1、電廠脫硫系統(tǒng)增壓風(fēng)機(jī)應(yīng)用高壓變頻器之探討1. 引言 隨著國家環(huán)保部門對電廠煙氣排放指標(biāo)的考核和監(jiān)督越來越嚴(yán)格，電廠正進(jìn)行大規(guī)模的脫硫系統(tǒng)改造或新建工程，增壓風(fēng)機(jī)是機(jī)組鍋爐、脫硫煙氣排放系統(tǒng)的重要設(shè)備。對增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造可以提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，進(jìn)而保證了機(jī)組脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，同時(shí)還能取得良好的節(jié)能效果，但由于增壓風(fēng)機(jī)的特殊要求，在改造中，應(yīng)針對增壓風(fēng)機(jī)在脫硫工藝系統(tǒng)中的運(yùn)行特點(diǎn)，注意相關(guān)技術(shù)問題，采取相關(guān)對策方能確保變頻改造的成功。 2. 增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行簡介 近年，電廠進(jìn)行了大規(guī)模的脫硫系統(tǒng)改造或新建工程，電廠鍋爐進(jìn)行脫硫系統(tǒng)(fgd)改造后，每套fgd裝置進(jìn)口原煙氣側(cè)(高溫?zé)煔鈧?cè))配置

2、了一臺增壓風(fēng)機(jī)，用于克服fgd擋板、吸收塔及內(nèi)部部件引起的煙氣壓降，脫硫煙氣壓力控制系統(tǒng)根據(jù)原煙氣擋板前的壓力，通過pid控制增壓風(fēng)機(jī)的葉片角度，來控制送入fgd系統(tǒng)的煙氣速度，保證原煙氣擋板前的壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，以適應(yīng)鍋爐負(fù)荷的變化。 增壓風(fēng)機(jī)為靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，其根據(jù)煙氣系統(tǒng)正常運(yùn)行和異常情況可能發(fā)生的最大流量、最高溫度和最大壓損進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。風(fēng)機(jī)風(fēng)量和壓頭選取的原則為:基本風(fēng)量為鍋爐最大蒸發(fā)量(bmcr工況)下鍋爐燃用設(shè)計(jì)煤時(shí)煙氣量，風(fēng)量裕度不低于10%，工作點(diǎn)(bmcr工況)對于失速線的偏離值為風(fēng)機(jī)在該葉片角度下失速流量的10%以上，另加不低于10的溫度裕度;風(fēng)壓裕度不低于20%，并能

3、保證脫硫系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)提供滿意的運(yùn)行調(diào)節(jié)。增壓風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)流量情況下的效率不小于85%。風(fēng)機(jī)有幾乎平坦的效率特性曲線，以保證在負(fù)荷變化時(shí)都有最佳的效率。并能在可能發(fā)生的最大流量，最高溫度和最大壓力損失的情況下正常運(yùn)行，并沒有過量的振動、失速或波動。但從增壓風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況來看，存在以下問題: 2.1增壓風(fēng)機(jī)低負(fù)荷失速問題 從脫硫系統(tǒng)投運(yùn)后情況看，在機(jī)組半負(fù)荷或低負(fù)荷運(yùn)行的情況下，增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況容易落在失速曲線區(qū)域附近，造成風(fēng)機(jī)風(fēng)壓調(diào)整困難，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來安全隱患，持續(xù)運(yùn)行也將造成增壓風(fēng)機(jī)的損壞。究其原因分析主要是機(jī)組半負(fù)荷或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)煙道阻力與機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)的阻力相比，煙氣流量與系統(tǒng)阻力并

4、不成比例關(guān)系。從增壓風(fēng)機(jī)原煙道入口到煙塔出口整個(gè)煙氣系統(tǒng)阻力中,各煙氣管道段的阻力系數(shù)已知,煙氣流量與管道阻力成正比關(guān)系;但在煙冷器、吸收塔噴淋層、吸收塔除霧層中，存在一個(gè)相對固定的阻力，尤其噴淋層的阻力只與投入的層數(shù)相關(guān)，與煙氣流量關(guān)系不大，所以在整個(gè)氣體流程中煙氣流量與其阻力并不成正比關(guān)系。如圖1所示，對比增壓風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)與其特性曲線，可以看到增壓風(fēng)機(jī)在半負(fù)荷或低負(fù)荷的工況下，運(yùn)行工況點(diǎn)接近失速區(qū)。在進(jìn)行增壓風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)時(shí)，對上述情況可能考慮有所欠缺。 2.2增壓風(fēng)機(jī)的節(jié)能問題 增壓風(fēng)機(jī)出力調(diào)整采用通過改變風(fēng)機(jī)的葉片的角度來調(diào)節(jié)。通過改變風(fēng)機(jī)靜葉的角度來調(diào)節(jié)風(fēng)量盡管比一般采用控制入口

