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摘要:循環(huán)流化床鍋爐作為新一代節(jié)能燃燒設(shè)備在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用,對促進節(jié)能增效和經(jīng)濟安全生產(chǎn)具有積極的意義。引風(fēng)機是有效調(diào)節(jié)循環(huán)流化床鍋爐供熱量和控制爐膛負壓的重要設(shè)備。以某熱電廠循環(huán)流化床鍋爐為例,對鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)引風(fēng)機運行工況進行分析,在對不同工況下引風(fēng)機節(jié)流調(diào)節(jié)特性進行分析的基礎(chǔ)上,基于變頻調(diào)速技術(shù)對引風(fēng)機運行調(diào)節(jié)方式進行改造和優(yōu)化。實踐表明,變頻調(diào)速技術(shù)在提高引風(fēng)機調(diào)節(jié)性能和節(jié)能降耗方面具有顯著的效果和良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速;引風(fēng)機;循環(huán)流化床鍋爐;節(jié)能
循環(huán)流化床鍋爐(circulatingfluidizedbedboil-er,CFBB)技術(shù)是最近三、四十年才在國際上興起的一種節(jié)能高效和低污染的鍋爐燃燒技術(shù),具有燃料適應(yīng)性廣、負荷調(diào)節(jié)性能好以及燃燒效率高等特點,被廣泛應(yīng)用于煤礦、電站以及廢棄物處理等領(lǐng)域。通常情況下,對于煤粉鍋爐和其他一般燃燒鍋爐來說,鍋爐風(fēng)機的風(fēng)量和風(fēng)速控制主要采用調(diào)節(jié)風(fēng)門和擋板的開度大小對鍋爐爐膛壓力、風(fēng)機風(fēng)速和風(fēng)量等指標(biāo)進行控制,風(fēng)機一直是處于全速運轉(zhuǎn)的狀態(tài);其運行工況和生產(chǎn)負荷的變化之間沒有直接的關(guān)系。循環(huán)流化床鍋爐因為其獨特的燃燒特性,對于風(fēng)機風(fēng)量和風(fēng)壓的控制要求更高。出于節(jié)能降耗的迫切需要,從鍋爐燃燒的經(jīng)濟性和安全性角度出發(fā),如何有效合理的匹配鍋爐風(fēng)機送風(fēng)量和燃料量,確保鍋爐風(fēng)機引風(fēng)量和一次風(fēng)量相配合,對于循環(huán)流化床鍋爐高效低耗和安全運行具有重要的意義。李志偉等[1]針對鍋爐一次風(fēng)機、二次風(fēng)機在不同負荷下進行了黏液調(diào)速改造研究;并對改造前后的功率進行了對比分析。陽紹偉等[2]根據(jù)風(fēng)機相似理論,結(jié)合風(fēng)機性能曲線和風(fēng)道阻力特性曲線對風(fēng)機在變工況條件下的節(jié)能調(diào)節(jié)原理進行了分析研究。在前人研究成果的基礎(chǔ)上,本文以某熱電廠75t/h循環(huán)流化床鍋爐為例,創(chuàng)新性地應(yīng)用“高壓變頻器+低壓電動機”調(diào)速方案對傳統(tǒng)的風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)設(shè)計進行改造優(yōu)化;并對兩種方案在不同工況下的運行參數(shù)和變頻改造前后的節(jié)能效果進行對比分析,證明了變頻改造在循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)機節(jié)能改造中的實用價值。
1循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)機系統(tǒng)及運行工況分析
1.1循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)機系統(tǒng)概述鍋爐風(fēng)機常見于鍋爐燃燒系統(tǒng)、給風(fēng)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)中。循環(huán)流化床鍋爐在燃燒過程中會在其燃燒室內(nèi)產(chǎn)生大量的床料,床料的流化、爐渣的排放以及煙灰的輸送等環(huán)節(jié)基本上都是靠風(fēng)來實現(xiàn)的。因此,循環(huán)流化床鍋爐區(qū)別于其他一般類型鍋爐的典型特點之一就是具有更為復(fù)雜的風(fēng)系統(tǒng),風(fēng)機種類繁多;其運行情況直接影響循環(huán)流化床鍋爐的經(jīng)濟、安全運行。循環(huán)流化床鍋爐的風(fēng)系統(tǒng)主要包括燃燒用風(fēng)和輸送用風(fēng)系統(tǒng)兩個部分,常用到的設(shè)備主要有一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機、點火風(fēng)機和播煤風(fēng)機等風(fēng)機設(shè)備。