中速磨煤機配置高壓變頻器的市場應用及分析

劉　同，　張　丹

北京電力設備總廠有限公司　北京　102401

中速磨煤機配置高壓變頻器的市場應用及分析

劉同，張丹

北京電力設備總廠有限公司北京102401

摘要：為了滿足電廠制粉系統等離子點火的需要，以及保證鍋爐溫升速率的要求，需要降低磨煤機的最小出力，即降低磨煤機的轉速。由此對磨煤機主電機采用變頻設計，經過在電廠的實踐，證明了其可靠性及有效性，磨煤機的最小出力可以進一步降低至15%~20%的負荷，滿足了電廠等離子點火的需要，降低了電廠鍋爐點火的費用，鍋爐點火更安全穩定可靠，具有廣泛的推廣價值。

關鍵詞：中速磨煤機； 最小出力； 鍋爐； 點火； 變頻

Abstract：In order to meet the demand of plasma ignition for powder milling system of power plant and to guarantee the temperature rise rate in the boiler, the coal grinding mill needs to reduce its minimum output i.e. the rotation speed of the coal grinding mill should be reduced. Hence, the main mill motor introduces the design of frequency conversion. After the practice at the plant, its reliability and validity are demonstrated, the smallest mill output can be further reduced to 15% to 20% of the load, This approach does not only satisfy the demand for plasma ignition in the plant, but also reduce the cost for boiler ignition in the power plant. Boiler ignition becomes more safe, stable and reliable possessing a wide range of promotional value.

Key Words：Medium Speed Coal Grinding Mill; Minimal Output; Boiler; Ignition;

Frequency Conversion

1概述

目前，國內常用的點火技術應用主要有4種： ① 大油槍點火技術；② 少油(小油槍)點火低負荷穩燃技術，俗稱粉包油技術，即將小油槍布置在一次風噴口內或附近直接點燃煤粉；③ 微油(氣化小油槍)點火，采用出力為50kg/h小油槍，實現氣化燃燒，用產生的高溫火焰在燃燒器內直接點燃3～5t/h 的煤粉，使其噴入爐膛內的煤粉火焰具有極強的自穩燃能力,并繼續進行燃燒；④ 等離子無油點火技術，即由高能離子點火器在一次風噴口內或附近直接點燃煤粉。

一般燃煤鍋爐在點火時，要先用燃油過渡，再電打火或者用其它方式點著燃油，最后點著煤粉，進入鍋爐正常運行狀態；而等離子點火不用燃油，通過在兩個電極之間的電弧熱量來直接點燃煤粉，從而節約了燃油。等離子點火技術應用很廣，但是完全不用燃油全部用等離子點火的鍋爐還很少，主要受限于磨煤機的最小出力。另一方面，為了控制鍋爐升溫速率，也需要磨煤機以更小的出力來運行。

機組啟動一次，僅助燃用油就需10萬元左右的費用，為了實現更經濟的點火，需要進一步降低磨煤機的最小出力。但是在傳統的運行方式下，磨煤機的出力范圍為25%～100%的負荷，超過25%的負荷時，磨煤機容易出現振動、不穩定運行等情況。在此種工況下，25%的小負荷已經滿足不了此種需要，要進一步降低磨煤機的最小出力。

2原理說明

中速磨煤機在一定范圍內通過提高其轉速，可以提高其出力，由此降低其轉速，即降低其出力。磨煤機轉速的改變可以通過變頻裝置實現，目前磨煤機配置高壓變頻器的應用，主要借鑒于送風機、引風機等重要輔機變頻技術的經驗。

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制4個部分組成，整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。

普通電機是根據市電的頻率和相應的功率來設計的，只有在額定的情況下才能穩定運行。變頻電機就不同了，變頻電機要克服低頻時的過熱與振動，所以變頻電機在設計上要比普通電機性能好一點。

目前市場上低壓變頻電機比較成熟，高壓變頻電機還不是很成熟。磨煤機所配套的大部分為高壓電機，高壓電機通過增加變頻可以實現轉速的改變，從而改變磨煤機的碾磨能力，可以將磨煤機的出力范圍進一步擴大。

