一、引言
1.概述
昆鋼25MW煤氣發(fā)電機組是余熱余能利用項目，利用高爐、焦爐富裕煤氣燃燒發(fā)電。由于高爐煤氣和焦爐煤氣供氣比例變化，相應(yīng)的輔機的流量也要跟隨進行調(diào)節(jié)。自投產(chǎn)以來該機組引、送風(fēng)機的風(fēng)量調(diào)節(jié)方式是采用風(fēng)機進風(fēng)擋板節(jié)流調(diào)節(jié)，由于這種原始的調(diào)節(jié)方法僅僅是改變通道的流通阻力，而驅(qū)動源的輸出功率并沒有改變，浪費了大量電能，致使廠用電率高，供電標煤耗高，發(fā)電成本不易降低，選擇合適的節(jié)能設(shè)備對引送風(fēng)機進行節(jié)能改造成為昆鋼的共識。
變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)代最先進的調(diào)速技術(shù)，它不僅能夠為我們提供舒適的工藝條件，滿足用戶的使用要求，更重要的是這項技術(shù)應(yīng)用在風(fēng)機、泵類等具有平方轉(zhuǎn)矩特性的負載時，可以節(jié)約大量的電能。
2.風(fēng)機使用工況
25MW煤氣發(fā)電機組設(shè)計使用710kw引風(fēng)機兩臺，450kw送風(fēng)機一臺，電壓等級為6kv。送風(fēng)機設(shè)計流量182160m3/h、引風(fēng)機設(shè)計流量332906m3/h。
引、送風(fēng)機負荷情況：
(1)當(dāng)焦氣用量>30%，高氣用量<70%時，送風(fēng)擋板開完并通過送風(fēng)再循環(huán)風(fēng)管(φ600)回30%，引風(fēng)擋板開度為70%，此時發(fā)電機負荷為：2.7萬kW;
(2)當(dāng)焦氣用量<30%，高氣用量>70%時，送風(fēng)擋板開完并通過送風(fēng)再循環(huán)風(fēng)管(φ600)回5%-10%，引風(fēng)擋板開度為85%-98%(此種情況在日常運行中占多數(shù)時間)，此時發(fā)電機負荷為：2.7萬kW。改造前引、送風(fēng)機的擋板開度由操作人員根據(jù)焦氣與煤氣的混合比手動調(diào)節(jié)。
送風(fēng)機當(dāng)前啟動方式為全壓直接啟動;引風(fēng)機當(dāng)前啟動方式為水電阻降壓啟動。
二、項目實施情況
1.節(jié)電潛力測評
根據(jù)25MW煤氣發(fā)電機組的生產(chǎn)過程、生產(chǎn)環(huán)境等諸多因素，為保證每臺設(shè)備的改造達到預(yù)期的效果，對風(fēng)機在不同工況下的運行情況進行了測試，了解設(shè)備的節(jié)能潛力。
(1)運行情況簡述
鍋爐送、引風(fēng)機作為鍋爐高效、安全運行的重要環(huán)節(jié)。設(shè)計時，一般鍋爐送、引風(fēng)機的富裕量較大。當(dāng)鍋爐負載輕時，必須對鼓、引風(fēng)機實行流量調(diào)節(jié)。熱電廠對鼓、引風(fēng)機的流量調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)。
本次對鼓、引風(fēng)機在兩種工況下的運行情況進行了測試。
引/送風(fēng)機電機銘牌參數(shù)
(2)節(jié)電分析
A、送風(fēng)機
原系統(tǒng)工況：
閥門開度94%時電機的輸入功率為：450 x 68.9% = 310kw;
閥門開度46%時電機的輸入功率為：450 x 41.66% = 187.5kw;
電機的平均輸入功率為：249kw。
采用變頻器后的工況：
風(fēng)機的額定有效功率：182160 x 6160/(3600 x 102 x 9.8) = 312kw;
采用變頻器后按平均輸出頻率70%(35Hz)，此時風(fēng)機的有效功率為：312 x 0.7³ = 107kw;
風(fēng)機的輸入功率為(風(fēng)機效率按70%估算)：107 / 0.7 = 153kw;
