范曉鋒

(山西西山煤電集團(tuán) 古交西山發(fā)電有限公司,山西 太原 030024)

0 引言

古交西山發(fā)電有限公司三期項(xiàng)目建成投產(chǎn)后，年發(fā)電量60億千瓦時(shí)，其所采用的2套660兆瓦低熱值煤熱電機(jī)組配備了當(dāng)前世界上最先進(jìn)的直流鍋爐，每年約可有效利用古交礦區(qū)所產(chǎn)生的300萬噸煤矸石、150萬噸中煤及50萬噸煤泥等低熱值燃料資源，從而實(shí)現(xiàn)劣質(zhì)資源的就近高效利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在燃煤發(fā)電過程中，由于煤炭中含有一定比例的硫化物，燃燒后生產(chǎn)的二氧化硫等有害氣體進(jìn)入大氣并溶于雨水后形成酸雨，對(duì)環(huán)境的破壞較大，因此必須清除燃煤煙氣中的含硫有害氣體。目前較為成熟的煙氣脫硫工藝主要采用石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)，即利用石灰石漿液與煙氣中的酸性硫化物發(fā)生反應(yīng)，最終降低煙氣中的含硫量，脫硫率可達(dá)99%以上。古交西山發(fā)電有限公司三期項(xiàng)目所采用的濕法脫硫和濕式電除塵均采用當(dāng)前最新環(huán)保技術(shù)，因此項(xiàng)目的環(huán)境效益顯著[1-3]。近年來，為進(jìn)一步響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，熱電廠的節(jié)能改造成為企業(yè)研究和發(fā)展的重點(diǎn)。本文以古交西山發(fā)電有限公司濕磨磨機(jī)漿液泵的變頻改造為例，對(duì)其節(jié)能改造措施進(jìn)行研究。

1 現(xiàn)狀與存在的問題

1.1 濕式脫硫簡(jiǎn)介

石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)簡(jiǎn)稱FGD，主要由石灰石漿液制備及輸送系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)及脫水系統(tǒng)等組成。其中，石灰石漿液制備流程如圖1所示，首先將粒徑20 mm以下的石灰石塊轉(zhuǎn)運(yùn)至料斗內(nèi)，再由振動(dòng)給料器均勻地將原料送入提升機(jī)，并提升進(jìn)入石灰石倉(cāng)；隨后，石灰石倉(cāng)根據(jù)需要不斷向皮帶輸送機(jī)排料，輸送機(jī)將石灰石塊送入濕式球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)力研磨，形成的石灰石粉末與水按一定比例混合成漿液狀態(tài)，然后進(jìn)入磨機(jī)循環(huán)漿液箱，再由磨機(jī)漿液泵將石灰石漿液泵入旋流器內(nèi)，經(jīng)過旋流分離，含粗顆粒較多的底流重新返回濕磨磨機(jī)，而顆粒粒徑達(dá)到要求的上層漿液溢流進(jìn)入石灰石漿液箱，再通過石灰石漿液泵泵送至吸收塔內(nèi)[4-6]。

圖1 石灰石漿液制備流程

1.2 存在的問題

古交西山發(fā)電有限公司三期項(xiàng)目濕磨車間共有4臺(tái)濕磨磨機(jī)，每臺(tái)磨機(jī)配備2臺(tái)漿液循環(huán)泵，共8臺(tái)循環(huán)泵，日常一用一備。單臺(tái)泵電機(jī)額定功率為75 kW，無變頻設(shè)備，電機(jī)長(zhǎng)期處于工頻全功率運(yùn)行狀態(tài)，泵的輸出壓力超出要求范圍，需配合采用節(jié)流孔板進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，由此導(dǎo)致以下四方面問題：

(1)電機(jī)在工頻狀態(tài)全速運(yùn)行，導(dǎo)致漿液循環(huán)泵與旋流器之間的管道內(nèi)壓力過大，漿液中的石灰石顆粒對(duì)管道內(nèi)壁沖刷磨損嚴(yán)重，且容易導(dǎo)致局部破損泄漏，污染環(huán)境。

(2)通過使用節(jié)流板，雖可保證進(jìn)入旋流器的漿液壓力降低至正常值，但輸送系統(tǒng)的節(jié)流能量損失過大，電機(jī)輸出功率不能完全利用，造成較大電能浪費(fèi)。

(3)循環(huán)泵和電機(jī)長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致設(shè)備零部件損耗嚴(yán)重，使用壽命降低，設(shè)備成本增大。

(4)原工頻電機(jī)自動(dòng)化控制程度較低，不利于集中控制，且無法根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求調(diào)節(jié)電機(jī)和泵的輸出狀態(tài)。