5、擋板開度來實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)節(jié)有一定的節(jié)能效果，但是節(jié)流損失仍然很大，特別是低負(fù)荷時(shí)節(jié)流損失更大，另由于節(jié)流調(diào)節(jié)，存在風(fēng)機(jī)運(yùn)行中振動、躁音等問題。同時(shí)異步電動機(jī)在啟動時(shí)啟動電流一般達(dá)到電機(jī)額定電流的68倍，對廠用電形成沖擊，同時(shí)強(qiáng)大的沖擊轉(zhuǎn)矩對電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命存在很大的不利影響。由于目前增壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)方式不能很好的滿足鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)定性運(yùn)行需要，所以電廠考慮對增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)性能和節(jié)能改造，來滿足機(jī)組整體調(diào)節(jié)性能需要。 3. 增壓風(fēng)機(jī)變頻改造的可行性 在風(fēng)機(jī)的各種調(diào)節(jié)方式中，變頻調(diào)節(jié)應(yīng)用較為廣泛。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，其運(yùn)行效率變化不大，其流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率

6、與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方降低，驅(qū)動風(fēng)機(jī)的電機(jī)所需的電功率亦可相應(yīng)降低。故考慮采用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)對增壓風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的線性調(diào)節(jié)，平移風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性曲線，避開失速區(qū)，同時(shí)能取得較好的節(jié)能效果。但目前高壓變頻器設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性對各生產(chǎn)廠家來說或多或少都存在一定問題，變頻器受電子元器件的特性、環(huán)境溫度及空氣潔凈度等因素影響較大，運(yùn)行中時(shí)常發(fā)生功率模塊故障等情況，造成變頻器跳閘。因此，變頻改造前必須針對增壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式特點(diǎn)進(jìn)行分析，以確定其可行性。 增壓風(fēng)機(jī)作為機(jī)組鍋爐風(fēng)機(jī)管網(wǎng)(風(fēng)、煙道)的末端設(shè)備，用以克服脫硫系統(tǒng)煙氣通道阻力，其跳閘將使得整個(gè)鍋爐的平衡通風(fēng)被破壞，爐膛

7、負(fù)壓反正，有可能達(dá)到爐膛壓力保護(hù)值造成鍋爐保護(hù)動作滅爐;同時(shí)風(fēng)機(jī)跳閘后，脫硫系統(tǒng)煙氣流速降低，吸收塔漿液濃度及ph值發(fā)生變化，迫使脫硫系統(tǒng)停運(yùn)。電廠煙塔系統(tǒng)投運(yùn)一年運(yùn)行正常，兩座煙囪的拆除已經(jīng)進(jìn)入項(xiàng)目可行性研究階段，今后煙囪、旁路擋板拆除，增壓風(fēng)機(jī)跳閘后，脫硫系統(tǒng)停運(yùn)將直接導(dǎo)致機(jī)組跳閘，故增壓風(fēng)機(jī)變頻改造對變頻系統(tǒng)的可靠性要求非常高。因此，增壓風(fēng)機(jī)變頻改造除了選擇可靠性高的變頻器產(chǎn)品外，還必須配備工頻旁路柜，做到即使變頻器故障、檢修時(shí)也可實(shí)現(xiàn)電機(jī)工頻旁路運(yùn)行，以保證風(fēng)機(jī)工頻拖動而不影響發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠性及系統(tǒng)可利用率。配備工頻旁路柜，如果發(fā)生變頻器故障跳閘，能夠自動切換為工

