電廠脫硫系統(tǒng)增壓風機應用高壓變頻器

電廠脫硫系統(tǒng)增壓風機應用高壓變頻器1

引言

隨著國家環(huán)保部門對電廠煙氣排放指標的考核和監(jiān)督越來越嚴格，電廠正進行大規(guī)模的脫硫系統(tǒng)改造或新建工程，增壓風機是機組鍋爐、脫硫煙氣排放系統(tǒng)的重要設備。對增壓風機進行變頻改造可以提高風機的運行穩(wěn)定性，進而保證了機組脫硫系統(tǒng)的運行可靠性，同時還能取得良好的節(jié)能效果，但由于增壓風機的特殊要求，在改造中，應針對增壓風機在脫硫工藝系統(tǒng)中的運行特點，注意相關技術問題，采取相關對策方能確保變頻改造的成功。

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增壓風機運行簡介

近年，電廠進行了大規(guī)模的脫硫系統(tǒng)改造或新建工程，電廠鍋爐進行脫硫系統(tǒng)(fgd)改造后，每套fgd裝置進口原煙氣側(高溫煙氣側)配置了一臺增壓風機，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控制增壓風機的葉片角度，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)定在設定值，以適應鍋爐負荷的變化。

增壓風機為靜葉可調(diào)軸流風機，其根據(jù)煙氣系統(tǒng)正常運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行設計選型。風機風量和壓頭選取的原則為:基本風量為鍋爐最大蒸發(fā)量(bmcr工況)下鍋爐燃用設計煤時煙氣量，風量裕度不低于10%，工作點(bmcr工況)對于失速線的偏離值為風機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;風壓裕度不低于20%，并能保證脫硫系統(tǒng)負荷變化時提供滿意的運行調(diào)節(jié)。增壓風機在設計流量情況下的效率不小于85%。風機有幾乎平坦的效率特性曲線，以保證在負荷變化時都有最佳的效率。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行，并沒有過量的振動、失速或波動。但從增壓風機實際運行情況來看，存在以下問題:

2.1增壓風機低負荷失速問題

從脫硫系統(tǒng)投運后情況看，在機組半負荷或低負荷運行的情況下，增壓風機運行工況容易落在失速曲線區(qū)域附近，造成風機風壓調(diào)整困難，給機組安全運行帶來安全隱患，持續(xù)運行也將造成增壓風機的損壞。究其原因分析主要是機組半負荷或低負荷運行時煙道阻力與機組滿負荷時的阻力相比，煙氣流量與系統(tǒng)阻力并不成比例關系。從增壓風機原煙道入口到煙塔出口整個煙氣系統(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系;但在煙冷器、吸收塔噴淋層、吸收塔除霧層中，存在一個相對固定的阻力，尤其噴淋層的阻力只與投入的層數(shù)相關，與煙氣流量關系不大，所以在整個氣體流程中煙氣流量與其阻力并不成正比關系。如圖1所示，對比增壓風機實際運行工況點與其特性曲線，可以看到增壓風機在半負荷或低負荷的工況下，運行工況點接近失速區(qū)。在進行增壓風機選型設計時，對上述情況可能考慮有所欠缺。

2.2增壓風機的節(jié)能問題

增壓風機出力調(diào)整采用通過改變風機的葉片的角度來調(diào)節(jié)。通過改變風機靜葉的角度來調(diào)節(jié)風量盡管比一般采用控制入口擋板開度來實現(xiàn)風量的調(diào)節(jié)有一定的節(jié)能效果，但是節(jié)流損失仍然很大，特別是低負荷時節(jié)流損失更大，另由于節(jié)流調(diào)節(jié)，存在風機運行中振動、躁音等問題。同時異步電動機在啟動時啟動電流一般達到\o"電機軟啟動網(wǎng)"電機額定電流的6～8倍，對廠用電形成沖擊，同時強大的沖擊轉矩對\o"電機軟啟動網(wǎng)"電機和風機的使用壽命存在很大的不利影響。

由于目前增壓風機風量調(diào)節(jié)方式不能很好的滿足鍋爐低負荷穩(wěn)定性運行需要，所以電廠考慮對增壓風機進行調(diào)節(jié)性能和節(jié)能改造，來滿足機組整體調(diào)節(jié)性能需要。

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增壓風機變頻改造的可行性

在風機的各種調(diào)節(jié)方式中，變頻調(diào)節(jié)應用較為廣泛。當風機轉速發(fā)生變化時，其運行效率變化不大，其流量與轉速的一次方成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比，風機轉速降低后，其軸功率隨轉速的三次方降低，驅動風機的\o"電機軟啟動網(wǎng)"電機所需的電功率亦可相應降低。故考慮采用變頻調(diào)速實現(xiàn)對增壓風機\o"電機軟啟動網(wǎng)"電機轉速的線性調(diào)節(jié)，平移風機運行特性曲線，避開失速區(qū)，同時能取得較好的節(jié)能效果。但目前高壓\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器設備的運行穩(wěn)定性對各生產(chǎn)廠家來說或多或少都存在一定問題，\o"電機軟啟動網(wǎng)"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，運行中時常發(fā)生功率模塊故障等情況，造成\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器跳閘。因此，變頻改造前必須針對增壓風機的運行方式特點進行分析，以確定其可行性。

