680 MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻改造實(shí)踐及問(wèn)題處理

郭永明,劉觀起

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071003)

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680 MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻改造實(shí)踐及問(wèn)題處理

郭永明,劉觀起

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071003)

針對(duì)火電廠引風(fēng)機(jī)電能浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象,采用變頻改造方案達(dá)到了良好的效果,但經(jīng)過(guò)變頻改造后,在冷卻能耗、交變應(yīng)力、軸承散熱等方面發(fā)現(xiàn)了新的問(wèn)題。對(duì)此,在肯定變頻改造成效的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行了實(shí)踐分析,解決了“變切工”運(yùn)行的技術(shù)難題,同時(shí)也提出了相應(yīng)的解決方案。實(shí)踐證明,該方案即可行、合理。

680 MW機(jī)組;引風(fēng)機(jī);變頻改造;方案

山東某電廠680 MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)電機(jī)按脫硫、脫硝，引風(fēng)三合一改造設(shè)計(jì)的容量為5700 kW,根據(jù)節(jié)能診斷,風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)只需要4300 kW即可滿足正常運(yùn)行要求。然而傳統(tǒng)模式下引風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是利用擋板的開(kāi)度調(diào)整風(fēng)速和風(fēng)量,造成了大量節(jié)流損耗。特別在處于低負(fù)荷狀態(tài)時(shí),引風(fēng)機(jī)效率大大降低,增加了系統(tǒng)的能耗[1]。而且高速固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)對(duì)擋板、風(fēng)道、風(fēng)機(jī)葉輪的磨損較大,致使風(fēng)機(jī)易發(fā)生喘振、軸承振動(dòng)大、軸承溫度升高等事故[2-4]。目前,解決這些問(wèn)題的方法主要是采取對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻改造,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié),滿足不同工況所需的風(fēng)壓和風(fēng)量的大小[5]。同時(shí)在確保風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行、電廠安全生產(chǎn)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,降低風(fēng)機(jī)擋板、管道磨損以及停機(jī)檢修頻率的目的[6-8]。但經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證,在變頻改造實(shí)踐過(guò)程中,還存在一系列問(wèn)題,如冷卻方式能耗較大、交變應(yīng)力導(dǎo)致共振、軸承散熱變差等問(wèn)題,若得不到及時(shí)解決,將造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)此,本文在對(duì)變頻改造原理[9-10]研究的基礎(chǔ)上,分析了變頻改造后存在的問(wèn)題,并給出了合理的解決方案。

1　變頻改造技術(shù)原理

變頻器由遠(yuǎn)方DCS系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制。DCS系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)變頻器的不同工況并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,進(jìn)而反饋應(yīng)急措施,以確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,防止誤操作的發(fā)生。此外,變頻器可自動(dòng)切換到旁路運(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)工頻到變頻的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí),自動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)柜迅速動(dòng)作,保證機(jī)組能夠平穩(wěn)地由變頻運(yùn)行切換到工頻運(yùn)行狀態(tài)。

以該廠5號(hào)機(jī)組A、B兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)為例,其變頻回路一次部分如圖1所示。高壓開(kāi)關(guān)QF(5A603、5B603)為電動(dòng)機(jī)為原有設(shè)備。高壓真空開(kāi)關(guān)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(shí)合閘。

圖1　5號(hào)機(jī)組A、B兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻器一次接線

變頻器故障跳閘后自動(dòng)無(wú)擾切換到工頻旁路的“變切工”方案為:

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

2) 旁路運(yùn)行時(shí),一方面DCS系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)關(guān)閉風(fēng)門,并對(duì)其位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,以防止轉(zhuǎn)速突變產(chǎn)生擾動(dòng);另一方面機(jī)組減負(fù)荷運(yùn)行或提高1臺(tái)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,以減緩擾動(dòng)程度。

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

4) DCS收到變頻器停止信號(hào)后,延時(shí)5 s后斷開(kāi)603C。

5) DCS系統(tǒng)監(jiān)控603C和603J的狀態(tài),確認(rèn)其為分閘狀態(tài),延時(shí)3 s,對(duì)風(fēng)門位置再次進(jìn)行確認(rèn),保證在允許范圍之內(nèi)。此時(shí),603P合閘,工頻旁路運(yùn)行切換完畢。

6) 為了防止搶風(fēng)現(xiàn)象,工頻運(yùn)行風(fēng)機(jī)的風(fēng)門開(kāi)度到正常范圍時(shí),變頻運(yùn)行的風(fēng)機(jī)將風(fēng)門調(diào)整到相應(yīng)的位置,使兩臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量均衡。

