第四節(jié) 脫硫增壓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造（上）
1 引言
隨著國家環(huán)保部門對電廠煙氣排放指標(biāo)的考核和監(jiān)督越來越嚴(yán)格，電廠正進(jìn)行大規(guī)模的脫硫系統(tǒng)改造或新建工程，增壓風(fēng)機(jī)是發(fā)電機(jī)組鍋爐脫硫煙氣排放系統(tǒng)的重要設(shè)備。對增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造可以提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，進(jìn)而保證了機(jī)組脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，同時還能取得良好的節(jié)能效果，但由于增壓風(fēng)機(jī)的特殊要求，在改造中，應(yīng)針對增壓風(fēng)機(jī)在脫硫工藝系統(tǒng)中的運(yùn)行特點(diǎn)，注意相關(guān)技術(shù)問題，采取相關(guān)對策方能確保變頻改造的成功。
脫硫系統(tǒng)的作用是降低鍋爐排放煙氣中硫分的含量，以滿足環(huán)保要求。濕法煙氣脫硫工藝絕大多數(shù)采用堿性漿液或溶液作吸收劑，其中石灰石或石灰為吸收劑的強(qiáng)制氧化濕式脫硫方式是目前使用最廣泛的脫硫技術(shù)。石灰石或石灰洗滌劑與煙氣中SO2反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物硫酸鈣（石膏）在洗滌液中沉淀下來，經(jīng)分離后即可拋棄，也可以石膏形式回收。
鍋爐煙氣經(jīng)電除塵器除塵后，通過增壓風(fēng)機(jī)增壓后進(jìn)入吸收塔。在吸收塔內(nèi)煙氣向上流動且被向下流動的循環(huán)漿液以逆流方式洗滌，循環(huán)漿液則通過噴漿層內(nèi)設(shè)置的噴嘴噴射到吸收塔中，以便脫除SO2、SO3。與此同時在“強(qiáng)制氧化工藝”的處理下反應(yīng)的副產(chǎn)物被導(dǎo)入的空氣氧化為石膏，并消耗作為吸收劑的石灰石。循環(huán)漿液通過漿液循環(huán)泵向上輸送到噴淋層中，通過噴嘴進(jìn)行霧化，可使氣體和液體得以充分接觸，每個泵通常與其各自的噴淋層相連接。在吸收塔中，石灰石與二氧化硫反應(yīng)生成石膏，這部分石膏漿液通過石膏漿液泵排出，進(jìn)入石膏脫水系統(tǒng)。經(jīng)過凈化處理的煙氣流經(jīng)兩級除霧器除霧，在此處將清潔煙氣中所攜帶的漿液霧滴去除，同時按特定程序不時地用工藝水對除霧器進(jìn)行沖洗。在吸收塔出口，煙氣一般被冷卻到46~55℃左右，且為水蒸氣所飽和。通過加熱器將煙氣加熱到80℃以上，以提高煙氣的抬升高度和擴(kuò)散能力。最后，潔凈的煙氣通過煙道進(jìn)入煙囪排向大氣。
脫硫系統(tǒng)的組成如圖1所示，由以下及部分組成；
石灰石制備系統(tǒng)
吸收塔：由洗滌循環(huán)系統(tǒng)、除氧器和氧化工序組成。
煙氣系統(tǒng)：由脫硫增壓風(fēng)機(jī)（安裝位置在鍋爐引風(fēng)機(jī)之后，部分新建電廠設(shè)計(jì)中將引風(fēng)機(jī)容量加大，不再設(shè)置脫硫增壓風(fēng)機(jī)）、煙氣再熱系統(tǒng)（GGH）組成。
石膏脫水裝置
圖1 發(fā)電廠煙氣脫硫系統(tǒng)
近年來，火電廠進(jìn)行了大規(guī)模的脫硫系統(tǒng)改造或新建工程，電廠鍋爐進(jìn)行脫硫系統(tǒng)(FGD)改造后，每套FGD裝置進(jìn)口原煙氣側(cè)(高溫?zé)煔鈧?cè))配置了一臺增壓風(fēng)機(jī)，用于克服FGD擋板、吸收塔及內(nèi)部部件引起的煙氣壓降，脫硫煙氣壓力控制系統(tǒng)根據(jù)原煙氣擋板前的壓力，通過PID控制增壓風(fēng)機(jī)的葉片角度，來控制送入FGD系統(tǒng)的煙氣速度，保證原煙氣擋板前的壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，以適應(yīng)鍋爐負(fù)荷的變化。