電機效率按80%估算;
變頻系統(tǒng)綜合效率為：95%;
得到系統(tǒng)的輸入功率為：153 /(0.8 x 0.95)= 201kw
采用變頻器后的節(jié)電率計算：(1–201/249)x100%=20%
年節(jié)電計算：
按全年運行7000小時計，每年就節(jié)電一項可節(jié)省電費(按每度電0.45元)： 7000 x 0.45 x 249 x 20% = 156,870.00元。
B、引風(fēng)機
原系統(tǒng)工況：
閥門開度89%時電機的輸入功率為：608.87kw;
閥門開度59%時電機的輸入功率為：324.88kw;
電機的平均輸入功率為：467kw。
采用變頻器后的工況：
風(fēng)機的額定有效功率：332906 x 4830/(3600 x 102 x 9.8) = 447kw;
采用變頻器后按平均輸出頻率75%(38Hz)，此時風(fēng)機的有效功率為： 447 x 75%= 188.6kw。
風(fēng)機的輸入功率為(風(fēng)機效率按70%估算)：188.6 / 0.7 = 269kw;
電機效率按80%估算;
變頻系統(tǒng)綜合效率為：95%;
得到系統(tǒng)的輸入功率為：269 /(0.8 x 0.95)= 354kw。
采用變頻器后的節(jié)電率計算：
(1–354/467)x100%=24%
年節(jié)電計算：
按全年運行7000小時計，每年就節(jié)電一項可節(jié)省電費(按每度電0.45元)：7000 x 0.45 x 467 x 24% = 353,052.00元
通過對引、送風(fēng)機的現(xiàn)場測試、工藝分析和對相關(guān)數(shù)據(jù)的計算和節(jié)能分析可以看出，對其進行變頻節(jié)能改造是可行的。
2.改造方案的確定
通過對引、送風(fēng)機的節(jié)能潛力測評，進一步了解到引送風(fēng)機具有的節(jié)電潛能，最終通過招標采購選擇北京利德華福電氣技術(shù)有限公司為設(shè)備供貨商，選用一臺HARSVERT-A06/085型高壓變頻器對引風(fēng)機進行變頻改造，選用一臺HARSVERT-A06/055型高壓變頻器對送風(fēng)機進行變頻改造。
送風(fēng)機變頻控制為一拖一手動工/變頻切換方案，配備一臺變頻器。變頻調(diào)速系統(tǒng)接于6.3 kV電壓等級的廠用電電源系統(tǒng)，用于電動機的變頻調(diào)速。變頻調(diào)速系統(tǒng)可在現(xiàn)場進行控制，也可通過上級計算機系統(tǒng)遠程控制，根據(jù)運行工況按變頻器自身設(shè)定程序，實現(xiàn)對引、送風(fēng)機電動機轉(zhuǎn)速控制。引、送風(fēng)機高壓變頻一次系統(tǒng)的原理如下圖所示。
其中QF表示高壓開關(guān)、TF表示高壓變頻器、M1和M2表示引風(fēng)機電動機、M3表示送風(fēng)機電動機; QF1、QF2、M1、M2、M3為現(xiàn)場原有設(shè)備。QS2和QS3之間、QS5和QS6之間、QS8和QS9之間均存在機械閉鎖關(guān)系，防止變頻器輸出側(cè)與6kV電源側(cè)短路。
引風(fēng)系統(tǒng)正常運行時，斷開QS3、閉合QF1、QS1、QS2開關(guān)，1#引風(fēng)機處于變頻運行狀態(tài);2#引風(fēng)機處于工頻備用狀態(tài)。當(dāng)1#引風(fēng)機變頻運行故障跳閘時，2#引風(fēng)機投入變頻運行，1#引風(fēng)機處于工頻備用狀態(tài)。
3.DCS系統(tǒng)與變頻器的接口設(shè)計
25MW發(fā)電機組采用Delta-V DCS控制系統(tǒng)，為確保改造后系統(tǒng)運行的穩(wěn)定可靠以及改造工作的一次成功，我們組織相關(guān)技術(shù)人員對DCS系統(tǒng)與變頻器的接口設(shè)計作了多次討論，形成一致意見認為：
