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1、發電廠高壓變頻調速系統改造方案著作者：譚文 2023-10課題研究依據：按照國家發展改革委等部門關于印發千家公司節能行動實行方案的告知和關于印發廣東省重點耗能公司“雙千節能行動”實行方案的告知的文獻規定，根據“十一五”節能規劃。 根據本電廠廠用電系統鍋爐風機容量設計配置存在選型過大，風機靠風機擋板調整風量，能量損失很大，循環水系統由于設計四臺循環水泵均按50%負荷配置，不能接季節水溫進調整運營方式，增長了廠用電。2023年由我擬定技改課題和目的，進行可行性分析，勘察，設計，擬定技術改造方案、原理設計圖及施工設計圖。加裝高壓變頻器用變頻根據鍋爐需風量調整風機出力和用一拖二變頻器變頻調節電機轉速的2、方法來控制流量，減少其電耗，節電效果達30%以上。于2023年4月進行了技術改造（見課題研究：發電廠高壓變頻調速系統改造方案）。發電廠高壓變頻調速系統改造方案1 概述1.1應用高壓變頻器的必要性目前減少廠用電率，減少發電成本，提高上網電能的競爭力，已成為各發電廠努力追求的經濟目的。近幾年電網的負荷峰谷差越來越大，頻繁的調峰任務使部分輔機仍然運營在工頻狀態下，導致大量電能流失。電廠重要用電設備如引風機等高能耗設備，其輸出功率不能隨機組負荷變化而變化，只有通過改變檔板或閥門的開度來調整，導致很大部分能量消耗在節流損失中。為了提高發電機組的生產效率、減少能耗以及系統的綜合可靠性，風機、水泵的驅動系統3、擬采用全數字交流高壓變頻器實行控制。高壓變頻調速系統是直接串聯于高壓電源與高壓電機之間的變頻調速設備，以其現場改造、安裝方便以及安全、良好的運營性能正快速的替代其它調速產品，全面的進入到電力行業的節能改造項目中。運用高壓變頻調速技術的目的是改變設備的運營速度，以實現調節現場工況所需風壓、風量的大小，大大提高了系統的自動化限度，既滿足了生產規定，又達成了節約電能，并且減少了因調節擋板而導致擋板和管道的磨損以及因經常停機檢修所導致的經濟損失，同時使維護量大大減少，為發電廠可帶來了可觀的效益，切實響應了國家節能降耗的號召。2.本電廠實行高壓變頻器的可行性：2.1本電廠可實行高壓變頻改造設備運營工況及4、參數：1）一次風機參數目前為工頻啟動（共2臺）額定參數設備型號（產地、日期）2118 AB/1135匹配電機型號（產地、日期）YKK6301-4長沙電機廠軸功率(kW)額定功率(kW)1800kW額定流量 (m3/h)208309 m3/h額定電壓(kV)6 kV壓力 (Pa)23.66 kPa額定電流(A)200 A額定轉速( r/min)1480 r/min額定轉速(r/min)1493 r/min效率功率因數0.8662）、二次風機參數目前為工頻啟動（共2臺）額定參數設備型號（產地、日期）GF50N-650D190匹配電機型號XKK450-4軸功率(kW)額定功率(kW)630kW額定流5、量 (m3/h)107573m3/h額定電壓(kV)6 kV壓力 (Pa)14.521KPa額定電流(A)74.7 A額定轉速( r/min)1485r/min額定轉速( r/min)效率功率因數0.8123）、給水泵參數-目前為工頻啟動（共4臺）額定參數設備型號（產地、日期）匹配電機型號YKS560-2沈陽電機廠軸功率(kW)1420kW額定功率1600KW額定流量 (m3/h)290m3/h額定電壓6 KV揚程1500m額定電流187A額定轉速(r/min)2985 r/min額定轉速2985r/min效率功率因數0.883）、循環水泵參數-目前為工頻啟動（共3臺）額定參數設備型號（產地、6、日期）KPS40-700匹配電機型號軸功率(kW) kW額定功率450KW額定流量 (m3/h)6070m3/h額定電壓6 KV壓力（揚程）20.5 m額定電流75A額定轉速(r/min)750 r/min額定轉速742r/min效率功率因數0.8122 在負載上，選用高壓變頻器，其可行性如下：1） 將高壓變頻器串聯在高壓開關柜與高壓電機之間即可。