增壓風機作為機組鍋爐風機管網(wǎng)(風、煙道)的末端設備，用以克服脫硫系統(tǒng)煙氣通道阻力，其跳閘將使得整個鍋爐的平衡通風被破壞，爐膛負壓反正，有可能達到爐膛壓力保護值造成鍋爐保護動作滅爐;同時風機跳閘后，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。電廠煙塔系統(tǒng)投運一年運行正常，兩座煙囪的拆除已經(jīng)進入項目可行性研究階段，今后煙囪、旁路擋板拆除，增壓風機跳閘后，脫硫系統(tǒng)停運將直接導致機組跳閘，故增壓風機變頻改造對變頻系統(tǒng)的可靠性要求非常高。因此，增壓風機變頻改造除了選擇可靠性高的\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器產(chǎn)品外，還必須配備工頻旁路柜，做到即使\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器故障、檢修時也可實現(xiàn)\o"電機軟啟動網(wǎng)"電機工頻旁路運行，以保證風機工頻拖動而不影響發(fā)\o"電機軟啟動網(wǎng)"電機組的正常運行，提高風機運行可靠性及系統(tǒng)可利用率。配備工頻旁路柜，如果發(fā)生\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器故障跳閘，能夠自動切換為工頻旁路運行，調(diào)節(jié)方式改為風機靜葉調(diào)節(jié)。\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器故障消除恢復投運時，可以先切除增壓風機旁路開關，依托\(zhòng)o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器提供的飛車啟動功能，在增壓風機高速惰走的情況下恢復\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器設備運行，從而大大減少機組爐膛壓力波動的時間。在滿足上述條件的情況下，增壓風機變頻改造是完全可行的。

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增壓風機變頻改造的實例

電廠機組(燃煤)設計出力為220mw，配有一臺靜葉可調(diào)軸流式增壓風機，如圖2所示。額定風量1713960m3/h、全壓為3213pa，配用ykk900-14-w型電動機，額定功率2000kw，額定電壓6kv，額定電流260a。高壓\o"電機軟啟動網(wǎng)"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)\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器，額定容量3000kva，額定電流295a。

4.1高壓\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器的組成

高壓\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器系統(tǒng)的組成見圖3，其中qf1、qf2為小車真空開關，km1為小車f+c開關。采用小車開關便于\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器檢修時，將輸入/輸出側小車拉出產(chǎn)生明顯斷開點，另qf1、qf2開關均具備切斷故障電流的能力。

4.2改造前的控制方式

改造前增壓風機采用靜葉調(diào)節(jié)，其控制方式:通過原煙氣壓力手動設定值與實際原煙氣壓力的偏差進行pi調(diào)節(jié)，控制增壓風機的葉片角度，保證原煙氣擋板前的壓力穩(wěn)定在設定值。

為了防止一些小擾動，增加了一個原煙氣壓力手動設定值與實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%。當偏差為正數(shù)時，pi調(diào)節(jié)是反調(diào)節(jié);偏差為負數(shù)時，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。正常運行中，當偏差絕對值小于0.5%(35kpa)時，使用正常的比例帶=1000，積分時間=10s;當被調(diào)量與設定值存在較大偏差時，偏差絕對值大于0.5%(35kpa)時，及鍋爐rb保護動作時，馬上投入快速自適應塊進行迅速調(diào)節(jié)。即采用變參數(shù)的方法，使用特殊的比例帶=2000，以及積分時間=10s(時間可以根據(jù)需要調(diào)整)，該比例帶是個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，必須通過fgd事故系統(tǒng)程序將旁路擋板自動打開:(1)fgd跳閘;(2)主機事故跳閘信號;(3原煙氣壓力大于300pa或小于－850pa，延時3s;(4)原煙氣進口溫度＞150℃，延時10s;(5)原煙氣粉塵量＞180mg/nm3，延時3s。增壓風機跳閘造成旁路擋板自動打開，原煙氣壓力波動達到保護動作值將導致fgd跳閘。

4.3改造后的控制方式改造后增壓風機采用變頻調(diào)節(jié)，在\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器故障情況下，風機靜葉調(diào)節(jié)投入自動。