增壓風(fēng)機(jī)為靜葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機(jī)，它根據(jù)煙氣系統(tǒng)正常運(yùn)行和異常情況可能發(fā)生的最大流量、最高溫度和最大壓損進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。風(fēng)機(jī)風(fēng)量和壓頭選取的原則為:基本風(fēng)量為鍋爐最大蒸發(fā)量(BMCR工況)下鍋爐燃用設(shè)計(jì)煤時的煙氣量，風(fēng)量裕度不低于10%，工作點(diǎn)(BMCR工況)對于失速線的偏離值為風(fēng)機(jī)在該葉片角度下失速流量的10%以上，另加不低于10℃的溫度裕度；風(fēng)壓裕度不低于20%，并能保證脫硫系統(tǒng)負(fù)荷變化時提供滿意的運(yùn)行調(diào)節(jié)。增壓風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)流量情況下的效率不小于85%。風(fēng)機(jī)有幾乎平坦的效率特性曲線，以保證在負(fù)荷變化時都有最佳的效率，并能在可能發(fā)生的最大流量，最高溫度和最大壓力損失的情況下正常運(yùn)行，沒有過量的振動和失速。但是從脫硫增壓風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況來看，還存在以下問題:
2.1 增壓風(fēng)機(jī)低負(fù)荷失速問題
從脫硫系統(tǒng)投運(yùn)后情況看，在機(jī)組半負(fù)荷或低負(fù)荷運(yùn)行的情況下，增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況容易落在失速曲線區(qū)域附近，造成風(fēng)機(jī)風(fēng)壓調(diào)整困難，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來安全隱患，持續(xù)運(yùn)行也將造成增壓風(fēng)機(jī)的損壞。究其原因分析主要是機(jī)組半負(fù)荷或低負(fù)荷運(yùn)行時煙道阻力與機(jī)組滿負(fù)荷時的阻力相比，煙氣流量與系統(tǒng)阻力并不成比例關(guān)系。從增壓風(fēng)機(jī)原煙道入口到煙塔出口整個煙氣系統(tǒng)阻力中,各煙氣管道段的阻力系數(shù)已知,煙氣流量與管道阻力成正比關(guān)系;但在煙冷器、吸收塔噴淋層、吸收塔除霧層中，存在一個相對固定的阻力，尤其噴淋層的阻力只與投入的層數(shù)相關(guān)，與煙氣流量關(guān)系不大，所以在整個氣體流程中煙氣流量與其阻力并不成正比關(guān)系。如圖1所示，對比增壓風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)與其特性曲線，可以看到增壓風(fēng)機(jī)在半負(fù)荷或低負(fù)荷的工況下，運(yùn)行工況點(diǎn)接近失速區(qū)。在進(jìn)行增壓風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)時，對上述情況可能考慮有所欠缺。
2.2 增壓風(fēng)機(jī)的節(jié)能問題
增壓風(fēng)機(jī)出力調(diào)整采用通過改變風(fēng)機(jī)的葉片的角度來調(diào)節(jié)。通過改變風(fēng)機(jī)靜葉的角度來調(diào)節(jié)風(fēng)量盡管比一般采用控制入口擋板開度來實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)節(jié)有一定的節(jié)能效果，但是節(jié)流損失仍然很大，特別是低負(fù)荷時節(jié)流損失更大，另由于節(jié)流調(diào)節(jié)，存在風(fēng)機(jī)運(yùn)行中振動、躁音等問題。同時異步電動機(jī)在啟動時啟動電流一般達(dá)到電機(jī)額定電流的6～8倍，對廠用電形成沖擊，同時強(qiáng)大的沖擊轉(zhuǎn)矩對電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命存在很大的不利影響。由于目前增壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)方式不能很好的滿足鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)定性運(yùn)行需要，所以電廠考慮對增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)性能和節(jié)能改造，來滿足機(jī)組整體調(diào)節(jié)性能需要。
2.3 增壓風(fēng)機(jī)變頻改造的可行性