2 低壓變頻調(diào)速節(jié)能原理

交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

(1)

其中：n為電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；f為電機(jī)的輸入電源頻率；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

由式(1)可知，電源頻率f、電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s和極對(duì)數(shù)p均與電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速n有關(guān)，但后兩者不易調(diào)整，而電源頻率f的調(diào)整相對(duì)比較成熟。f與n成正比，通過調(diào)節(jié)頻率f即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速n的同步調(diào)整。

理論上，調(diào)低電源頻率即可降低電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，但頻率降低也會(huì)造成磁通和勵(lì)磁電流增加，電機(jī)的功率因數(shù)下降，最終導(dǎo)致線圈和鐵芯發(fā)熱嚴(yán)重，因此，在降低電源頻率時(shí)，應(yīng)同步降低電源電壓，兩者協(xié)調(diào)控制。負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)以上功能的設(shè)備稱為變頻器，以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的“交-直-交”低壓變頻器為例(如圖2所示)，其主要由整流器、中間直流儲(chǔ)能單元、逆變器和控制回路等組成，整流器的作用是將三相交流電整流成直流電，中間直流儲(chǔ)能單元利用電容對(duì)輸出的直流電進(jìn)行平滑濾波，以保證其幅值穩(wěn)定，然后再經(jīng)過逆變器將直流電輸出成為具有特定形狀的矩形脈沖波，通過改變脈沖的頻率即可改變輸出交流電的頻率，改變脈沖的寬度即可改變輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電頻率和電壓的協(xié)調(diào)控制。

圖2 “交-直-交”變頻器結(jié)構(gòu)

3 變頻調(diào)速改造方案

3.1 總體方案

當(dāng)前濕磨漿液泵電機(jī)的性能參數(shù)如表1所示。根據(jù)漿液循環(huán)系統(tǒng)的變頻改造要求，有兩套變頻改造方案：

表1 濕磨漿液泵電機(jī)性能參數(shù)

方案一：對(duì)原漿液循環(huán)泵進(jìn)行利舊，重新采購(gòu)漿液泵電機(jī)，電機(jī)類型由普通異步電機(jī)更換為永磁同步變頻電機(jī)，另增加變頻裝置。由于需采購(gòu)電機(jī)，因此該方案投資較大。

方案二：對(duì)原漿液循環(huán)泵及電機(jī)一起利舊，僅增加變頻器及相應(yīng)柜體等。該方案投資較小，改造工程量小。

綜合對(duì)比上述兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)、施工量和投資金額等因素，最終選擇方案二。針對(duì)濕磨機(jī)組的8臺(tái)漿液泵，共改造增加4臺(tái)變頻器(4套柜體)，每2臺(tái)電機(jī)共用一臺(tái)變頻器，并互為備用。為合理利用安裝空間，減少改造施工量，在脫硫制漿、脫水、廢水MCC段后安裝兩套變頻柜；在脫硫濕磨MCC段后安裝兩套變頻柜。

3.2 配置選型

(1)變頻器選用Siemens 75 kW多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器，外置中文控制面板，可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)變頻器帶動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，但兩臺(tái)電機(jī)不能同時(shí)啟動(dòng)。

(2)為保證變頻裝置的整體可靠性，柜內(nèi)斷路器、接觸器等主元件、二次元件要求使用施耐德品牌，端子排使用菲尼克斯品牌，控制回路采用AC220 V。

(3)變頻柜選用“下進(jìn)下出”形式，主體由鋼板制成，并密封良好以防灰塵進(jìn)入。柜內(nèi)需有照明裝置，柜面配電壓表、電流表、遠(yuǎn)方/就地轉(zhuǎn)換開關(guān)、啟/停指示、啟/停按鈕等。要求變頻柜內(nèi)設(shè)置電源進(jìn)線開關(guān)、施耐德塑殼斷路器，并使用電纜連接至變頻柜接線端子，下部安裝電機(jī)的接觸器。

3.3 其他功能設(shè)計(jì)

3.3.1 工變頻切換功能

通過增加變頻器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)漿液輸出壓力的連續(xù)穩(wěn)定控制，但當(dāng)變頻器發(fā)生故障或需要對(duì)其進(jìn)行檢修時(shí)，則可能因變頻器無法投入使用導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)，而這是生產(chǎn)不允許的。因此，需在變頻柜內(nèi)設(shè)置一條可提供工頻電源的備用供電旁路，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，自動(dòng)或手動(dòng)切換至旁路，電機(jī)暫時(shí)以工頻狀態(tài)運(yùn)行，以保證漿液循環(huán)泵不停機(jī)。