變頻器的所有部件采用內部連線，用戶只須連接高壓輸入、高壓輸出、AC220V控制電源和控制信號線即可；2）高壓變頻器采用“單元串聯多電平結構”，4） 該高壓變頻器適應于中國用戶電網工況，主電源+15%-35%波動不斷機，瞬時失電5個周期可滿載運營不跳閘7、，掉電20s內不會停機；5） 輸入功率因數高，網側不需要添加功率因數補償裝置；6） 電流諧波少，滿足國際、國家標準規定，對電網沒有諧波污染；7） 輸出階梯正弦PWM波形，無須輸出濾波裝置，可接普通電機；8） 對電纜、電機絕緣無損害，電機諧波少，減少軸承、葉片的機械振動，輸出線可以長達1000米；9） 功率電路模塊化設計，維護簡樸；10）高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠；11）完整的故障監測電路、精確的故障報警保護；12）干式移相變壓器在柜體中內置，安裝方便，免維護；13）內置PLC，易于改變控制邏輯關系，適應多變的現場需要；14）可靈活選擇現場控制、值班室遠程控制，可通過電話網絡遙測8、遙控；15）可接受和輸出010V/420mA工業標準信號；16）直接內置PID調節器，可開環運營，可閉環運營；17）全中文操作界面，具有無噪音、無運動部件、大容量數據存儲、使用壽命長的特點，適應于一般值班人員的水平；18）可進行運營數據和操作記錄，打印輸出運營報表；19）完整的通用變頻器參數設定功能；20）設備安裝調試、參數設定方便快捷。3系統方案說明本次改造重要涉及以下幾方面：系統主回路控制方案、高壓變頻器配置參數、變頻器系統控制方案、現場施工方案、散熱方案。本項目還涉及到土建施工、電氣安裝、高壓電氣實驗和工藝的調試等工作，我們將相關環節介紹如下：3.1 系統主回路控制方案一拖一手動系統成套9、設計方案如下：方案：此方案是手動旁路的典型方案。原理是由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3和高壓開關QF、電動機M組成（見左圖）。規定QS2和QS3之間存在機械互鎖邏輯，不能同時閉合。變頻運營時，QS3斷開，QS1和QS2閉合；工頻運營時，QS1和QS2斷開，QS3閉合。高壓開關QF、電動機M為現場原有設備。功能:在檢修變頻器時，有明顯斷電點，可以保證人身安全，同時也可手動使負載投入工頻電網運營。改造時，將高壓變頻器串聯進現有高壓開關柜與高壓電機之間，正常工作時采用變頻回路，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運營時，采用原有的工頻啟動方式。對于設備配套的相應高壓變頻器，本技術方案可選擇利10、德華福無諧波系列高壓變頻器。該系列變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。變頻器具有對電網諧波污染極小，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱、轉矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，不需要更換電機。3.2 變頻器系統控制方案負載設備運營工藝介紹 給水泵：給水系統是指鍋爐的水系統，它不斷地向鍋爐供應給水以保證正常的水循環。給水泵將除氧器的水升壓后送往高壓加熱器，通過給水操作臺進入鍋爐的省煤器，省煤器將給水加熱后送往汽包，下降管把汽包的水分派到水冷壁的各個下聯箱，水冷壁吸取爐膛高溫火焰（煙氣）的輻11、射熱使水變成汽水混合物，汽水混合物進入汽包進行汽水分離，分離出來的水繼續進行水循環，分離出來的飽和蒸汽進入頂棚過熱器。 循環水泵：將汽輪機凝汽器使用的冷卻水降溫后又輸入凝汽器循環使用的閉式供水系統。經凝汽器使用后溫度升高了的水通過排水管進入冷卻水塔冷卻（補充水也進入冷卻塔），然后通過輸送冷卻水的管路進入吸水井，循環水泵從吸水井并將水壓升高后送入凝汽器循環使用。此外，循環水泵的出水也送到冷油器等處作為冷卻水。 一次風機：在電廠燃煤機組中，一次風是鍋爐的燃料輸送系統的重要動力來源。典型的直吹式燃煤鍋爐系統。系統重要由球磨煤機、一次風機、空預器等設備組成。磨煤機磨制的煤粉通過一次風管直接進入爐膛燃燒12、，系統通過控制一次風量實現鍋爐負荷的控制。 系統控制方案1. 循環水泵：變頻調速系統進入發電機組現有的DCS系統。DCS根據機組的負荷情況，按設定程序實現對鍋爐循環水泵電機轉速的控制。循環水泵調速由操作人員通過DCS系統的CRT上的模擬操作器，參照凝汽器的真空度和外界氣溫，對DCS的輸出值進行調節，此輸出值為反饋給變頻器的4-20mA標準信號，相應不同的頻率（速度）給定值，變頻器通過比較轉速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動調節電動機的轉速，實現循環水泵轉速控制，從而達成調節水量的目的。在此基礎上，通過一段時間的積累，可將不同負荷和溫度下的給定值繪制成曲線，定出安全的上下限，制成循環水泵調13、速專用算法，同時運用熱工一次測量元件，將采集的負荷和溫度參數的變化值送到機組DCS系統中，在機組DCS系統中，進行控制運算，將計算結果形成4-20mA的速度給定指令信號，反饋給變頻器，變頻器通過比較轉速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動調節電動機的轉速，實現循環水泵的轉速自動控制。