在風(fēng)機(jī)的各種調(diào)節(jié)方式中，變頻調(diào)節(jié)應(yīng)用較為廣泛。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，其運(yùn)行效率變化不大，其流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方降低，驅(qū)動風(fēng)機(jī)的電機(jī)所需的電功率亦可相應(yīng)降低。故考慮采用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)對增壓風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的線性調(diào)節(jié)，平移風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性曲線，避開失速區(qū)，同時能取得較好的節(jié)能效果。但目前高壓變頻器設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性對各生產(chǎn)廠家來說或多或少都存在一定問題，變頻器受電子元器件的特性、環(huán)境溫度及空氣潔凈度等因素影響較大，運(yùn)行中時常發(fā)生功率模塊故障等情況，造成變頻器跳閘。因此，變頻改造前必須針對增壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式特點(diǎn)進(jìn)行分析，以確定其可行性。
增壓風(fēng)機(jī)作為機(jī)組鍋爐風(fēng)機(jī)管網(wǎng)(風(fēng)、煙道)的末端設(shè)備，用以克服脫硫系統(tǒng)煙氣通道阻力，其跳閘將使得整個鍋爐的平衡通風(fēng)被破壞，爐膛負(fù)壓反正，有可能達(dá)到爐膛壓力保護(hù)值造成鍋爐保護(hù)動作滅爐;同時風(fēng)機(jī)跳閘后，脫硫系統(tǒng)煙氣流速降低，吸收塔漿液濃度及ph值發(fā)生變化，迫使脫硫系統(tǒng)停運(yùn)。電廠煙塔系統(tǒng)投運(yùn)一年運(yùn)行正常，兩座煙囪的拆除已經(jīng)進(jìn)入項(xiàng)目可行性研究階段，今后煙囪、旁路擋板拆除，增壓風(fēng)機(jī)跳閘后，脫硫系統(tǒng)停運(yùn)將直接導(dǎo)致機(jī)組跳閘，故增壓風(fēng)機(jī)變頻改造對變頻系統(tǒng)的可靠性要求非常高。因此，增壓風(fēng)機(jī)變頻改造除了選擇可靠性高的變頻器產(chǎn)品外，還必須配備工頻旁路柜，做到即使變頻器故障、檢修時也可實(shí)現(xiàn)電機(jī)工頻旁路運(yùn)行，以保證風(fēng)機(jī)工頻拖動而不影響發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠性及系統(tǒng)可利用率。配備工頻旁路柜，如果發(fā)生變頻器故障跳閘，能夠自動切換為工頻旁路運(yùn)行，調(diào)節(jié)方式改為風(fēng)機(jī)靜葉調(diào)節(jié)。變頻器故障消除恢復(fù)投運(yùn)時，可以先切除增壓風(fēng)機(jī)旁路開關(guān)，依托變頻器提供的飛車啟動功能，在增壓風(fēng)機(jī)高速惰走的情況下恢復(fù)變頻器設(shè)備運(yùn)行，從而大大減少機(jī)組爐膛壓力波動的時間。在滿足上述條件的情況下，增壓風(fēng)機(jī)變頻改造是完全可行的。
3 典型工程概況和設(shè)備參數(shù)
3.1增壓風(fēng)機(jī)及電機(jī)參數(shù)
大唐國際西南某電廠現(xiàn)有兩臺設(shè)計(jì)出力為600 MW燃煤機(jī)組，每臺鍋爐配有二臺靜葉可調(diào)軸流式增壓風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)及配套電動機(jī)的參數(shù)如表1所示。
表1 增壓風(fēng)機(jī)及電機(jī)參數(shù)：
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引風(fēng)機(jī)型號 （型式） |
AN40e6(V13＋40 ) 靜葉可調(diào)軸流式 |
匹配電機(jī)型號 （產(chǎn)地） |
YKK1000-10G-W 成都電力機(jī)械廠 |
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靜葉調(diào)節(jié)范圍 |
－750～＋300 |
額定功率 |
4100 kW |