3.3.2 柜體冷卻散熱功能

變頻器工作過程中，部分電能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)至柜體內(nèi)，導(dǎo)致柜體內(nèi)部溫度升高。而變頻器的組成元器件對(duì)環(huán)境變化較為敏感，溫度升高可能導(dǎo)致設(shè)備工作異?；蛲C(jī)，因此要求變頻柜須具有良好的冷卻散熱功能。對(duì)于低壓變頻器，可在柜體頂部安裝獨(dú)立線路的工頻風(fēng)扇，風(fēng)扇的啟停由溫度開關(guān)控制，且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動(dòng)和監(jiān)視。

3.3.3 自動(dòng)控制功能

變頻改造前，電機(jī)的啟停需由現(xiàn)場(chǎng)人工按鈕控制。改造后，要求變頻器連入DCS控制系統(tǒng)，由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)PID調(diào)節(jié)。另外，漿液循環(huán)泵的運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)參數(shù)、故障信號(hào)等信息可通過DCS界面顯示和查詢。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或參數(shù)異常時(shí)，DCS控制系統(tǒng)可自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，并執(zhí)行保護(hù)性操作。

3.3.4 接線及編號(hào)要求

接線及編號(hào)要求主要包括以下三個(gè)方面：

(1)柜體內(nèi)接線端子及電纜芯兩端均應(yīng)配置帶編號(hào)的線圈，設(shè)備接線及電纜線芯的編號(hào)應(yīng)統(tǒng)一。

(2)端子排應(yīng)便于接線，安裝在至少離底板300 mm的位置，并提供約10%的備用端子。

(3)安裝在變頻柜內(nèi)或柜上的任何繼電器、控制開關(guān)等均應(yīng)做標(biāo)簽標(biāo)識(shí)。

3.4 改造流程

以3#、4#變頻柜增加改造為例，具體改造流程如下：

(1)拆除1#機(jī)脫硫PC A段的3#磨機(jī)漿液泵A、漿液泵B，及1#機(jī)脫硫PC B段的4#磨機(jī)漿液泵A、漿液泵B上的間隔一、二次電纜，然后將拆除的電纜分別引至新增的3#、4#變頻柜下口接線端，電纜需重新制作終端接頭。

(2)從原3#/4#磨機(jī)漿液泵A分別敷設(shè)一根3×95+1×50規(guī)格的動(dòng)力電纜，引至新增的3#/4#磨機(jī)漿液泵變頻柜上口。

(3)從3#/4#磨機(jī)漿液泵變頻柜分別敷設(shè)1根型號(hào)ZR-KVVP2 6×1.5計(jì)算機(jī)屏蔽電纜，引至DCS控制系統(tǒng)的公用DCS機(jī)柜DROP31。

(4)以上工作完畢后，需重新校線、接線、調(diào)試，并對(duì)DCS畫面組態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

4 變頻改造效果

通過對(duì)三期項(xiàng)目濕磨漿液泵的變頻改造，最終達(dá)到以下效果：

(1)變頻改造后，漿液泵電機(jī)轉(zhuǎn)速及電流相應(yīng)降低，由于泵類設(shè)備為二次型負(fù)載，因此電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，最終可實(shí)現(xiàn)節(jié)能約18%。

(2)通過對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，可方便控制泵的輸出壓力，從而降低了漿液在旋流器前部管道的流動(dòng)速度，減輕了管道內(nèi)部沖刷磨損，提高了管道的使用壽命。

(3)改造完成后，由于可通過變頻器控制對(duì)電機(jī)實(shí)施軟啟動(dòng)，因此電機(jī)的啟動(dòng)電流明顯降低，避免了較高啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)的沖擊，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。

(4)通過連接DCS集散控制系統(tǒng)，濕磨漿液泵可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和監(jiān)視，降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了故障識(shí)別率和處置效率。

(5)由于去掉了節(jié)流板，且電機(jī)的工作電源頻率降低，因此現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)噪聲明顯減小，改善了人員作業(yè)環(huán)境。

5 結(jié)語

為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，古交西山發(fā)電有限公司決定對(duì)其三期項(xiàng)目的濕磨磨機(jī)漿液泵進(jìn)行變頻改造，在分析了當(dāng)前工頻驅(qū)動(dòng)存在的諸多問題的基礎(chǔ)上，綜合考慮成本、施工量等因素，選擇了利原有泵和電機(jī)，僅增加變頻器進(jìn)行控制的改造方案。改造完成后可實(shí)現(xiàn)節(jié)能約18%的目標(biāo)。