(1)原DCS系統(tǒng)空置的I/O點不足以滿足本次改造的需要，增加I/O模塊存在著需增加系統(tǒng)授權(quán)等繁瑣手續(xù)，且在較短的停產(chǎn)時間內(nèi)完成DCS系統(tǒng)程序的改動存在較大的風(fēng)險，不宜在DCS系統(tǒng)上完成大量的變頻器接口控制功能。同時，為考慮減輕操作人員的工作量，變頻器的調(diào)速操作功能在原DCS系統(tǒng)實現(xiàn)，增加兩個變頻器調(diào)速操作的彈出式窗口;
(2)基于原DCS系統(tǒng)空置的I/O點不足的原因，考慮新上一套PLC系統(tǒng)來完成與變頻器的控制接口，主要承擔(dān)變頻器的啟/停操作、實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、報警監(jiān)控、變頻器旁路開關(guān)與高壓斷路器的聯(lián)鎖控制以及工/變頻切換時水阻降壓啟動裝置的切換控制等工作;
(3)由于變頻器本身是一個諧波干擾源，為避免變頻器產(chǎn)生的諧波干擾危機到整個機組的安全運行，新增PLC系統(tǒng)的設(shè)計在遠端(與變頻器接口部分)可采用硬接線方式連接，而在近端(與DCS接口部分)采用網(wǎng)絡(luò)通訊方式，杜絕變頻器諧波串入DCS系統(tǒng)。
根據(jù)上述思路，本次改造采用一套獨立的PLC變頻控制系統(tǒng)來實現(xiàn)改造所需完成的各項功能。主要設(shè)備包括：上位監(jiān)控計算機系統(tǒng)、PLC主控站、PLC遠程站和數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)。PLC系統(tǒng)采用SIEMENS公司S7-300+ET200系統(tǒng)設(shè)備，系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。
高壓變頻器本身是一項成熟產(chǎn)品，現(xiàn)場不需做大量的調(diào)試調(diào)整，因此整個改造工作的難點就集中在變頻器與原有控制系統(tǒng)的接口上。在我廠25MW機組高壓變頻節(jié)電改造中，由于我們提前考慮到這一細節(jié)，在設(shè)計上新增了一套變頻監(jiān)控PLC系統(tǒng)以實現(xiàn)變頻器與DCS系統(tǒng)的柔性連接，使得大量的接口調(diào)試工作可以在靜態(tài)情況下(變頻器未送電前)完成，變頻器在較短的時間就能夠投入使用，改造一次成功。
三、項目實施最終實測效果
引送風(fēng)機變頻節(jié)電改造后經(jīng)過一個月時間的運行，經(jīng)過云南省能源利用監(jiān)測中心測試，系統(tǒng)達到了預(yù)期的效果：實施變頻改造后，廠用電有明顯下降，設(shè)備均實現(xiàn)了軟起動，改善了設(shè)備的運行工況，極大地減輕了設(shè)備起動時對供配電系統(tǒng)的沖擊。改造前后的實際測量數(shù)據(jù)對比結(jié)果如下：
實施變頻節(jié)電改造后，使電機總輸入功率由原來的974.37kW降至680.88kW，節(jié)電功率為293.49kW，節(jié)電率達30.12%，年可節(jié)電234.79萬kWh(運行時間按8000小時/年計)，節(jié)約電費105萬元(電費按0.45元/kWh計)，運行兩年多來實際每天節(jié)電約7044kWh,節(jié)電效果十分明顯。
四、總結(jié)
本項目高壓變頻改造工程于2007年1月8日開始，經(jīng)過精心組織，利用2007年1月12日至16日六高爐檢修和25MW發(fā)電機組停機檢修的間隙實施完成了兩臺高壓變頻器的安裝調(diào)試工作。
此次改造的成功，使我們對高壓變頻調(diào)速技術(shù)在實際應(yīng)用中的種種擔(dān)憂得到了圓滿的解決，同時也為我廠實施高壓變頻節(jié)能改造項目積累了豐富的實踐經(jīng)驗。