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火力发电厂采用变频器可以有效实现节能降耗

1 引言

  一次能源是不可再生的国家资源,节约是国家的基本国策。节能降耗则是国家的长远方针。温家宝总理2006年3月5日在全国人民代表大会第四次会议政府工作报告中提出:2006年国民经济和社会发展的主要预期目标是国内生产总值增长8%左右,单位国内生产总值能耗降低4%左右。十一五规划《纲要(草案)》提出了十一五期间单位国内生产总值能源消耗降低20%。火电厂是生产供应电能的重要企业,同时又是电能消耗较大的企业。对发电企业说来,降低能源消耗20%,包含着发电煤耗和厂用电率两部分。这里发电煤耗姑且不论,厂用电率降低20%也是个可观的数字。

2 全国火电厂厂用电率降低20%的意义

  全国火电厂厂用电率降低20%,就相当于新增6200mw装机容量,节约标准煤1300万t。

  近年来设计建设的发电工程与老旧机组比应该是更先进更节能的,应该是代表我国当前机组的先进水平的。初步统计300mw-600mw机组设计厂用电率在6~7%,200mw及以下机组一般在7~8%,老旧机组厂用电率一般高于8~9%,2005年末我国装机容量已达到5亿kw(摘自2005年12月30日经济日报),其中水电机组1亿kw,火电机组4亿kw,火电机组中300mw以上机组占42%,300mw以下机组为58%,若300mw以上机组厂用率平均按6.5%,300mw以下机组厂用电率平均按8.5%计,则平均厂用电率为7.7%,其厂用电为3100万kw,若按照十一五规划《纲要(草案)》要求能源消耗降低20%(7.7%20%=1.54%),则可节约6200mw,相当于新增6200mw装机容量。新建300-600mw机组造价平均按3800元/kw计,可折合人民币240亿元。可见,如能将全国火电机组的厂用电率,在原有基础上降低1.54%(从7.7%降到6.16%),就相当于新增6200mw装机容量(2004年全国平均供电煤耗为387g/kw。这里以380g/kw计,节约620万kw则年节约标准煤1300万t),也就相当于节约240亿元投资,相应地降低了土地占用及相应的煤、电消耗,也相应地降低水资源和相应的材料、机电设备等。

3 火力发电厂辅机节能分析

  火力发电厂辅机很多,6.5~8.5%的自用电量都是这些辅机消耗的。如果抓住了辅机的节能降耗,降低了每台辅机的单耗就达到了节能降耗的目的。

  纵观火力发电厂辅机,不外有两种状态,一是需要调节的风机、泵类平方转矩负载(送、引风机,凝结水泵等),一是不需要调节的恒转矩负载(如球磨机、输煤皮带等)。当前国内运行中和新建、在建中的火力发电厂,除个别辅机采用了液力耦合器(与先进的变频调速比较液力耦合器也属于高能耗设备)或极少数辅机采用了变频器调节外,大多沿用着应加快淘汰的高耗能(节流调节)工艺和设备。

  节流调节是在风机、水泵特性曲线为不变的条件下,改变风机、水泵出口门(或入口的门)进行调节,即改变管道特性曲线进行调节,这一调节方式的损耗是很大的。

  变频调节是在管道特性不变的条件下,通过改变转速而改变特性曲线,来进行调节的。由于风机和水泵的耗电量是和其转速的三次方成正比的,所以其节电量是很可观的。由相似定律知,采用变频调节的电动机的功耗为:n=(n/n0)3n0

  式中: n0 额定转数时的实际耗电量;

  n0 额定转数;

  n 调节后的转数;

  n 调节后对应n转数时的实际耗电量。

  变频调节时的节电量为:

  n=n0-(n/n0)3n0

  变频调节时节电量用百分数表示则为:

  n%=(1-n3/n03)100%

  由上式,若转速较额定转速下降到90%,则n%=27.1% 下降到80%,则n%=48.4%,可见,变频调节的节电率是很高的,这一点从节流调节与变频调节的特性曲线上也可以得到证明,如图1所示。

  

  图1 风机水泵特性曲线

  通过上述分析,可以证明,变速调节的优点就是节能。要实现火电厂的节能降耗,对老旧机组来说,就是对辅机进行变频调速改造,对新建扩建电厂来说,就是要采用变频调节代替传统的调节方式。

  o,h0,m0,q0围成的面积是额定工况(n=1440r/min)下的耗电量,o,h1,m1,q1围成的面积为节流调节流量到q1时的耗电量,o,h1,m1,q1围成的面积是变速到n1=950r/min对应流量为q1时的耗电量。

4 火电厂各类辅机变频调节方案简介

  4.1 锅炉吸风机、送风机、排粉机、一次风机、烟气再循环风机等

  这类风机的运行方式都是连续的,不间断的,随负荷的变化要经常进行调整的,其调节频率是频繁的。这一运行方式就要求所采用的变频器应具有瞬停再启动功能和飞车启动功能。其变频调节方式有三种方案:

  (1)一拖一无工频旁路方案,如见图2所示。

  

  图2 一拖一方案

  (2)一拖一手动工频旁路方案如图3所示。

  

  图3 一拖一手动工频旁路方案

  (3)一拖一自动工频旁路方案如图4所示。

  

