郭永明,劉觀起

(華北電力大學 電氣與電子工程學院,河北 保定 071003)

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680 MW機組引風機變頻改造實踐及問題處理

郭永明,劉觀起

(華北電力大學 電氣與電子工程學院,河北 保定 071003)

針對火電廠引風機電能浪費嚴重的現(xiàn)象,采用變頻改造方案達到了良好的效果,但經(jīng)過變頻改造后,在冷卻能耗、交變應力、軸承散熱等方面發(fā)現(xiàn)了新的問題。對此,在肯定變頻改造成效的基礎上,對其進行了實踐分析,解決了“變切工”運行的技術難題,同時也提出了相應的解決方案。實踐證明,該方案即可行、合理。

680 MW機組;引風機;變頻改造;方案

山東某電廠680 MW機組引風機電機按脫硫、脫硝，引風三合一改造設計的容量為5700 kW,根據(jù)節(jié)能診斷,風機電動機只需要4300 kW即可滿足正常運行要求。然而傳統(tǒng)模式下引風機運行時是利用擋板的開度調整風速和風量,造成了大量節(jié)流損耗。特別在處于低負荷狀態(tài)時,引風機效率大大降低,增加了系統(tǒng)的能耗[1]。而且高速固定轉速運行的風機對擋板、風道、風機葉輪的磨損較大,致使風機易發(fā)生喘振、軸承振動大、軸承溫度升高等事故[2-4]。目前,解決這些問題的方法主要是采取對電機進行變頻改造,實現(xiàn)轉速的自動調節(jié),滿足不同工況所需的風壓和風量的大小[5]。同時在確保風機正常運行、電廠安全生產(chǎn)的同時,實現(xiàn)節(jié)能減排,降低風機擋板、管道磨損以及停機檢修頻率的目的[6-8]。但經(jīng)過實踐驗證,在變頻改造實踐過程中,還存在一系列問題,如冷卻方式能耗較大、交變應力導致共振、軸承散熱變差等問題,若得不到及時解決,將造成不必要的經(jīng)濟損失。對此,本文在對變頻改造原理[9-10]研究的基礎上,分析了變頻改造后存在的問題,并給出了合理的解決方案。

1　變頻改造技術原理

變頻器由遠方DCS系統(tǒng)對其進行控制。DCS系統(tǒng)能監(jiān)測變頻器的不同工況并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,進而反饋應急措施,以確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,防止誤操作的發(fā)生。此外,變頻器可自動切換到旁路運行,從而實現(xiàn)工頻到變頻的自動轉換。當變頻器發(fā)生故障時,自動旁路開關柜迅速動作,保證機組能夠平穩(wěn)地由變頻運行切換到工頻運行狀態(tài)。

以該廠5號機組A、B兩臺引風機為例,其變頻回路一次部分如圖1所示。高壓開關QF(5A603、5B603)為電動機為原有設備。高壓真空開關QF1(5A603J、5B603J)、QF2(5A603P、5B603P)、QF3(5A603C、5B603C)組成一次回路。其中,QF3與QF2之間安裝閉鎖裝置,以保證二者不同時合閘。

圖1　5號機組A、B兩臺引風機變頻器一次接線

變頻器故障跳閘后自動無擾切換到工頻旁路的“變切工”方案為:

1) 當變頻器發(fā)生故障時,603J跳閘,DCS系統(tǒng)接收故障信號。

2) 旁路運行時,一方面DCS系統(tǒng)發(fā)出信號關閉風門,并對其位置進行實時監(jiān)控,以防止轉速突變產(chǎn)生擾動;另一方面機組減負荷運行或提高1臺風機的轉速,以減緩擾動程度。

3) DCS系統(tǒng)監(jiān)控603P狀態(tài),確認其保持分閘狀態(tài)。

4) DCS收到變頻器停止信號后,延時5 s后斷開603C。

5) DCS系統(tǒng)監(jiān)控603C和603J的狀態(tài),確認其為分閘狀態(tài),延時3 s,對風門位置再次進行確認,保證在允許范圍之內。此時,603P合閘,工頻旁路運行切換完畢。

6) 為了防止搶風現(xiàn)象,工頻運行風機的風門開度到正常范圍時,變頻運行的風機將風門調整到相應的位置,使兩臺風機風量均衡。

2　變頻改造主要成效

5、6號爐引風機變頻器改造后分別于2012年6月16日、8月29日投入運行,截止到2013年6月底分別運行了7536和5922 h,運行期間均無異常,主要成效如下:

1) 引風機啟動電流明顯降低,其上限在額定電流的110%以內,能夠對電機進行軟啟動,降低了對廠用系統(tǒng)的沖擊。

2) 變頻器容量配置低于電機額定容量,降低了設備投資成本(約30%)。

3) 變頻器發(fā)生故障時,機組能夠平穩(wěn)地由變頻運行切換到工頻運行狀態(tài)。

4) 5、6號機組4臺引風機年節(jié)電1587.2萬kW·h左右,折合電費約722.2萬元。

5) 引風機轉速明顯降低,由改造前工頻運行時轉速994 r/min降到機組滿負荷時引風機轉速900 r/min。同時風機的振動也明顯降低,由4 mm/s降低到2 mm/s之內,提高了引風機運行的安全系數(shù),降低了維修成本(23萬元/a)。

6) 截止到2013年6月底,5、6號機組廠用電率分別完成3.65%、4.04%(包括脫硫廠用電率),在國內同類型機組排序中名列第一位和第三位。

綜上,通過變頻改造后,提升了節(jié)能降耗指標,降低了維護工作量大大,延長了設備的使用壽命,但也帶來了額外問題。

3　遇到的問題及解決方案

3.1變頻冷卻方式存在的問題及改進措施

3.1.1冷卻方式存在的問題

高壓變頻器屬于大型電氣設備,聯(lián)合引風機運行時,產(chǎn)生的熱量較大。傳統(tǒng)冷卻方式為強迫風冷,易使粉塵污染對設備造成損害,在空氣交換過程中還會使變頻室內產(chǎn)生負壓現(xiàn)象?，F(xiàn)有的冷卻方式為密閉空間空調冷卻,這種方式主要是根據(jù)變頻器的發(fā)熱量和房間面積大小計算出空調的制冷量,從而配備一定數(shù)量的空調,該廠變頻器室內空調采用的均是10 P格力空調。但其空調長時間制冷運行,耗費大量的電能,維護成本較高。

3.1.2改進措施

將引風機變頻器冷卻方式改為空-水冷冷卻方式,即在現(xiàn)場安裝2臺空水冷裝置,每臺空水冷裝置的制冷量100 kW,總制冷量200 kW?？账溲b置設計參數(shù):冷卻水最高溫度為30 ℃,冷卻水工作水壓為0.2～0.5 MPa,冷卻水總流量為160 m3/h;水源為閉式冷卻水系統(tǒng)。變頻器排出的熱風,經(jīng)過閉式水循環(huán)管道冷卻后變成涼風直接排出,如圖2所示。

圖2　引風機變頻器空-水冷冷卻方式

空-水冷循環(huán)系統(tǒng)的特點:

1) 設備安裝簡單、快捷。由于具有整體式結構,占據(jù)空間小的特點,可安裝于變頻器室內,風道與柜頂?shù)呐艢饪谶B接,熱風經(jīng)空冷裝置交換熱量成冷風后直接送入變頻器室。

2) 設備使用的壽命較空調長,運營成本比空調低,冷卻電耗指標小于空調冷卻指標。

3) 管道全部采用焊接方式,可靠性高。

4) 維護量小,環(huán)境衛(wèi)生,濾網(wǎng)清洗周期延長。

3.2交變應力的防治

引風機采用的是撓性轉子,轉子的制作材料存在制作工藝上的誤差,會導致轉子本身存在一定的不均勻性和引起共振的固有頻率。變頻改造后,當轉速達到臨界轉速區(qū)時,會發(fā)生機械共振問題,此時葉輪振動加劇,轉速的變化使葉輪產(chǎn)生交變應力,進而導致葉輪產(chǎn)生疲勞裂紋。特別當風機負荷突然增大時,振動更為劇烈。鑒于存在的這些固有問題,該廠技術員認為本廠680 MW機組5號爐B引風機葉輪多次發(fā)生穿透性裂紋的原因有兩點:

1) 引風機屬高速風機,承載力大,為保證安全,葉輪采用進口700鋼焊接而成。由于硬度高、脆性大、塑性差,抗沖擊能力差、焊后收縮大,焊接要求兩側對焊,溫度、速率較難以統(tǒng)一,因此熱處理工藝水平差等原因造成了葉輪焊縫局部裂紋。

2) 變頻改造后存在共振區(qū)導致葉輪振動大,轉速的變化使葉輪產(chǎn)生交變應力,使本來已有細小局部裂紋的葉輪產(chǎn)生疲勞裂紋。

除采取通用解決該問題的辦法,對葉輪輪轂內部進行加強,保證葉輪形式外觀不變之外,針對引風機變頻運行還提出了如下保護措施:

1) 變頻運行后,在運行中監(jiān)測電機和風機軸系的振動(包括扭振)狀況,遇到振動加大時,找出頻率較集中的轉速區(qū)間,迅速越過共振區(qū),提高風機轉速,輔助調節(jié)導葉開度或擋板門開度。

2) 因變頻器對電機輸出轉矩特性和風機的影響未知,建議降低風機調節(jié)速度,減少對具有較大轉動慣量風機轉子的沖擊,降低應力。

3) 通過變頻調速設置的引風機頻率盡量避開共振頻率的范圍,避免發(fā)生共振現(xiàn)象。

3.3軸承降溫措施

在風機風扇與異步電動機同軸的情況下,異步電動機的散熱能力是以額定轉速下的冷卻風量來衡量的。變頻改造后,一方面,異步電動機的冷卻風量整體水平降低,散熱能力降低;另一方面,引風機轉速變化頻繁,多次接近臨界轉速,產(chǎn)生共振現(xiàn)象,軸承接觸軸承瓦發(fā)生摩擦,導致軸承升溫。此外,變頻運行對軸承供油系統(tǒng)造成壓力,軸承摩擦次數(shù)頻繁,潤滑油消耗較大,粘稠度也隨之下降,若得不到及時補充甚至會造成燒瓦。

該電廠引風機屬高轉速風機,額定轉速為990 r/min。由于承載力大、轉速高,軸承發(fā)熱量大,一般條件下正常運行溫度為55～60 ℃,但是在低負荷期間軸承溫度經(jīng)常高達80 ℃以上。

采取的措施:

1) 加強冷卻。在軸承溫度高達80～85 ℃時,啟動第2臺冷卻風機,由2臺冷卻風機同時冷卻,注意觀察軸承溫度情況。若在同等負荷下,軸承溫度能夠保持不上升或下降,維持2臺風機運行;若溫度同時上升,可能因冷風系統(tǒng)阻力較大,2臺風機運行達不到預期效果,應改回1臺風機運行。

2) 加強潤滑。當加強冷卻無效時,應加強潤滑,通過潤滑管路適當向軸承補充油脂(一個軸承補油120 g左右)。由于新油脂補充時軸承溫度會短時升高,為避免觸及報警系統(tǒng),補油最好在風機負荷及軸承溫度不太高時進行。當軸承溫度超過70 ℃時,每升溫10～15 ℃時加油周期縮短一半,加油量適當減少,如兩周一次,每個軸承加80 g左右,或一周一次,每個軸承加50 g左右。

3) 夏季改善冷卻的方案。環(huán)境氣溫偏高時可采用物理降溫的方式降低冷卻風機的進風溫度,在風機入口采用大風量水簾式冷風扇或移動空調對吹,降低冷卻風進風溫度。

4) 增加冷風孔。運行中要經(jīng)常檢查錐形冷風罩大端法蘭上的12個冷風孔是否被保溫材料或密封墊擋住,阻礙回風。引風機回風冷風孔為12個,經(jīng)校核,目前回風量較小,阻力較大,達不到冷卻效果,應擴孔增加至19個。

4　結　語

本文對680 MW機組引風機的變頻改造措施進行了分析,并解決了“變切工”的技術難題,經(jīng)過理論評估和實踐,節(jié)能效果顯著,降低了維護工作量。同時對變頻改造后出現(xiàn)的問題,提出了相應解決方案。實踐證明,該方案合理、可行,為火電廠變頻改造工程提供了借鑒。

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(責任編輯侯世春)

IDF frequency conversion transformation for 680 MW unit and its treatments

GUO Yongming, LIU Guanqi

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Taking account of the status of energy waste of induced draft fan (IDF) in thermal power plant, although the retrofit scheme with frequency conversion technology obtained good effect, a series of new problems still emerged such as cooling energy consumption, alternating stress, bearing heat dissipation. The author, therefore, on the basis of the accreditation of frequency conversion transformation, analyzed its application, solved the technological problems in the operation, and proposed the corresponding solutions. The application proves that this method is feasible and reasonable.

680 MW unit; induced draft fan; frequency conversion transformation; plan

2016-03-11。

郭永明(1990—),男,碩士研究生,主要研究方向為電力系統(tǒng)分析、運行與控制。

TK223.26

A

2095-6843(2016)04-0347-04