其中,一次風(fēng)機、二次風(fēng)機和引風(fēng)機是循環(huán)流化床鍋爐的主要耗電輔機設(shè)備[1],在床料流化、助燃和維持爐膛負壓、平衡爐膛通風(fēng)等方面發(fā)揮著重要的作用。典型循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)機系統(tǒng)如圖1所示。在循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)機系統(tǒng)中,一次風(fēng)機多為容量較大的高壓風(fēng)機,在鍋爐工作中用途最多、功率最大,一次用風(fēng)量占鍋爐總風(fēng)量的比重高達65%以上。相比之下,二次風(fēng)機的容量一般較小,所產(chǎn)生的風(fēng)量一般為總風(fēng)量的30%左右[2]。二次風(fēng)機送出的風(fēng)主要經(jīng)過空氣預(yù)熱器進行加熱以后,由二次風(fēng)口送入燃燒室,利用所攜帶的氧氣起到爐內(nèi)助燃的作用;同時,二次風(fēng)還能夠有效地調(diào)整爐內(nèi)溫度場的分布,防止和避免局部煙氣溫度過高;引風(fēng)機在循環(huán)流化床鍋爐工作過程中主要起到維持爐內(nèi)負壓、保證爐膛內(nèi)通風(fēng)平衡的作用;同時,將爐膛床料燃燒后所產(chǎn)生的煙氣從鍋爐中抽出,經(jīng)除塵裝置除塵后由煙囪排入大氣。通常情況下,引風(fēng)機主要采用低壓頭大流量的離心風(fēng)機,是確保循環(huán)流化床鍋爐安全運行必不可少的設(shè)備之一。
1.2循環(huán)流化床鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)引風(fēng)機運行工況分析循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)機系統(tǒng)在運行過程中的動力設(shè)備主要采用三相異步電動機。這種高耗能設(shè)備啟動電流大,且輸出功率和消耗能量一般不會隨著負荷的變化而變化,通常情況下風(fēng)機的性能主要通過調(diào)節(jié)擋板和風(fēng)門開度大小來調(diào)節(jié),當(dāng)運行工況發(fā)生變化時,風(fēng)門、擋板的節(jié)流損失很大,從而造成嚴(yán)重的能量損耗。為了對循環(huán)流化床鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)引風(fēng)機的運行工況及性能進行分析,以某熱電廠1#爐一臺額定蒸發(fā)量為75t/h的循環(huán)流化床鍋爐為例,對不同運行工況下鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)兩臺離心式引風(fēng)機的運行狀態(tài)和性能參數(shù)進行研究,其1#爐煙風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。1#鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)引風(fēng)機型號為SFYX75—1No19.5D,風(fēng)壓4272Pa,風(fēng)量159215Nm3/h(Nm3指在0℃、1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體體積),轉(zhuǎn)速為960r/min。引風(fēng)機配套三相異步電動機型號為Y400—6,額定功率315kW,額定電流36.4A,額定電壓6kV。1#爐在設(shè)計建造時主要采用傳統(tǒng)的方式,通過調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板的相對開度進行風(fēng)量和節(jié)流調(diào)節(jié),主要包括進口風(fēng)門調(diào)節(jié)和出口風(fēng)門調(diào)節(jié)兩種類型,引風(fēng)機則主要采用定速運行的方式。引風(fēng)機在運行狀態(tài)下的性能參數(shù)主要有風(fēng)量、風(fēng)壓、功率、效率和轉(zhuǎn)速等等。根據(jù)鍋爐引風(fēng)機的工作運行數(shù)據(jù)可以通過繪制風(fēng)壓、功率以及效率和引風(fēng)機風(fēng)量之間的關(guān)系曲線,對引風(fēng)機的工作范圍和設(shè)計工況等進行分析,一般來說主要包括風(fēng)量-風(fēng)壓曲線、風(fēng)量-功率曲線和風(fēng)量-效率曲線[3]。通常采用風(fēng)量-風(fēng)壓曲線來表征鍋爐引風(fēng)機的工作特性。鍋爐燃燒排煙過程中煙道阻力主要產(chǎn)生于鍋爐水平煙道、尾部煙道、除塵器以及脫硫裝置等等,根據(jù)引風(fēng)機運行特性以及煙氣側(cè)阻力特性,可得到循環(huán)流化床鍋爐引風(fēng)機節(jié)流調(diào)節(jié)特性曲線如圖3所示。