2　變頻改造主要成效

5、6號(hào)爐引風(fēng)機(jī)變頻器改造后分別于2012年6月16日、8月29日投入運(yùn)行,截止到2013年6月底分別運(yùn)行了7536和5922 h,運(yùn)行期間均無(wú)異常,主要成效如下:

1) 引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電流明顯降低,其上限在額定電流的110%以內(nèi),能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行軟啟動(dòng),降低了對(duì)廠用系統(tǒng)的沖擊。

2) 變頻器容量配置低于電機(jī)額定容量,降低了設(shè)備投資成本(約30%)。

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

4) 5、6號(hào)機(jī)組4臺(tái)引風(fēng)機(jī)年節(jié)電1587.2萬(wàn)kW·h左右,折合電費(fèi)約722.2萬(wàn)元。

5) 引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速明顯降低,由改造前工頻運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速994 r/min降到機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速900 r/min。同時(shí)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)也明顯降低,由4 mm/s降低到2 mm/s之內(nèi),提高了引風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全系數(shù),降低了維修成本(23萬(wàn)元/a)。

6) 截止到2013年6月底,5、6號(hào)機(jī)組廠用電率分別完成3.65%、4.04%(包括脫硫廠用電率),在國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組排序中名列第一位和第三位。

綜上,通過(guò)變頻改造后,提升了節(jié)能降耗指標(biāo),降低了維護(hù)工作量大大,延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命,但也帶來(lái)了額外問(wèn)題。

3　遇到的問(wèn)題及解決方案

3.1變頻冷卻方式存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施

3.1.1冷卻方式存在的問(wèn)題

高壓變頻器屬于大型電氣設(shè)備,聯(lián)合引風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí),產(chǎn)生的熱量較大。傳統(tǒng)冷卻方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷,易使粉塵污染對(duì)設(shè)備造成損害,在空氣交換過(guò)程中還會(huì)使變頻室內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓現(xiàn)象。現(xiàn)有的冷卻方式為密閉空間空調(diào)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(jì)算出空調(diào)的制冷量,從而配備一定數(shù)量的空調(diào),該廠變頻器室內(nèi)空調(diào)采用的均是10 P格力空調(diào)。但其空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間制冷運(yùn)行,耗費(fèi)大量的電能,維護(hù)成本較高。

3.1.2改進(jìn)措施

將引風(fēng)機(jī)變頻器冷卻方式改為空-水冷冷卻方式,即在現(xiàn)場(chǎng)安裝2臺(tái)空水冷裝置,每臺(tái)空水冷裝置的制冷量100 kW,總制冷量200 kW。空水冷裝置設(shè)計(jì)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(fēng),經(jīng)過(guò)閉式水循環(huán)管道冷卻后變成涼風(fēng)直接排出,如圖2所示。

圖2　引風(fēng)機(jī)變頻器空-水冷冷卻方式

空-水冷循環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn):

1) 設(shè)備安裝簡(jiǎn)單、快捷。由于具有整體式結(jié)構(gòu),占據(jù)空間小的特點(diǎn),可安裝于變頻器室內(nèi),風(fēng)道與柜頂?shù)呐艢饪谶B接,熱風(fēng)經(jīng)空冷裝置交換熱量成冷風(fēng)后直接送入變頻器室。

2) 設(shè)備使用的壽命較空調(diào)長(zhǎng),運(yùn)營(yíng)成本比空調(diào)低,冷卻電耗指標(biāo)小于空調(diào)冷卻指標(biāo)。

3) 管道全部采用焊接方式,可靠性高。

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

3.2交變應(yīng)力的防治

引風(fēng)機(jī)采用的是撓性轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子的制作材料存在制作工藝上的誤差,會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)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(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí),會(huì)發(fā)生機(jī)械共振問(wèn)題,此時(shí)葉輪振動(dòng)加劇,轉(zhuǎn)速的變化使葉輪產(chǎn)生交變應(yīng)力,進(jìn)而導(dǎo)致葉輪產(chǎn)生疲勞裂紋。特別當(dāng)風(fēng)機(jī)負(fù)荷突然增大時(shí),振動(dòng)更為劇烈。鑒于存在的這些固有問(wèn)題,該廠技術(shù)員認(rèn)為本廠680 MW機(jī)組5號(hào)爐B引風(fēng)機(jī)葉輪多次發(fā)生穿透性裂紋的原因有兩點(diǎn):

1) 引風(fēng)機(jī)屬高速風(fēng)機(jī),承載力大,為保證安全,葉輪采用進(jìn)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(cè)對(duì)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(dǎo)致葉輪振動(dòng)大,轉(zhuǎn)速的變化使葉輪產(chǎn)生交變應(yīng)力,使本來(lái)已有細(xì)小局部裂紋的葉輪產(chǎn)生疲勞裂紋。