4.3.1增壓風機母線電源開關qf控制策略在投入工頻運行情況下，qf開關合閘必須滿足各項脫硫系統(tǒng)工藝允許條件，如風機靜葉全關、原煙/凈煙擋板全開等。在投入變頻運行情況下，除滿足上述條件，還需要滿足:工頻旁路qf2有分閘狀態(tài)、無合閘狀態(tài)，\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器啟動條件滿足，無\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器故障報警開入量等。

4.3.2增壓風機變頻啟動控制策略

變頻啟動是在qf開關已經(jīng)合閘情況下，投入\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器運行，其控制過程為:判斷qf開關合閘，qf1、km1開關無保護異常，自動投入0.4kv預充電電源，從移相變二次繞組對移相變及\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器功率單元充電，檢查充電電流波形，判斷變頻設備無異常，時間持續(xù)5s，后自動合入qf1、km1開關，\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器上高壓電，按照運行人員預先給點頻率開始逐漸升高輸出頻率。這樣既可以避免\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器內(nèi)部故障使得高壓上電對\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器的損壞，同時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。

4.3.3增壓風機工頻啟動控制策略

工頻啟動是在qf開關已經(jīng)合閘情況下，直接投入\o"電機軟啟動網(wǎng)"電機運行，其控制過程為:當\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器不在檢修狀態(tài)時，判斷qf開關合閘，qf1、km1開關有分閘狀態(tài)、無合閘狀態(tài)，qf2開關無保護異常;當\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器在檢修狀態(tài)時，由運行人員在dcs畫面確認檢修狀態(tài)，邏輯上只判斷qf開關合閘，qf2開關無保護異常。

4.3.4\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器調(diào)節(jié)控制策略

dcs工切變、增壓風機工頻狀態(tài)、旁路擋板保護開的情況下，\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器調(diào)節(jié)投手動狀態(tài)，原煙氣壓力手動設定值將直接等于實際原煙氣壓力。

dcs工切變指令發(fā)出，且工頻運行狀態(tài)消失的情況下，\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器調(diào)節(jié)投自動狀態(tài)，增壓風機原煙氣壓力手動設定值保持切換前原煙氣壓力。

4.3.5風機靜葉調(diào)節(jié)控制策略dcs工切變、增壓風機變頻自動狀態(tài)、旁路擋板保護開的情況下，風機靜葉調(diào)節(jié)投手動狀態(tài)，原煙氣壓力手動設定值將直接等于實際原煙氣壓力。dcs變切工、增壓風機工頻狀態(tài)的情況下，風機靜葉調(diào)節(jié)投自動狀態(tài):(1)變切工過程中，當變切工指令發(fā)出時，增壓風機原煙氣壓力手動設定值保持切換前原煙氣壓力，將增壓風機靜葉直接關到變切工之前鍋爐風量對應的增壓風機靜葉開度。(2)工切變過程中，當工切變指令發(fā)出時，保持增壓風機靜葉開度為切換前的開度。(3)鍋爐rb保護動作時，在rb動作信號發(fā)出30s內(nèi)且旁路擋板處于關閉位置，將增壓風機靜葉直接關到當前鍋爐風量對應的增壓風機靜葉開度。(4)正常工頻運行狀態(tài)下，當處于自動狀態(tài)時，通過原煙氣壓力手動設定值與實際原煙氣壓力的偏差進行pi調(diào)節(jié)。

4.3.6變頻切換至工頻的控制策略變頻切換至工頻有自動/手動兩種方式，就地\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器發(fā)“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\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器面板手柄操作。當變頻切換至工頻指令發(fā)出后，判斷風機在變頻運行狀態(tài)，立即停止\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器輸出，自動斷開qf1、km1變頻開關，延時3s發(fā)“變頻停止”信號、合qf2工頻開關。這樣，一方面減小工頻投入時的沖擊電流，同時風機靜葉開度在\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器跳閘同時開始逐步關閉到鍋爐風量對應的增壓風機靜葉開度并投入自動，減小了工頻投入時原煙壓力及鍋爐爐膛負壓的波動。

4.3.7工頻切換至變頻的控制策略

工頻切換至變頻只能通過dcs手動方式進行，dcs發(fā)出“工頻切換至變頻”指令后，判斷工頻開關qf2在合閘狀態(tài)，立即啟動\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器，\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器開始低壓充電，延時4.7s斷開qf2開關，5s充電完畢，自動合入qf1、km1變頻開關，\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器開始輸出。

在工頻切換至變頻操作時，原擔心在風機惰走期間失壓，導致原煙氣壓力反正，為此在邏輯中增加了增壓風機靜葉自動打開60%的指令，但在試驗中發(fā)現(xiàn)此項改進有些多余，增壓風機惰走需要3min，沒有發(fā)生預想中的失壓現(xiàn)象導致\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器啟動后抽吸力過大，旁路擋板保護動作的情況。因此在熱態(tài)試驗中取消了打開增壓風機靜葉指令。當工切變操作指令發(fā)出4s內(nèi)直接保持切換前增壓風機靜葉開度。