隨著循環(huán)流化床鍋爐負荷的變化,在傳統(tǒng)的風(fēng)機節(jié)流調(diào)節(jié)方式下,引風(fēng)機的轉(zhuǎn)速不變,需要對風(fēng)門擋板的相對開度進行調(diào)節(jié)以獲得不同的風(fēng)量,風(fēng)道阻力特性曲線將會發(fā)生變化,隨著鍋爐負荷的減少,通過節(jié)流調(diào)節(jié)能夠獲得較少的風(fēng)量,但是管道內(nèi)管網(wǎng)阻力和風(fēng)壓將會增大。在此過程中,風(fēng)門擋板開度減少將會消耗掉一部分風(fēng)機功率,產(chǎn)生較大的節(jié)流和渦流損失。在不同鍋爐負荷下,通過調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板開度所得到的擋板調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)表1所示,在引風(fēng)機定速運行狀態(tài)下,引風(fēng)機的實際氣動性能要高于循環(huán)流化床鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)對引風(fēng)機的實際性能要求,采用傳統(tǒng)的節(jié)流擋板調(diào)節(jié)方式,引風(fēng)機長期處于低效高耗能狀態(tài)運行,能源浪費現(xiàn)象非常嚴(yán)重,無法滿足和適應(yīng)節(jié)能減排的行業(yè)要求和主流發(fā)展趨勢,因此,有必要對引風(fēng)機的節(jié)能降耗和性能優(yōu)化進行研究。
2基于變頻調(diào)速技術(shù)的循環(huán)流化床鍋爐引風(fēng)機節(jié)能改造分析
2.1風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能控制原理變頻調(diào)速技術(shù)是一種以改變電機頻率和改變電壓來達到電機調(diào)速和調(diào)節(jié)負荷目的的技術(shù)。變頻調(diào)速節(jié)能控制具有調(diào)節(jié)性能好、控制精度高和節(jié)能效果顯著等特點,因此被廣泛應(yīng)用于電機低負荷運行的機組中。風(fēng)機是一種利用電動機的軸功率來進行氣體傳送的機械裝置,風(fēng)機的變頻調(diào)節(jié)主要是利用風(fēng)機的相似定律,在不改變風(fēng)道阻力特性曲線的情況下,通過調(diào)節(jié)風(fēng)機運行速度改變風(fēng)機的性能曲線,達到調(diào)節(jié)風(fēng)機運行工況的目的[4]。當(dāng)風(fēng)機電動機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時,在不考慮風(fēng)道變化因素情況下,循環(huán)流化床鍋爐中的一次風(fēng)機、二次風(fēng)機和引風(fēng)機的風(fēng)量Q、風(fēng)壓H與機械軸功率P分別與電動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速的平方以及轉(zhuǎn)速的三次方成正比,有:式中:Q1、Q2、H1、H2、P1、P2為風(fēng)機轉(zhuǎn)速為n1、n2時的風(fēng)量、風(fēng)壓、軸功率。如圖4所示為風(fēng)機變頻調(diào)速控制前后管網(wǎng)的特性曲線。在電動機轉(zhuǎn)速為n1,已知風(fēng)機特性曲線上一工況點A對應(yīng)的風(fēng)量為Q1,當(dāng)鍋爐負荷發(fā)生變化,需要將風(fēng)量由Q1降低至Q2,如果采用傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板的辦法,則將會增加管網(wǎng)的阻力,管網(wǎng)特性曲線將會向上移動,鍋爐風(fēng)機系統(tǒng)的運行工況將會由A點移動至B點,所需軸功率P2∝SH2×Q2,SH2×Q2指(H2,Q2)點的通流面積H2Q2;當(dāng)采用變頻調(diào)速控制,直接改變風(fēng)機電動機的轉(zhuǎn)速,則管網(wǎng)特性不受影響,轉(zhuǎn)速由n1降至n2,風(fēng)機特性曲線將向下移動,原運行工況點將由A點移動至C點,所需軸功率P3∝SH3×Q2,SH3×Q2指(H3,Q2)點的通流面積H3Q2,電機的軸功率顯著下降。相對于傳統(tǒng)的擋板節(jié)流控制,在變頻調(diào)速控制下所節(jié)約的軸功率ΔP∝S(H2-H3)×Q2,表示節(jié)約軸功率正比于面積(H2-H3)Q2。實踐統(tǒng)計顯示,在考慮風(fēng)機減速以后必要的效率下降和調(diào)速裝置的附加損耗以后,采用變頻調(diào)速控制約可以節(jié)能30%~35%左右,節(jié)能效果明顯。
