昆钢25MW发电机组煤气锅炉引送风机变频改造实施经验

一、引言
         1．概述
         昆钢25MW煤气发电机组是余热余能利用项目，利用高炉、焦炉富裕煤气燃烧发电。由于高炉煤气和焦炉煤气供气比例变化，相应的辅机的流量也要跟随进行调节。自投产以来该机组引、送风机的风量调节方式是采用风机进风挡板节流调节，由于这种原始的调节方法仅仅是改变通道的流通阻力，而驱动源的输出功率并没有改变，浪费了大量电能，致使厂用电率高，供电标煤耗高，发电成本不易降低，选择合适的节能设备对引送风机进行节能改造成为昆钢的共识。
       变频调速技术是当代最先进的调速技术，它不仅能够为我们提供舒适的工艺条件，满足用户的使用要求，更重要的是这项技术应用在风机、泵类等具有平方转矩特性的负载时，可以节约大量的电能。
        2．风机使用工况
        25MW煤气发电机组设计使用710kw引风机两台，450kw送风机一台，电压等级为6kv。送风机设计流量182160m3/h、引风机设计流量332906m3/h。
        引、送风机负荷情况：
       （1）当焦气用量>30%，高气用量<70%时，送风挡板开完并通过送风再循环风管（φ600）回30%，引风挡板开度为70%，此时发电机负荷为：2.7万kW； 
       （2）当焦气用量<30%，高气用量>70%时，送风挡板开完并通过送风再循环风管（φ600）回5%－10%，引风挡板开度为85%－98%(此种情况在日常运行中占多数时间)，此时发电机负荷为：2.7万kW。改造前引、送风机的挡板开度由操作人员根据焦气与煤气的混合比手动调节。
        送风机当前启动方式为全压直接启动；引风机当前启动方式为水电阻降压启动。
二、项目实施情况
        1．节电潜力测评
        根据25MW煤气发电机组的生产过程、生产环境等诸多因素，为保证每台设备的改造达到预期的效果，对风机在不同工况下的运行情况进行了测试，了解设备的节能潜力。
      （1）运行情况简述
       锅炉送、引风机作为锅炉高效、安全运行的重要环节。设计时，一般锅炉送、引风机的富裕量较大。当锅炉负载轻时，必须对鼓、引风机实行流量调节。热电厂对鼓、引风机的流量调节通过调节阀来实现。
    本次对鼓、引风机在两种工况下的运行情况进行了测试。
        引/送风机电机铭牌参数 


       （2）节电分析
         A、送风机
         原系统工况：
         阀门开度94%时电机的输入功率为：450 x 68.9% = 310kw；
         阀门开度46%时电机的输入功率为：450 x 41.66% = 187.5kw；
         电机的平均输入功率为：249kw。
         采用变频器后的工况：
         风机的额定有效功率：182160 x 6160/(3600 x 102 x 9.8) = 312kw；
         采用变频器后按平均输出频率70%（35Hz），此时风机的有效功率为：312 x 0.73 = 107kw;
         风机的输入功率为(风机效率按70%估算)：107 / 0.7 = 153kw；
         电机效率按80%估算；
         变频系统综合效率为：95%；
         得到系统的输入功率为：153 /（0.8 x 0.95）= 201kw
         采用变频器后的节电率计算：（1–201/249）x100%=20%
         年节电计算：
        按全年运行7000小时计，每年就节电一项可节省电费（按每度电0.45元）：  7000 x 0.45 x 249 x 20% = 156,870.00元。
        B、引风机
        原系统工况：
        阀门开度89%时电机的输入功率为：608.87kw；
        阀门开度59%时电机的输入功率为：324.88kw；
        电机的平均输入功率为：467kw。
        采用变频器后的工况：
        风机的额定有效功率：332906 x 4830/(3600 x 102 x 9.8) = 447kw；
        采用变频器后按平均输出频率75%（38Hz），此时风机的有效功率为： 447 x 75%= 188.6kw。
        风机的输入功率为(风机效率按70%估算)：188.6 / 0.7 = 269kw；
        电机效率按80%估算；
        变频系统综合效率为：95%；
        得到系统的输入功率为：269 /（0.8 x 0.95）= 354kw。
        采用变频器后的节电率计算：
        (1–354/467)x100%=24%
        年节电计算：
        按全年运行7000小时计，每年就节电一项可节省电费（按每度电0.45元）：7000 x 0.45 x 467 x 24% = 353,052.00元
        通过对引、送风机的现场测试、工艺分析和对相关数据的计算和节能分析可以看出，对其进行变频节能改造是可行的。
2．改造方案的确定
        通过对引、送风机的节能潜力测评，进一步了解到引送风机具有的节电潜能，最终通过招标采购选择北京利德华福电气技术有限公司为设备供货商，选用一台HARSVERT-A06/085型高压变频器对引风机进行变频改造，选用一台HARSVERT-A06/055型高压变频器对送风机进行变频改造。
        送风机变频控制为一拖一手动工/变频切换方案，配备一台变频器。变频调速系统接于6.3 kV电压等级的厂用电电源系统，用于电动机的变频调速。变频调速系统可在现场进行控制，也可通过上级计算机系统远程控制，根据运行工况按变频器自身设定程序，实现对引、送风机电动机转速控制。引、送风机高压变频一次系统的原理如下图所示。