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額定軸功率 |
3720 kW |
額定電壓 |
10000 V |
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額定風(fēng)量 |
621.2 m3/s |
額定電流 |
283 A |
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額定全壓 |
5140.9 Pa |
額定轉(zhuǎn)速 |
597 r/min |
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額定轉(zhuǎn)速 |
585 r/min |
功率因數(shù) |
0.869 |
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額定效率 |
85.8% |
額定效率 |
95.0% |
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數(shù)量 |
4臺 |
防護(hù)等級 |
IP54 |
3.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)
6kV電源經(jīng)高壓隔離開關(guān)QS1、真空接觸器KM2到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)真空接觸器KM3、高壓隔離開關(guān)QS2送至電動機(jī)，電動機(jī)變頻運(yùn)行；6kV電源還可經(jīng)真空接觸器KM1直接起動電動機(jī)，電動機(jī)工頻運(yùn)行。KM1與KM2、KM3電氣閉鎖，在KM1合上的情況下，KM2和KM3都不能合上；在KM2合上的情況下，才能合上KM3，但KM1不能合上。保證任何時候，KM3和KM1不能同時合閘，以保證變頻器安全。隔離開關(guān)QS1、QS2作用是：隔離變頻器進(jìn)行維護(hù)，保證維護(hù)人員安全，非維護(hù)期兩個隔離開關(guān)處于合閘狀態(tài)。
具體運(yùn)行方式如下：
（1） 變頻啟動：
變頻器在啟動之前QS1、QS2已經(jīng)手動合上；
變頻器在接收到DCS發(fā)送的“變頻方式運(yùn)行”指令后，自動合KM2、KM3（KM1處于斷開位置），在系統(tǒng)條件允許（柜門已關(guān)、控制電源正常、風(fēng)扇開關(guān)正常和沒有其它電氣故障）情況下，延時300秒向DCS發(fā)出“請合高壓”信號；
DCS在接收到“請合高壓”信號后，便可以合6kV高壓開關(guān)；
變頻器在接收到6kV高壓開關(guān)已合信號后,延時30秒后變頻器給DCS發(fā)一個“請求運(yùn)行”信號；
DCS在接收到“請求運(yùn)行”信號后，發(fā)出“運(yùn)行指令”。變頻器在接收到“運(yùn)行指令”信號后變頻器開始運(yùn)行，同時給DCS發(fā)一個“變頻運(yùn)行”狀態(tài)信號，運(yùn)行頻率從0Hz按照設(shè)定的時間升頻至給定頻率值；
DCS可以在變頻器啟動以前將“頻率給定信號”給定到預(yù)定值。
（2）變頻正常停機(jī)
在運(yùn)行時需要正常停機(jī)時，DCS給變頻器發(fā)出“停機(jī)”信號；
變頻器接收到“停機(jī)”信號后，運(yùn)行頻率按照設(shè)定的時間降至0Hz，然后斷開“變頻運(yùn)行”信號，給DCS發(fā)“請求斷高壓”信號，檢測到用戶開關(guān)斷開后再斷KM2、KM3；
（3）變頻緊急停機(jī)
變頻器在正常運(yùn)行時需要緊急停機(jī)可以由DCS直接斷開6kV開關(guān)（一般情況不要進(jìn)行此項(xiàng)操作）。變頻器控制柜設(shè)置“緊急停機(jī)”按鈕，可就地緊急分?jǐn)喔邏洪_關(guān)。
（4）變頻故障切工頻
變頻正常運(yùn)行時KM2、QS1、QS2、KM3閉合，KM1斷開，如果變頻器出現(xiàn)重故障：
先斷開用戶開關(guān)QF11，再斷開KM2、KM3；
延時3s或者接收到DCS發(fā)送的“檔板就位信號”；
合KM1；
合用戶開關(guān)QF11
（5） 變頻器正常運(yùn)行切工頻
變頻器接收到“變頻切工頻”指令，頻率升到50Hz，同時DCS調(diào)節(jié)擋板開度到合適位置；
封鎖輸出脈沖，斷開用戶開關(guān)QF11
斷開KM2、KM3；
合KM1；
合用戶開關(guān)QF11
（6）工頻切變頻
變頻器接收到“工頻切變頻”指令；