2.2循環(huán)流化床鍋爐引風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能改造方案及實施經(jīng)過綜合調(diào)研分析,采用“高壓變頻器+低壓電動機”調(diào)速方案改造傳統(tǒng)的風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)設(shè)計,采用HIVERT—Y06/173型高壓變頻器三相Y聯(lián)接直接給電動機供電。高壓變頻器自帶的“商用電切換”功能能夠?qū)ψ冾l和工頻電源實現(xiàn)無擾切換,當(dāng)變頻裝置出現(xiàn)問題時能夠立刻斷開進、出線開關(guān),隔離變頻器,同時將電源自動切換至工頻電源,大大增強了鍋爐運行的安全性和穩(wěn)定性。根據(jù)中國工業(yè)用電電壓等級標(biāo)準(zhǔn),高壓變頻器主要是指采用3kV、6kV和10kV幾個電壓等級的變頻器,某熱電廠廠用電壓采用6kV,經(jīng)改造后1#鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)引風(fēng)機變頻器接線圖如圖5所示。圖5中,虛線框內(nèi)為引風(fēng)機改造變頻器裝置,采用一拖一自動旁路裝置,空氣隔斷器QF為原引風(fēng)機高壓開關(guān)斷路器,KM1、KM2和KM3為變頻器內(nèi)部的真空接觸器,QS1和QS2為變頻器內(nèi)部手動隔離開關(guān)。變頻運行時,6kV電源經(jīng)過高壓開關(guān)斷路器QF、引風(fēng)機變頻器電源側(cè)開關(guān)KM1和電源側(cè)隔離開關(guān)QS1進入高壓變頻調(diào)速裝置,其中移相變壓器的主要功能在于將接收到的高電壓經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸出低電壓并將其輸入功率模塊,采用多重化設(shè)計能夠抵消變壓器各繞組之間的諧波電流,減弱直至消除配置變頻器所引起的電網(wǎng)諧波污染;變頻調(diào)速裝置輸出經(jīng)過負荷側(cè)隔離開關(guān)QS2和KM2輸送至電動機。正常運行情況下,KM1、KM2、QS1和QS2閉合,引風(fēng)機通過變頻器實現(xiàn)變頻節(jié)能運行。系統(tǒng)改造后,高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)有自動閉鎖系統(tǒng),運行狀態(tài)下,電源側(cè)隔離開關(guān)QS1和負荷側(cè)隔離開關(guān)QS2不能操作,KM2、QS2和旁路開關(guān)KM3之間互相閉鎖,即在引風(fēng)機正常工作狀態(tài)下,不能通過手動操作實現(xiàn)變頻運行向工頻運行的轉(zhuǎn)換。當(dāng)高壓變頻器出現(xiàn)運行故障時,系統(tǒng)將自動從變頻運行切換至工頻運行,旁路開關(guān)KM3閉合,確保風(fēng)機持續(xù)運行。功率單元包括三相全橋整流器、濾波電容器組合絕緣柵雙擊半導(dǎo)體逆變橋等等,是整套變頻裝置實現(xiàn)變壓變頻輸出的基本單元,相當(dāng)于一臺交-直-交電壓型單向輸出的低壓變頻器。功率單元主要通過控制絕緣柵雙擊半導(dǎo)體的運行狀態(tài),對外輸出脈沖寬度調(diào)制信號[5]。不同的功率單元之間都有確定的相位偏移,以保證對外輸出正弦階梯狀PWM波。對原1#爐煙風(fēng)系統(tǒng)引風(fēng)機實施變頻調(diào)節(jié)后,主要通過DCS系統(tǒng)對引風(fēng)機實施變頻調(diào)速控制,根據(jù)鍋爐煙氣溫度、鍋爐蒸汽溫度和負壓等模擬參數(shù)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)輸出值并自動反饋給變頻器,由變頻器根據(jù)信號對引風(fēng)機電動機的轉(zhuǎn)速進行自動調(diào)節(jié),實現(xiàn)節(jié)能運行的目的。
2.3引風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)效果分析2.3.1引風(fēng)機運行故障控制效果分析1#循環(huán)流化床鍋爐引風(fēng)機的變頻器控制電源采用直流和交流雙路供電設(shè)計,變頻器控制電源和主電源之間是相互獨立的。當(dāng)交流電源出現(xiàn)故障時,依靠UPS或者直流供電仍然能夠保持引風(fēng)機正常工作。除此以外,在變頻器裝置中配置有單元旁路功能,在DCS控制系統(tǒng)出現(xiàn)輸出信號故障或者其他局部故障的情況下,利用故障單元旁路減少因變頻器故障造成的停機次數(shù),從而降低系統(tǒng)停產(chǎn)經(jīng)濟損失[5]。實踐表明,利用變頻調(diào)速技術(shù)對引風(fēng)機進行節(jié)能改造后,煙風(fēng)系統(tǒng)運行的安全性大大提高,鍋爐運行的自動投入率顯著上升。2.3.2節(jié)能效果分析采用傳統(tǒng)的風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)方式對引風(fēng)機風(fēng)量進行調(diào)節(jié),隨著鍋爐負荷和所需風(fēng)量的減小,引風(fēng)機的運行效率急速下降,風(fēng)機擋板節(jié)流損失較大。基于變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量,變頻調(diào)速裝置是根據(jù)風(fēng)機流量特性實現(xiàn)對系統(tǒng)的變速變流量控制[6]。