磨煤機主電機通過加裝變頻器，經電廠的應用，實踐證明可以降低磨煤機的最小出力，電廠實現了鍋爐的無油點火，節省了大筆費用，同時也可以減少在低負荷時磨煤機引起的振動。

3磨煤機主電機配變頻器的方法設計及實施情況

目前山東費縣電廠和寧夏鴛鴦湖電廠磨煤機主電機都進行了變頻改造，主要情況如下。

3.1　山東費縣電廠

費縣電廠的ZGM113N型磨煤機設計最大出力為68.7t/h，最小出力為16.32t/h，通過增加主電機變頻，最小出力可以降低到8t/h，最小出力由設計的最大出力的25%降低到11.6%。

3.1.1電廠鍋爐總體情況

鍋爐型式： 本工程安裝2×600MW超臨界參數變壓直流爐，型式為單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架和全懸吊Π型。

鍋爐最大連續蒸發量：1913t/h；

鍋爐(B-MCR)燃煤量：238t/h(設計煤種)、

260t/h(校核煤種)。

燃燒器布置方式為前后墻對沖，前后墻各三層布置，每層5個燃燒器，共30個燃燒器，每臺磨煤機對應供給前墻(或后墻)一層5臺燃燒器。

空氣預熱器型式： 三分倉回轉式；

爐膛出口過剩空氣因子： 1.19。

鍋爐運行方式： 主要承擔基本負荷并具有一定的調峰能力，鍋爐最低穩燃負荷(不投油助燃時)為30%B-MCR，鍋爐在此負荷下能長期安全穩定運行。

制粉系統型式： 采用中速磨煤機冷一次風機正壓直吹式制粉系統，每臺爐配6臺中速磨煤機，燃燒設計煤種時，5臺運行，1臺備用，共12臺磨煤機，每臺磨煤機帶鍋爐的一層燃燒器。

3.1.2磨煤機主要技術參數

費縣電廠的磨煤機為北京電力設備總廠生產的ZGM113N型磨煤機，主要設計參數見表1。

表1　磨煤機主要技術數據

3.1.3改造情況

提出原因： 費縣電廠要配備等離子點火裝置，在機組啟動時，最小出力在16t/h左右，導致鍋爐升溫速度太快，鍋爐無法實現無油點火。為實現鍋爐無油點火，需要進一步降低磨煤機的最小出力，滿足等離子點火的需要，所以通過降低磨煤機的轉速，需要增加一套變頻器裝置，從而降低磨煤機的最小出力。

改造的主要工作： ① 安裝一臺變頻器及相應刀閘柜，實現一拖二，滿足#1、#2爐啟動需要；② 控制電纜和動力電纜敷設；③ 變頻器調試及主電機和變頻器的聯動。

改造后磨煤機的主電機為北京電力設備總廠的YMKQ600-6型主電機(主電機未更換)，變頻器為北京利德華福電氣技術有限公司生產的，型號： HARSVERT-VA06/070。表2為變頻器主要參數。

表2　變頻器主要額定參數情況

費縣電廠在1號和2號機組之間裝了一臺變頻器，用以控制1A和2A磨煤機的等離子點火。變頻器的啟動可以從10Hz開始，經過實際調試，磨煤機的最低出力可以降低至8～10t/h穩定運行，此時磨煤機的液壓加載力為設計值的最小值5MPa，一次風量為保持在最大風量的65%～70%，即為65t/h左右，磨煤機可以穩定運行，細度達到設計要求。穩定運行3～4h后，開始啟動其它磨煤機，然后將點火的磨煤機調制成工頻運行，如圖1所示。

費縣電廠通過變頻改造，磨煤機實現完全等離子無油點火，點火時磨煤機的耗電為主電機功率的5%～10%，省去了每次點火燃油的消耗，為電廠極大地節省了點火費用。

圖1　變頻器控制示意圖

3.2　寧夏鴛鴦湖電廠

寧夏鴛鴦湖電廠采用的為北京電力設備總廠生產的ZGM113G-Ⅱ型磨煤機，其設計最大出力為81.24t/h，最小出力20.31t/h，通過增加主電機變頻，最小出力可以降低到7.87t/h，最小出力由設計的最大出力的25%降低到9.7%。

磨煤機加裝變頻器，變頻調節磨煤機轉速，使磨煤機在小煤量情況下保持穩定運行，有效控制鍋爐受熱面的溫升率。

鍋爐點火啟動期間充分發揮磨煤機電機變頻改造成果，鍋爐具備點火條件后，變頻啟動磨煤機點火，由于暖磨比較充分，點火時空預器入口風溫已提高至100℃，磨煤機使用變頻啟動，使磨煤機在20t/h煤量下點火成功，逐漸減少煤量，最小穩定運行煤量由改造前的25t/h降至改造后的7.87t/h，燃燒穩定，隨后每隔10min加煤一次(1~1.5t/h)，控制鍋爐所有受熱面壁升溫速率不大于1.5℃/min。

