每台锅炉的2台一次风机电动机各自配备一台智光高压变频器。

(2)二次风机

单台锅炉配有2台二次风机(电动机容量 )，将二次风机改为变频调速，每台锅炉的2台二次风机电动机各自配备一台智光高压变频器。

(3)一次风机和二次风机主回路

两类风机主回路基本相同，这里以一次风机为例进行说明，为了保证风机的可靠安全运行，采用图2所示的智光设备“标准手动一拖一”主回路设计方案：

图2 “标准手动一拖一” 主回路设计方案

该方案设计说明如下：当频率正常时，将K1和K2刀开关闭合，K3刀开关断开，并将进线处高压开关闭合；当需要进行变频检修时，将K1和K2刀开关断开，K3刀开关闭合，并将进线处高压开关闭合，可使风机设备工频运行(此时可利用原风机风门进行调节)，这时即可对高压变频器进行相应的检修操作。

2.3 散热设计方案

在现场实际运行时，高压变频器的发热量较大，需要设计合适的散热方案。若采取传统的强制风冷方法，会因太大的空气交换量而产生室内负压，并产生粉尘污染问题；若采取空调冷却，则会有较大的投资、维护及能耗问题。所以目前对于风机变频器的冷却常采取空水冷的方式，采用该方式时，在现场的冷却水温度若满足不了设计需要，就需要同时设计二次冷却方案。为提升系统运行期间的安全稳定性，不管采用何种冷却方式，都需根据变频系统的实际情况设计适合本系统的专用的散热方案。

(1)变频器本体的散热

所采用的高压变频调速系统为强迫风冷的散热方式，使用离心式散热风机进行冷却，散热风机(包括功率柜体散热风机及变压器柜体散热风机)全部采用工业级散热风扇产品，其平均无故障时间长于变频装置本身。变压器柜除柜顶风机外，在柜底还安装有横流风机，从下方进行吹风，以确保变压器的散热效果。变频系统的散热风机也可采用温度控制仪进行风机的起、停控制，还可以在变频启动前，先启动散热风机对变频系统做干燥处理，避免变频系统在长期停用时造成内部受潮而启动失败的结果。

考虑变频器本身主要功率元件收温度影响较大，因此，进行以下设计，确保变频系统能够更好的散热：

(a)散热风机的电源采用两路电源互为备用，一路由外部提供的380 V三相四线电源，一路由动力电源经变频装置内部变压器转换，两路电源之间可无扰切换，确保冷却风机的持续运行，保证变频系统的散热；

(b)高压变频系统散热风机采用热冗余备用，在单台冷却风机故障时，变频装置会继续运行，同时发出声光报警，控制器提示条显示，并上传到DCS侧进行报警。若在长时间内不处理报警，当温度达到变频器设置的温度上限后，变频器会停机。

(c)高压变频调速系统的功率单元及系统柜体采用申请国家专利的独特设计，加强散热，系统在南方湿热环境大量应用，得到考验。其中功率单元的风道宽而短，散热效率大大提高，功率单元温升低，适用于温度较高的工作环境；功率柜上部选用专门的大风量风机，并将柜结构设计前后两侧同时朝见，使散热效率大幅提升，提高了系统能够适应的工作环境温度。

(2)变频器室的散热

根据以上要求提供变频装置空水冷系统，具体描述如下：

空气水冷却系统(简称空冷器)是一种利用高效、环保、节能的冷却系统，由变频器产生的热风通过风道进入散热器，散热器中固定有冷水管，冷水管中有满足一定要求的冷水。热风在通过换热片时，循环冷却水吸收热风中的热量，以此来维持变频器室内的温度保持恒定。本系统采用的空冷器散热图如图3所示。

图3 空气水冷器散热图

本系统所采用的散热方式是带室外风冷螺杆式冷却机组的空-水冷密闭冷却方式散热(其本质与中央空调类似，又称为水冷式中央空调)，该散热方式通过空冷装置吸收变频器所产生热空气的热量，并将降温后的冷空气重新排到室内；而冷却水则通过室外的风冷螺杆式冷却机组来冷冻。空冷装置内通过冷却水温度控制在5～20℃之间进行调节，即可确保热空气通过散热片降温后，室内的工作环境温度能够被限制在30℃以下，从而保证了变频器室内良好的运行环境。冷却水与循环风完全分离，室内的高压设备与室外的水管线也明显分离，从而隔离了室内高压设备的绝缘破坏、无法防水等安全隐患，提高了系统的安全可靠性。