8、頻旁路運(yùn)行，調(diào)節(jié)方式改為風(fēng)機(jī)靜葉調(diào)節(jié)。變頻器故障消除恢復(fù)投運(yùn)時(shí)，可以先切除增壓風(fēng)機(jī)旁路開關(guān)，依托變頻器提供的飛車啟動功能，在增壓風(fēng)機(jī)高速惰走的情況下恢復(fù)變頻器設(shè)備運(yùn)行，從而大大減少機(jī)組爐膛壓力波動的時(shí)間。在滿足上述條件的情況下，增壓風(fēng)機(jī)變頻改造是完全可行的。 4. 增壓風(fēng)機(jī)變頻改造的實(shí)例 電廠機(jī)組(燃煤)設(shè)計(jì)出力為220mw，配有一臺靜葉可調(diào)軸流式增壓風(fēng)機(jī)，如圖2所示。額定風(fēng)量1713960m3/h、全壓為3213pa，配用ykk900-14-w型電動機(jī)，額定功率2000kw，額定電壓6kv，額定電流260a。高壓變頻器選定為成都東方日立公司生產(chǎn)的dhvectol-hi電壓源型多電平單元串聯(lián)變

9、頻器，額定容量3000kva，額定電流295a。 4.1高壓變頻器的組成 高壓變頻器系統(tǒng)的組成見圖3，其中qf1、qf2為小車真空開關(guān)，km1為小車f+c開關(guān)。采用小車開關(guān)便于變頻器檢修時(shí)，將輸入/輸出側(cè)小車?yán)霎a(chǎn)生明顯斷開點(diǎn)，另qf1、qf2開關(guān)均具備切斷故障電流的能力。 4.2改造前的控制方式 改造前增壓風(fēng)機(jī)采用靜葉調(diào)節(jié)，其控制方式:通過原煙氣壓力手動設(shè)定值與實(shí)際原煙氣壓力的偏差進(jìn)行pi調(diào)節(jié)，控制增壓風(fēng)機(jī)的葉片角度，保證原煙氣擋板前的壓力穩(wěn)定在設(shè)定值。為了防止一些小擾動，增加了一個(gè)原煙氣壓力手動設(shè)定值與實(shí)際原煙氣壓力偏差的死區(qū)，死區(qū)是在原煙氣壓力量程范圍內(nèi)的5%。當(dāng)偏差為正數(shù)時(shí)，pi調(diào)節(jié)是

10、反調(diào)節(jié);偏差為負(fù)數(shù)時(shí)，pi調(diào)節(jié)為正調(diào)節(jié)，用比例元件p011的參數(shù)1000來解決正反調(diào)節(jié)的問題。正常運(yùn)行中，當(dāng)偏差絕對值小于0.5%(35kpa)時(shí)，使用正常的比例帶=1000，積分時(shí)間=10s;當(dāng)被調(diào)量與設(shè)定值存在較大偏差時(shí)，偏差絕對值大于0.5%(35kpa)時(shí)，及鍋爐rb保護(hù)動作時(shí)，馬上投入快速自適應(yīng)塊進(jìn)行迅速調(diào)節(jié)。即采用變參數(shù)的方法，使用特殊的比例帶=2000，以及積分時(shí)間=10s(時(shí)間可以根據(jù)需要調(diào)整)，該比例帶是個(gè)y=1.9095x+90.452函數(shù)曲線(其中y比例帶，x偏差)。 根據(jù)脫硫工藝系統(tǒng)的要求，在fgd裝置出現(xiàn)下列異常情況時(shí)，必須通過fgd事故系統(tǒng)程序?qū)⑴月窊醢遄詣哟蜷_:(

11、1)fgd跳閘;(2)主機(jī)事故跳閘信號;(3原煙氣壓力大于300pa或小于850pa，延時(shí)3s;(4)原煙氣進(jìn)口溫度150，延時(shí)10s;(5)原煙氣粉塵量180mg/nm3，延時(shí)3s。增壓風(fēng)機(jī)跳閘造成旁路擋板自動打開，原煙氣壓力波動達(dá)到保護(hù)動作值將導(dǎo)致fgd跳閘。 4.3改造后的控制方式改造后增壓風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)，在變頻器故障情況下，風(fēng)機(jī)靜葉調(diào)節(jié)投入自動。 變頻啟動是在qf開關(guān)已經(jīng)合閘情況下，投入變頻器運(yùn)行，其控制過程為:判斷qf開關(guān)合閘，qf1、km1開關(guān)無保護(hù)異常，自動投入0.4kv預(yù)充電電源，從移相變二次繞組對移相變及變頻器功率單元充電，檢查充電電流波形，判斷變頻設(shè)備無異常，時(shí)間持續(xù)5s