2. 給水泵：給水泵變頻運營方式分為手動控制及汽包水位PID調節自動控制兩種。正常情況下，變頻泵作為運營泵長期運轉，調節器發出調整門全開指令，主給水調整門和低負荷調整門處在100全開狀態；由變頻器接受遠方調節器的自動轉速控制信號調節給水泵流量滿足不同負荷的需求。 現場工況及負載技術數據1）一次風機運營參數實際運營14、參數全年運營負荷工況1工況2工況3閥門開度（%）50%實際運營電流(A)123A實際運營電壓(kV)06 kV實際運營功率因數0.866實際風機全壓（Pa）12kPa實際流量(m3/h)年運營時間（h）7000年平均電價(元/度)0.52）、二次風機運營參數實際運營參數全年運營負荷工況1工況2工況3閥門開度（%）90%實際運營電流(A)51A實際運營電壓(kV)06 kV實際運營功率因數0.812實際風機全壓（Pa）8.5KPA 實際流量(m3/h)80000 年運營時間（h）5000年平均電價(元/度)0.53）、給水泵運營參數-目前為工頻啟動（共1臺）實際運營參數全年運營負荷工況1工況2工15、況3閥門開度（%）100%實際運營電流(A)180 A實際運營電壓(kV)06 kV實際運營功率因數0.88實際風機全壓（Pa）10MPa實際流量(m3/h)280t/h年運營時間（h）50004）、循環水泵運營參數-目前為工頻啟動（共1臺）實際運營參數全年運營負荷工況1工況2工況3閥門開度（%）實際運營電流(A)40A實際運營電壓(kV)06kV實際運營功率因數實際風機全壓（Pa）實際流量(m3/h)年運營時間（h）年平均電價(元/度)0.53.工頻狀態下的耗電量計算Pd：電動機功率 ；Cd：年耗電量值 ； U：電動機輸入電壓 ；I：電動機輸入電流 ；cos：功率因子； T：年運營時間；：單16、負荷運營時間比例電機耗電功率計算公式：Pd =UIcos 累計年耗電量公式：Cd= T（Pd）根據計算公式，通過計算可得出工頻情況下各負載的耗電量如下：表一 項目設備名稱設備工頻運營功率Pd(kW)設備工頻的年耗電量Cd(kWh)設備工頻的年耗電費 (元)一次風機1106.9357748545度3874272.5元二次風機430.354kW2151770度1075885元給水泵 1646.093kW8230465度4115232.5元循環水泵 kW度元4. 變頻狀態下的年耗電量計算1) 對于風機負載，變頻狀態下的計算如下：P：風機實際軸功率 ； P0：風機額定軸功率 ；Cb：年耗電量值；：風機17、實際流量 ；0：風機額定流量；H：風機出、入口壓力差 ； H0：風機額定風壓；T：年運營時間；：單負荷運營時間比例計算公式： 網側消耗功率： 累計年耗電量公式：Cb= T（Pb）電動機效率與電動機負荷率之間的關系如圖一所示。變頻器效率與系統負荷率之間的關系如圖二所示 查圖得出： 項目設備名稱電動機效率變頻器效率一次風機0.90.95二次風機0.90.952）、對于水泵負載，變頻狀態下的計算如下：Pd：電動機軸功率 ； P：水泵軸功率 ；：電動機效率 ；：變頻器實際效率 ；Q：水泵出口流量 ；H：水泵出、入口壓力差，:管網特性系數。由軸功率：P= ，代入水泵的額定值，得出其管網特性系數。將水泵在18、不同負載下的、壓力、流量值分別代入上式，可以求得軸功率。綜合考慮到電動機效率和變頻器的效率，查圖得出： 項目設備名稱電動機效率變頻器效率給水泵0.920.95則網側消耗功率： 累計年耗電量公式：Cb= T（Pb）根據計算公式，通過計算可得出變頻情況下各負載的耗電量如下：表二 項目設備名稱設備變頻后運營功率Pd(kW)設備變頻的年耗電量Cd(kWh)設備變頻的年耗電費(元)一次風機760 kW5320230度2660000元二次風機329.368 kW1646840度823420元給水泵1094.213kW5471065度2735532.5元循環水泵kW度元5、節能計算年節電量：C= CdCb 節電率=（C/Cd）100% 變頻改造后，根據公式，可計算出各負載上變頻后與工頻相比每年的節電情況如下：表三項目設備名稱年節電量年節電費節電率()一次風機214675度1214272元31.3%二次風機504930度252465元23.5%給水泵2759400度1379700元34%循環水泵度元20%注：以上計算均屬于理論計算值，存在5%的偏差。由于循環水泵根據符合大小通過啟動泵的數量調節，每次閥門都為全開，所以不存在能量上的損耗，但是實際流量和壓力都會高于需求值，所以改變頻后可以通過調頻達成抱負值。