高压变频技术在热源厂循环流化床锅炉风机上的应用

一 引言 风机是一种量大面广、耗电量极大的动力机械。我国每年风机的电能消耗占总消耗的10％以上，在电力、钢铁、煤炭、冶炼工业中，风机的耗电量往往占生产用电的20％以上。因此，对风机的节能研究具有十分重要的经济意义。 风机系统中流量的调节常采用改变档板开度的方式，因而在档板上产生附加的压力损失。消耗了大量能源。采用变频调速技术改造风机系统，不仅可以节约能源，而使系统运行更加合理可靠。 哈尔滨市华能集中供热有限公司在建的热源厂，设计规模为6台116MW（160t）循环硫化床热水锅炉，3台75t/h循环硫化床蒸汽锅炉，2台12MW背压式汽轮发电机组，总供热面积为1800万平方米，最大热负荷为1054.8MW。 项目建成后可以承担起哈尔滨市道里、道外两个区大部分的冬季取暖任务。项目03年开始建设，04年投产2台116MW热水炉，05年底已有4台116MW热水炉、三台75t/h蒸汽炉和两台12MW背压机组投入运行。九台循环硫化床锅炉全部为哈尔滨锅炉厂生产，其中116MW循环硫化床热水锅炉是该厂生产的第一台目前国内最大的循环硫化床热水锅炉。 循环硫化床作为一种清洁高效燃烧技术在国际上被广泛认可，其具有燃烧适应性广、燃烧效率高、氮氧化合物排量低、负荷调节范围大、污染物排放低等特点，属于环保型锅炉，是国家大力推广的新型锅炉。其燃烧工艺如下：燃料由炉前给煤系统送入炉膛。送风系统由一次风（鼓风）和二次风组成，一次风由炉床下部送入炉膛，主要保证料层流化：二次风沿燃烧室分级多点送入，主要增加炉膛的氧量起到助燃作用。燃烧后的物料变成一些较小的颗粒随烟气一起进入分离器，经过固气分离其中大部分颗粒由分离器下部的返料器从新送入炉膛，使炉膛内有足够高的灰度，保证流化；烟气经过电除尘器由引风机抽出。 二 系统技术方案分析 对循环硫化床锅炉调节主要就是对风系统的调节。目前调节风量的主要方法由通过风门挡板开度调节和改变电机转速调节。其中以对电机变频调速为最优。 在一期工程中5#、6＃热水炉三大风机中我们使用了国内某家生产的斩波内馈调速系统，该系统实际上为转子串级调速的升级，转速调节范围60％～100％。在04年和05年的使用中发现了许多问题。比如，调节范围小（30Hz~50 Hz）、故障率高、谐波大、不能实现真正的软启动等，最为严重的是由于该系统的配套电机必须是转子带滑环、碳刷的特种电机，使用中故障率很高，碳刷磨损很严重，平均一个月就要停炉换滑环、碳刷。对供热稳定、平时的日常使用维护带来很多问题。 在二期工程中根据现场的工艺情况和前一年的使用情况，我们选用了6台东方日立（成都）电控设备有限公司生产的高压大功率变频器，6台变频器分别控制3＃、4＃热水炉的一次风机（1250kW/6000V）、二次风机（250 kW/6000V）、引风机（800 kW/6000V）。 三 装置原理特点 该高压变频器系统采用直接“高—低—高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串并联而成，从而由各组低压叠加而产生需要 的高压输出。以8级变频器为例，每相由8个PWM变频功率单元串联实现直接高压输出，三相24个。每个功率单元承受全部的输出电流，但仅承受1/8的输出电压和1/24的输出功率，相电压为433×8＝3464V，所对应的线电压为6000 V。经叠加后线电压波形具有33阶梯电平，它相当于48脉波变频，理论上47次以下的谐波都可抵消，总的电压和电流失真率可分别低于1.2%和0.8%，堪称无谐波污染变频器。 它对电网谐波污染小，输入电流谐波畸变小于3％，电网输入电压谐波畸变小于3％，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数达0.95以上，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置，输出波形质量好，输出电流谐波畸变小于3％，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪声、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可使用普通的鼠笼异步电机。 变频装置具有工频旁路功能，用于变频与工频之间的切换；旁路刀闸容量满足工频要求，刀闸具有防误操作的机械闭锁功能，并带有电磁锁，以作为电气连锁的保护，防止误操作。变频器、断路器、刀闸和电缆的一次电路。 四 节能分析 通过流体力学的基本定律可知：风机、水泵类设备均属于平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有以下关系：Q∝n，H∝n2，P∝n3即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。 3＃、4＃热水炉在保证负荷的情况下： 引风机实际运行平均在45 Hz。 一次风机平均42 Hz。 二次风机平均35 Hz。 如果在工频下使用风们挡板控制一台炉一个月使用电量： （1250＋250＋800）×24×30=1656000kwh，以平均电价0.7元/度计算，需1159200元。现在使用变频器后风门的挡板开度为100％，使用变频调节风量，一台炉一个月使用电量：〔（45/50）3×1250＋（42/50）3×250＋（35/50）3×800）〕×24×30=960354.72kwh，需672248.304元。可以看出一台炉（一台250KW/6000V变频器 一台1250KW/6000V变频器 一台800KW/6000V变频器）年节省电量695645.28×6＝4173871.68 kwh，节省2921710.176元（我们供热期为6个月），节电率为42％。 五 采用变频器的优越性 变频调速系统从2005年11月投入生产运行至今，充分体现出该装置的先进性，主要特点如下： 1、由于变频器可以非常平稳的调整风量，运行中可以任意调整锅炉负荷，锅炉运行参数得到改善，提高了锅炉效率。 2、使用变频后，由于启动和停止时间都可以设定，减少了对烟道、风道和风门挡板的冲击腐蚀，相应的延长了很多零件的使用寿命，有效的提高了相应设备的检修周期，节约了大量维护费用。 3、由于有变频调节，系统实现了软启动，风机在低频下启动，启动电流很小，启动时间延长，避免了原来在较大惯性负荷情况下，数倍于额定起动电流对电网和机械设备的冲击，有效延长了电机寿命。 4、提高了功率因数，功率因数在0.95以上。 六、结束语 高压变频系统由于其节能效果明显，特别是在低负荷时更为显著，采用变频调速后实现了电机软启动，延长了电机和风机的使用寿命，由于风门全开，极大的延长了风门的使用和检修周期，也减少了风管道的振动和摩擦。良好的性能会越来越为各行各业所应用，具有极好的使用价值。 参考文献： 1 冯垛生，张淼．变频器的应用与维护．广州：华南理工大学出版社，2003 2 黄立培，张学．变频器应用技术及电机调速．北京人民邮电出版社，1997 3 高压大功率变频器产品技术手册．成都东方（日立）电控设备有限公司，2005 作者简历： 公 冰 男（1982-） 毕业于哈尔滨理工大学 现工作于哈尔滨市华能集中供热有限公司 工程部 作者地址：哈尔滨市道外区东北新街73号（150026） 电话：0451-88929597