12、，后自動合入qf1、km1開關(guān)，變頻器上高壓電，按照運(yùn)行人員預(yù)先給點(diǎn)頻率開始逐漸升高輸出頻率。這樣既可以避免變頻器內(nèi)部故障使得高壓上電對變頻器的損壞，同時(shí)減小移相變的勵磁涌流，還可以避免功率單元電容器的充電沖擊，有效延長電容器使用壽命。 工頻啟動是在qf開關(guān)已經(jīng)合閘情況下，直接投入電機(jī)運(yùn)行，其控制過程為:當(dāng)變頻器不在檢修狀態(tài)時(shí)，判斷qf開關(guān)合閘，qf1、km1開關(guān)有分閘狀態(tài)、無合閘狀態(tài)，qf2開關(guān)無保護(hù)異常;當(dāng)變頻器在檢修狀態(tài)時(shí)，由運(yùn)行人員在dcs畫面確認(rèn)檢修狀態(tài)，邏輯上只判斷qf開關(guān)合閘，qf2開關(guān)無保護(hù)異常。 dcs工切變、增壓風(fēng)機(jī)工頻狀態(tài)、旁路擋板保護(hù)開的情況下，變頻器調(diào)節(jié)投手動狀態(tài)，原

13、煙氣壓力手動設(shè)定值將直接等于實(shí)際原煙氣壓力。 dcs工切變指令發(fā)出，且工頻運(yùn)行狀態(tài)消失的情況下，變頻器調(diào)節(jié)投自動狀態(tài)，增壓風(fēng)機(jī)原煙氣壓力手動設(shè)定值保持切換前原煙氣壓力。“重故障”跳閘后自動切換至工頻旁路;手動切換可由dcs發(fā)出指令，也可通過就地變頻器面板手柄操作。當(dāng)變頻切換至工頻指令發(fā)出后，判斷風(fēng)機(jī)在變頻運(yùn)行狀態(tài)，立即停止變頻器輸出，自動斷開qf1、km1變頻開關(guān)，延時(shí)3s發(fā)“變頻停止” 工頻切換至變頻只能通過dcs手動方式進(jìn)行，dcs發(fā)出“工頻切換至變頻”指令后，判斷工頻開關(guān)qf2在合閘狀態(tài)，立即啟動變頻器，變頻器開始低壓充電，延時(shí)4.7s斷開qf2開關(guān)，5s充電完畢，自動合入qf1、km1

14、變頻開關(guān)，變頻器開始輸出。 在工頻切換至變頻操作時(shí)，原擔(dān)心在風(fēng)機(jī)惰走期間失壓，導(dǎo)致原煙氣壓力反正，為此在邏輯中增加了增壓風(fēng)機(jī)靜葉自動打開60%的指令，但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)此項(xiàng)改進(jìn)有些多余，增壓風(fēng)機(jī)惰走需要3min，沒有發(fā)生預(yù)想中的失壓現(xiàn)象導(dǎo)致變頻器啟動后抽吸力過大，旁路擋板保護(hù)動作的情況。因此在熱態(tài)試驗(yàn)中取消了打開增壓風(fēng)機(jī)靜葉指令。當(dāng)工切變操作指令發(fā)出4s內(nèi)直接保持切換前增壓風(fēng)機(jī)靜葉開度。 5. 增壓風(fēng)機(jī)變頻改造的效益分析 通過增壓風(fēng)機(jī)變頻改造理論分析及電力系統(tǒng)多個(gè)電廠風(fēng)機(jī)變頻改造項(xiàng)目實(shí)施后的效益分析來看，風(fēng)機(jī)節(jié)電率一般在3040之間，具有良好的直接經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)際測量增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)如下:機(jī)組負(fù)荷2

15、00mw，增壓風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行，母線電壓6.15kv，電流156a，功率因數(shù)為0.75，電機(jī)實(shí)際功率1246kw;增壓風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，運(yùn)行頻率為35hz，靜葉檔板開度為100%，母線電壓6.15kv，電流71a，功率因數(shù)為0.97，電機(jī)實(shí)際功率733kw;電機(jī)功率減小513kw。按照增壓風(fēng)機(jī)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為7200h，節(jié)省電量大約為3693600kw.h,電價(jià)按照上網(wǎng)電價(jià)0.40元/kw.h，則一臺增壓風(fēng)機(jī)變頻改造的收益約為147.7萬元，大約2年能夠收回投資。 6. 增壓風(fēng)機(jī)變頻改造應(yīng)注意的幾個(gè)問題 6.1工頻旁路閉鎖設(shè)計(jì) 為保證脫硫系統(tǒng)運(yùn)行可靠性必須設(shè)置自動工頻旁路，但設(shè)計(jì)中必須引起重視的問題就是