根據(jù)式(3)可知,引風(fēng)機功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速減少風(fēng)機風(fēng)量,風(fēng)機軸功率將以轉(zhuǎn)速的三次方遞減,能夠有效地節(jié)約電能。變頻調(diào)節(jié)方式下引風(fēng)機管網(wǎng)特性曲線如圖6所示。風(fēng)機運行工況點及風(fēng)機本身特性曲線和管網(wǎng)特性曲線的交點,在變頻調(diào)節(jié)下,管網(wǎng)特性曲線不變,隨風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),風(fēng)機本身特性曲線發(fā)生變化,則風(fēng)機運行工況點隨之發(fā)生變化[7],由圖6可知,當(dāng)風(fēng)機電動機轉(zhuǎn)速下降,則風(fēng)機工況點向下移動,引風(fēng)機軸功率逐漸減小。1#鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)引風(fēng)機經(jīng)變頻調(diào)節(jié)改造后運行基本穩(wěn)定,在不同負荷下引風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知,變頻調(diào)節(jié)后,與風(fēng)門擋板節(jié)流調(diào)節(jié)方式相比,在相同的工況下風(fēng)機全風(fēng)壓和電動機功率下降幅度較大,引風(fēng)機運行效率基本變化不大。從引風(fēng)機耗電量指標(biāo)來看,在變頻調(diào)速控制下,引風(fēng)機耗電量約相當(dāng)于擋板節(jié)流調(diào)節(jié)控制下的65%~70%,節(jié)能約30%~35%,如圖7所示。可見,采用變頻調(diào)速技術(shù)改造后,引風(fēng)機節(jié)能效果顯著。除此以外,1#循環(huán)流化床鍋爐引風(fēng)機經(jīng)變頻改造后,高壓變頻器在實際運行過程中狀態(tài)穩(wěn)定。電機在變頻啟動下,啟動電流相對于工頻啟動較低,僅相當(dāng)于電機額定電流的1~1.5倍,減弱了設(shè)備啟動時的沖擊力,從而能夠有效延長系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命。變頻調(diào)節(jié)方式下對提高引風(fēng)機功率因數(shù)、減少對電網(wǎng)沖擊和干擾、改善系統(tǒng)設(shè)備運行條件等方面都具有積極的影響[8]。
3結(jié)論
風(fēng)機系統(tǒng)是循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)的重要組成部分,在鍋爐燃燒運行過程中發(fā)揮著重要的作用。傳統(tǒng)的節(jié)流擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量的做法主要依靠調(diào)節(jié)風(fēng)門開度、增加阻力的方法實現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)節(jié),管道特性發(fā)生改變,風(fēng)量線性度不佳,風(fēng)量調(diào)節(jié)經(jīng)常出現(xiàn)異常情況。除此以外,傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)節(jié)方式下調(diào)節(jié)擋板前后壓差較大,風(fēng)機風(fēng)量和風(fēng)壓富裕度過大,實際工況點遠低于設(shè)計值,存在較大的渦流和節(jié)流損失。實踐表明,基于變頻調(diào)速控制的鍋爐風(fēng)機系統(tǒng)改造對實現(xiàn)鍋爐運行節(jié)能降耗和提高鍋爐系統(tǒng)運行工況具有顯著的作用,變頻調(diào)速控制是在不改變管道特性的情況下通過調(diào)節(jié)風(fēng)機電動機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對風(fēng)量的調(diào)節(jié)控制,風(fēng)門擋板處于全開的狀態(tài)。相對于傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)節(jié)方式,變頻調(diào)節(jié)技術(shù)能夠保證風(fēng)機一直維持在高效點運行,節(jié)能率高達30%~40%,因此,變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機節(jié)能改造方面擁有較好的發(fā)展前景和實用價值。
參考文獻
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作者:陳寶怡 趙偉杰 單位:河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院