除采取通用解決該問(wèn)題的辦法,對(duì)葉輪輪轂內(nèi)部進(jìn)行加強(qiáng),保證葉輪形式外觀不變之外,針對(duì)引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行還提出了如下保護(hù)措施:

1) 變頻運(yùn)行后,在運(yùn)行中監(jiān)測(cè)電機(jī)和風(fēng)機(jī)軸系的振動(dòng)(包括扭振)狀況,遇到振動(dòng)加大時(shí),找出頻率較集中的轉(zhuǎn)速區(qū)間,迅速越過(guò)共振區(qū),提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,輔助調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度或擋板門開(kāi)度。

2) 因變頻器對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩特性和風(fēng)機(jī)的影響未知,建議降低風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)速度,減少對(duì)具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的沖擊,降低應(yīng)力。

3) 通過(guò)變頻調(diào)速設(shè)置的引風(fēng)機(jī)頻率盡量避開(kāi)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(fēng)機(jī)風(fēng)扇與異步電動(dòng)機(jī)同軸的情況下,異步電動(dòng)機(jī)的散熱能力是以額定轉(zhuǎn)速下的冷卻風(fēng)量來(lái)衡量的。變頻改造后,一方面,異步電動(dòng)機(jī)的冷卻風(fēng)量整體水平降低,散熱能力降低;另一方面,引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化頻繁,多次接近臨界轉(zhuǎn)速,產(chǎn)生共振現(xiàn)象,軸承接觸軸承瓦發(fā)生摩擦,導(dǎo)致軸承升溫。此外,變頻運(yùn)行對(duì)軸承供油系統(tǒng)造成壓力,軸承摩擦次數(shù)頻繁,潤(rùn)滑油消耗較大,粘稠度也隨之下降,若得不到及時(shí)補(bǔ)充甚至?xí)斐蔁摺?/p>

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

采取的措施:

1) 加強(qiáng)冷卻。在軸承溫度高達(dá)80～85 ℃時(shí),啟動(dòng)第2臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī),由2臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)同時(shí)冷卻,注意觀察軸承溫度情況。若在同等負(fù)荷下,軸承溫度能夠保持不上升或下降,維持2臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行;若溫度同時(shí)上升,可能因冷風(fēng)系統(tǒng)阻力較大,2臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行達(dá)不到預(yù)期效果,應(yīng)改回1臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

2) 加強(qiáng)潤(rùn)滑。當(dāng)加強(qiáng)冷卻無(wú)效時(shí),應(yīng)加強(qiáng)潤(rùn)滑,通過(guò)潤(rùn)滑管路適當(dāng)向軸承補(bǔ)充油脂(一個(gè)軸承補(bǔ)油120 g左右)。由于新油脂補(bǔ)充時(shí)軸承溫度會(huì)短時(shí)升高,為避免觸及報(bào)警系統(tǒng),補(bǔ)油最好在風(fēng)機(jī)負(fù)荷及軸承溫度不太高時(shí)進(jìn)行。當(dāng)軸承溫度超過(guò)70 ℃時(shí),每升溫10～15 ℃時(shí)加油周期縮短一半,加油量適當(dāng)減少,如兩周一次,每個(gè)軸承加80 g左右,或一周一次,每個(gè)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(shí)可采用物理降溫的方式降低冷卻風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度,在風(fēng)機(jī)入口采用大風(fēng)量水簾式冷風(fēng)扇或移動(dòng)空調(diào)對(duì)吹,降低冷卻風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度。

4) 增加冷風(fēng)孔。運(yùn)行中要經(jīng)常檢查錐形冷風(fēng)罩大端法蘭上的12個(gè)冷風(fēng)孔是否被保溫材料或密封墊擋住,阻礙回風(fēng)。引風(fēng)機(jī)回風(fēng)冷風(fēng)孔為12個(gè),經(jīng)校核,目前回風(fēng)量較小,阻力較大,達(dá)不到冷卻效果,應(yīng)擴(kuò)孔增加至19個(gè)。

4　結(jié)　語(yǔ)

本文對(duì)680 MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)的變頻改造措施進(jìn)行了分析,并解決了“變切工”的技術(shù)難題,經(jīng)過(guò)理論評(píng)估和實(shí)踐,節(jié)能效果顯著,降低了維護(hù)工作量。同時(shí)對(duì)變頻改造后出現(xiàn)的問(wèn)題,提出了相應(yīng)解決方案。實(shí)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(zé)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?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析、運(yùn)行與控制。

TK223.26

A

2095-6843(2016)04-0347-04