16、防止工頻、變頻出口開關(guān)由于誤操作而并列運(yùn)行，兩個(gè)不同頻率的系統(tǒng)并列運(yùn)行將造成整個(gè)變頻系統(tǒng)的損壞。為此，除了在dcs自控程序、變頻器plc程序中需判斷并采用工頻、變頻運(yùn)行狀態(tài)閉鎖及開關(guān)位置狀態(tài)閉鎖，還應(yīng)在工頻、變頻出口開關(guān)的操作回路中采用硬接線閉鎖。即km1開關(guān)在qf2開關(guān)分閘狀態(tài)才允許合閘，當(dāng)qf2開關(guān)在工作位置合閘狀態(tài)則直接跳km1開關(guān);對qf2開關(guān)則反之。6.2變頻系統(tǒng)保護(hù)配置 從高壓變頻系統(tǒng)繼電保護(hù)的配置與定值整定分析可知，在工頻運(yùn)行情況下，電動機(jī)及出線電纜的保護(hù)由qf2的保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn);在變頻運(yùn)行情況下，電動機(jī)作為高壓變頻器的負(fù)荷與廠用母線隔離，電動機(jī)及出線電纜的保護(hù)轉(zhuǎn)由高壓變頻系統(tǒng)控

17、制器實(shí)現(xiàn);變頻器各功率單元分別由移相變壓器低壓側(cè)各獨(dú)立的三相繞組供電，各繞組的保護(hù)由功率單元實(shí)現(xiàn);移相變高壓側(cè)繞組及進(jìn)線電纜的保護(hù)則由qf1保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)。而母線側(cè)電源開關(guān)作為工頻、變頻運(yùn)行工況均需投運(yùn)的設(shè)備。其保護(hù)配置只需要考慮母線側(cè)出線電纜短路、接地故障，同時(shí)作為移相變、電動機(jī)保護(hù)的后備保護(hù)，在qf1、qf2開關(guān)拒動的情況下保護(hù)動作跳閘。 母線電源開關(guān)保護(hù)定值一般按照電動機(jī)來整定，定值在不同運(yùn)行方式下無法實(shí)現(xiàn)自動切換，使得變頻運(yùn)行時(shí)保護(hù)靈敏度很難滿足要求，尤其對于配備縱差保護(hù)的電機(jī)，變頻工況需要退出該保護(hù)，否則易誤動。所以，若采用自動工頻旁路設(shè)計(jì)，建議采用圖3系統(tǒng)配置，若采用手動工頻旁路設(shè)

18、計(jì)，則在設(shè)備投運(yùn)前必須注意將微機(jī)保護(hù)裝置根據(jù)工頻、變頻運(yùn)行工況進(jìn)行保護(hù)的投退及其定值區(qū)的切換。 6.3變頻器瞬停保護(hù)設(shè)計(jì) 由于機(jī)組6kv廠用母線均帶有給水泵電機(jī)，大機(jī)組給水泵電機(jī)功率相當(dāng)大，一般在5000kw以上，在給水泵聯(lián)鎖啟動時(shí)，母線電壓均跌落至80%以下，根據(jù)泵啟動后帶負(fù)荷的情況，電壓跌落持續(xù)時(shí)間可能維持1020s，因此變頻器瞬停保護(hù)對保證風(fēng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)行非常重要。 電壓型變頻器功率單元由于有大容量的高壓電容器作為整流濾波環(huán)節(jié)，而該電容具有一定的儲能作用，在輸入完全掉電情況下能夠維持輸出一段時(shí)間，在裝置內(nèi)濾波電容越大、負(fù)荷運(yùn)行頻率越低、輸出功率越小則可維持的時(shí)間越長。一般變頻器可承受-30電源電壓下降和5個(gè)周期電源喪失。具體瞬停(低電壓)時(shí)間根據(jù)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的參數(shù)頻率特性、電機(jī)最低運(yùn)行頻率來計(jì)算確定。 變頻器動力電源瞬時(shí)斷電再上電一般有兩種不同情況，如果斷電時(shí)間在100ms(即5個(gè)周波)之內(nèi)，沒有任何影響，