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增壓風機變頻改造的效益分析

通過增壓風機變頻改造理論分析及電力系統(tǒng)多個電廠風機變頻改造項目實施后的效益分析來看，風機節(jié)電率一般在30％－40％之間，具有良好的直接經(jīng)濟效益。實際測量增壓風機運行參數(shù)如下:機組負荷200mw，增壓風機工頻運行，母線電壓6.15kv，電流156a，功率因數(shù)為0.75，\o"電機軟啟動網(wǎng)"電機實際功率1246kw;增壓風機變頻運行，運行頻率為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，\o"電機軟啟動網(wǎng)"電機實際功率733kw;\o"電機軟啟動網(wǎng)"電機功率減小513kw。按照增壓風機年運行小時數(shù)為7200h，節(jié)省電量大約為3693600kw.h,電價按照上網(wǎng)電價0.40元/kw.h，則一臺增壓風機變頻改造的收益約為147.7萬元，大約2年能夠收回投資。

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增壓風機變頻改造應注意的幾個問題

6.1工頻旁路閉鎖設計

為保證脫硫系統(tǒng)運行可靠性必須設置自動工頻旁路，但設計中必須引起重視的問題就是防止工頻、變頻出口開關由于誤操作而并列運行，兩個不同頻率的系統(tǒng)并列運行將造成整個變頻系統(tǒng)的損壞。

為此，除了在dcs自控程序、\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器plc程序中需判斷并采用工頻、變頻運行狀態(tài)閉鎖及開關位置狀態(tài)閉鎖，還應在工頻、變頻出口開關的操作回路中采用硬接線閉鎖。即km1開關在qf2開關分閘狀態(tài)才允許合閘，當qf2開關在工作位置合閘狀態(tài)則直接跳km1開關;對qf2開關則反之。6.2變頻系統(tǒng)保護配置

從高壓變頻系統(tǒng)繼電保護的配置與定值整定分析可知，在工頻運行情況下，電動機及出線電纜的保護由qf2的保護裝置來實現(xiàn);在變頻運行情況下，電動機作為高壓\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器的負荷與廠用母線隔離，電動機及出線電纜的保護轉由高壓變頻系統(tǒng)控制器實現(xiàn);\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器各功率單元分別由移相\o"電機軟啟動網(wǎng)"變壓器低壓側各獨立的三相繞組供電，各繞組的保護由功率單元實現(xiàn);移相變高壓側繞組及進線電纜的保護則由qf1保護裝置來實現(xiàn)。而母線側電源開關作為工頻、變頻運行工況均需投運的設備。其保護配置只需要考慮母線側出線電纜短路、接地故障，同時作為移相變、電動機保護的后備保護，在qf1、qf2開關拒動的情況下保護動作跳閘。

母線電源開關保護定值一般按照電動機來整定，定值在不同運行方式下無法實現(xiàn)自動切換，使得變頻運行時保護靈敏度很難滿足要求，尤其對于配備縱差保護的\o"電機軟啟動網(wǎng)"電機，變頻工況需要退出該保護，否則易誤動。所以，若采用自動工頻旁路設計，建議采用圖3系統(tǒng)配置，若采用手動工頻旁路設計，則在設備投運前必須注意將微機保護裝置根據(jù)工頻、變頻運行工況進行保護的投退及其定值區(qū)的切換。

6.3\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器瞬停保護設計

由于機組6kv廠用母線均帶有給水泵\o"電機軟啟動網(wǎng)"電機，大機組給水泵\o"電機軟啟動網(wǎng)"電機功率相當大，一般在5000kw以上，在給水泵聯(lián)鎖啟動時，母線電壓均跌落至80%以下，根據(jù)泵啟動后帶負荷的情況，電壓跌落持續(xù)時間可能維持10~20s，因此\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器瞬停保護對保證風機的持續(xù)運行非常重要。

電壓型\o"電機軟啟動網(wǎng)"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間，在裝置內(nèi)濾波電容越大、負荷運行頻率越低、輸出功率越小則可維持的時間越長。一般\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器可承受-30％電源電壓下降和5個周期電源喪失。具體瞬停(低電壓)時間根據(jù)\o"電機軟啟動網(wǎng)"電機定、轉子的參數(shù)頻率特性、\o"電機軟啟動網(wǎng)"電機最低運行頻率來計算確定。

\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器動力電源瞬時斷電再上電一般有兩種不同情況，如果斷電時間在100ms(即5個周波)之內(nèi)，沒有任何影響，變頻裝置連續(xù)運行;如果斷電時間在100ms～“瞬停(低電壓)時間”之內(nèi)，\o"電機軟啟動網(wǎng)"變頻器發(fā)“輕故障”信號，執(zhí)行瞬停重啟過程。如果斷電時間超過瞬停(低電壓)時間，HYPERLINK