  图4 一拖一自动方案

  上述方案一的优点是回路简单,缺点是万一变频故障将影响风机停运;方案二的优点是万一变频器故障可切换到工频运行,但其缺点是必须降低锅炉出力,停止风机运行进行切换,切换后再工频启动运行;方案三的优点是可以在运行中进行变频与工频的互切,完全适应风机运行方式需要。

  4.2 汽机给水泵,凝结水泵等

  这类水泵一般均按机组容量选配为100%额定容量两台,或50%额定容量三台。其运行方式是一运一备或两运一备,运行中需要根据负荷进行频繁调节,根据这一运行特点则要求所采用的变频器具有瞬停再启动功能、飞车启动功能和工变频互切功能。其变频调节方式有三种方案:

  (1)一拖一方案(参见图2)。

  (2)一拖二方案如图5所示。

  

  图5 自动切换一拖二方案

  (3)一拖三方案如图6所示。

  

  图6 一拖三方案

  上述方案一的优点是回路简单不需要进行切换,每台泵都可变频运行,缺点是每台泵都需要装一台变频器,初投资较高;方案二的优点是节省一台变频器,节省投资,采用一台变频器通过切换每台泵都能变频运行,其缺点是回路较复杂;方案三的优点是节省两台变频器,节省投资,采用一台变频器通过切换,每台泵都能变频运行,其缺点是回路较复杂。

  4.3 灰浆泵、循环水泵、热网循环水泵等

  这类水泵一般都属并列运行方式,根据负荷需要运行一台或两台,另一台备用。这种母管制的系统无论几台泵都不需要一拖一安装变频器,只装一台变频器就足够了,一台运行时变频运行,两台运行时一台工频运行,一台变频运行,由变频泵进行调节。其结线方式可选用一拖二方案或一拖三方案(其结构和图5、图6相似,请参见图5和图6)。

  4.4 水泵、生活消防水泵、中间水泵、热网补水泵、除盐水泵、疏水泵、补水泵等

  这类水泵无论装有几台,均可采用一台变频器选用一变两定。一台运行时变频器运行时(如图7所示,两台运行时一变一定运行)或循环软启动接线方式,如图8所示。一台运行时变频运行,变频泵达到满出力时自动切换到工频运行,然后变频启动另一台泵,变频调节运行,一般可取压力或水位做反馈信号实现闭环自动控制。

  

  图7 一变两定方案

  

  图8 循环软启动方案

  4.5 低加疏水泵、加药泵、仪表空气压缩机、空气压缩机等

  这类泵和压缩机宜采用一拖一变频调节方式。

  4.6 输煤叶轮给煤机、锅炉給煤机、给粉机等

  这类机械属于恒转矩机械,应采用启动转矩较大的变频器,一拖一变频调速控制。

5 火力发电厂厂用电动机电压选择的商榷

  《火力发电厂厂用电设计技术规定》中规定当高压厂用电压为6kv 1级时,200kw以上的电动机可采用6kv;200kw以下宜采用380v。200kw左右的电动机可按工程的具体情况确定。有鉴于此,当前运行中的火力发电厂和新建扩建火力发电厂的200kw及以上电动机均采用6kv;200kw以下电动机均采用380v。这一规定按制订《火力发电厂厂用电设计技术规定》时的情况和条件,无疑是恰当的;但从当前国家提出降低能耗20%及应用变频器降低火电厂辅机单耗的实际出发,值得商榷。在变频器应用实践中,以200kw为例高压变频器是低压变频器价格的2~3倍,高压电动机造价是低压电动机造价的两倍。其高压开关柜也高于低压开关柜的两倍。因此,以200kw分界无疑增加了工程造价。有鉴于此,可否在今后工程设计中,将电压选择改为:当高压厂用电压6kv 1级时,630kw以上的电动机可采用6kv;630kw以下宜采用380v。这一选择既有利于推广应用变频器,又有利于降低工程造价。

6 实现变频技术改造节能降耗的关键是落实技改资金

  变频调速技术是当代先进、可靠、节能的调节方式;采用变频器能够大力降低火电厂厂用电率,实现节能降耗,对此人们是毫不怀疑的;但变频器的推广应用特别是高压大功率变频器的推广应用,尚处于认识归认识,应用归应用阶段。其关键是资金问题。对生产改造来说是技改资金问题;对新建扩建工程来说是控制千瓦造价问题。归根结底是资金问题。如果把节能降耗提高到环保的高度,如除尘、脱硫项目必须同步建设的高度,问题就好解决了。对待节能降耗也能像对待环保那样实行三同时方针,国家、政府、行业、设计、企业层层认真落实,十一五期间能源消耗降低20%左右的目标是能够实现的。

  国家有关部门应制定相应政策,像农网和城网改造那样,为火力发电企业安排节能改造贷款,分期摊入成本,这样有资金保证才能进行系统而有效的更新改造。农网、城网改造实践证明这一举措是行之有效的。

7 结束语

  对新建扩建火力发电厂则应从设计上加以控制,其办法是由国家相应部门做出法制性规定:在十一五期间投产的新建扩建机组,其厂用电率都要比运行中的相同容量机组的厂用电率降低20%。这样,千瓦造价增加2~3%,用于更新改造就足够了。经验证明初投资增加部分,在投产后2-3年内即可收回。

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