    

        其中QF表示高压开关、TF表示高压变频器、M1和M2表示引风机电动机、M3表示送风机电动机； QF1、QF2、M1、M2、M3为现场原有设备。QS2和QS3之间、QS5和QS6之间、QS8和QS9之间均存在机械闭锁关系，防止变频器输出侧与6kV电源侧短路。
        引风系统正常运行时，断开QS3、闭合QF1、QS1、QS2开关，1＃引风机处于变频运行状态；2＃引风机处于工频备用状态。当1＃引风机变频运行故障跳闸时，2＃引风机投入变频运行，1＃引风机处于工频备用状态。
3．DCS系统与变频器的接口设计
        25MW发电机组采用Delta-V DCS控制系统，为确保改造后系统运行的稳定可靠以及改造工作的一次成功，我们组织相关技术人员对DCS系统与变频器的接口设计作了多次讨论，形成一致意见认为：
    （1）原DCS系统空置的I/O点不足以满足本次改造的需要，增加I/O模块存在着需增加系统授权等繁琐手续，且在较短的停产时间内完成DCS系统程序的改动存在较大的风险，不宜在DCS系统上完成大量的变频器接口控制功能。同时，为考虑减轻操作人员的工作量，变频器的调速操作功能在原DCS系统实现，增加两个变频器调速操作的弹出式窗口；
    （2）基于原DCS系统空置的I/O点不足的原因，考虑新上一套PLC系统来完成与变频器的控制接口，主要承担变频器的启/停操作、实时数据监测、报警监控、变频器旁路开关与高压断路器的联锁控制以及工/变频切换时水阻降压启动装置的切换控制等工作；
    （3）由于变频器本身是一个谐波干扰源，为避免变频器产生的谐波干扰危机到整个机组的安全运行，新增PLC系统的设计在远端（与变频器接口部分）可采用硬接线方式连接，而在近端（与DCS接口部分）采用网络通讯方式，杜绝变频器谐波串入DCS系统。
        根据上述思路，本次改造采用一套独立的PLC变频控制系统来实现改造所需完成的各项功能。主要设备包括：上位监控计算机系统、PLC主控站、PLC远程站和数据通讯网络。PLC系统采用SIEMENS公司S7-300+ET200系统设备，系统主要结构框图如下图所示。

        高压变频器本身是一项成熟产品，现场不需做大量的调试调整，因此整个改造工作的难点就集中在变频器与原有控制系统的接口上。在我厂25MW机组高压变频节电改造中，由于我们提前考虑到这一细节，在设计上新增了一套变频监控PLC系统以实现变频器与DCS系统的柔性连接，使得大量的接口调试工作可以在静态情况下（变频器未送电前）完成，变频器在较短的时间就能够投入使用，改造一次成功。
三、项目实施最终实测效果
        引送风机变频节电改造后经过一个月时间的运行，经过云南省能源利用监测中心测试，系统达到了预期的效果：实施变频改造后，厂用电有明显下降，设备均实现了软起动，改善了设备的运行工况，极大地减轻了设备起动时对供配电系统的冲击。改造前后的实际测量数据对比结果如下：

         实施变频节电改造后，使电机总输入功率由原来的974.37kW降至680.88kW，节电功率为293.49kW，节电率达30.12%，年可节电234.79万kWh(运行时间按8000小时/年计)，节约电费105万元(电费按0.45元/kWh计)，运行两年多来实际每天节电约7044kWh,节电效果十分明显。
四、总结
    本项目高压变频改造工程于2007年1月8日开始，经过精心组织，利用2007年1月12日至16日六高炉检修和25MW发电机组停机检修的间隙实施完成了两台高压变频器的安装调试工作。
       此次改造的成功，使我们对高压变频调速技术在实际应用中的种种担忧得到了圆满的解决，同时也为我厂实施高压变频节能改造项目积累了丰富的实践经验。