由于A磨煤機采用變頻啟動，在啟動B磨煤機時，可將A磨煤機煤量減至10t/h，再啟動B磨煤機運行，有效控制了總煤量。B磨煤機啟動后，總煤量最小可放置在28t/h，有效控制了啟動第二臺磨煤機時引起鍋爐受熱面壁溫大幅變化的情況，在機組啟停期間為鍋爐熱負荷調整提供了充裕空間，大大降低了點火初期鍋爐容積熱負荷，控制鍋爐受熱面的溫度變化率不大于1.5℃/min。

在不改變磨煤機結構的情況下，磨煤機的最低一次風量要求為70t/h，最小出力按13t/h、出口溫度按65℃進行計算，其主要參數見表3。

表3　磨煤機13t/h出力時熱力計算數據表(鍋爐負荷4.1%)

4主要控制參數說明

磨煤機調試過程中，對磨煤機主要參數要進行相應調整，受磨煤機主電機電流的限制，變頻器調整范圍需要限定在10～15Hz之間。當變頻器為10Hz 啟動時，磨煤機最小出力降低到10%左右，甚至可以降到最大出力的8%。磨煤機的最小風量以及給煤機的給煤量，包括煤層的厚度都要實時檢測，此時對應的變加載壓力也調至最小(3.5～5MPa)。鍋爐具備點火條件后，變頻啟動對應磨煤機點火，要求暖磨必須充分，點火時空預器入口風溫提高至100℃。磨煤機使用變頻啟動，采用20%最大出力煤量點火成功后，逐漸減少煤量，最小穩定運行煤量降至改造后的8%～10%最大出力，燃燒穩定，隨后每隔10min加煤一次(1～1.5t/h)，控制鍋爐所有受熱面壁升溫速率不大于1.5℃/min。

另外需要說明的是，磨煤機的最小出力還受磨煤機最低風量的限制，在磨煤機出力的25%～100%負荷內，磨煤機的一次風量一般要求為65%～100%，通過此計算，確定了送粉管道的直徑(控制管道流速在18～30m/s)。所以，磨煤機的風量不能無限制地減小，也即限制了磨煤機的最小出力情況。另外一點，完全實現等離子點火還受煤質情況的影響，送粉管道煤粉的濃度也需要滿足點火的需要，根據目前掌握的情況，煤粉濃度比可以降低至0.14，最低不要低于0.12。所以基于以上的原因，磨煤機的最小出力不能無限止地降低運行，太低對系統運行將產生一定的影響。

5結論

磨煤機通過增加變頻控制，最小出力可以降低至最大出力的10%，這種增加變頻器的改造方案，有效控制了啟動第二臺磨煤機時引起鍋爐受熱面壁溫度大幅變化的情況。在機組啟停期間為鍋爐熱負荷調整提供了充裕空間，大大降低了點火初期鍋爐容積熱負荷，控制鍋爐受熱面的溫度變化率不大于1.5℃/min。對于電廠運行來說更安全，更穩定。

同時通過變頻改造，磨煤機實現完全等離子無油點火，點火時磨煤機的耗電為主電機功率的5%～10%，省去了每次點火燃油的消耗，為電廠極大地節省了點火費用。同時還可適應不同工況條件下的磨煤機變速，在一定程度上節能。

目前市場上對磨煤機更寬范圍內的出力運行需求越來越多，滿足了電廠調整負荷需要，滿足了電廠的安全穩定運行及等離子點火的需要，對電廠來說更安全、更經濟，有著比較廣的推廣價值。

參考文獻

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王樹.變頻調速系統設計與應用.北京： 機械工業出版社，2005.

姚錫祿.變頻器控制技術與應用.福州： 福建科學技術出版社，2005.

文章編號：1674-540X(2015)04-047-04

中圖分類號：TD453

文獻標識碼：B

作者簡介：第一 劉同(1982-)，男，本科，工程師，主要從事磨煤機技術、質量、售后服務等工作，E-mail： 28250345@qq.com

收稿日期：2015年8月