第四節 脫硫增壓風機變頻調速節能改造（上）
1 引言
隨著國家環保部門對電廠煙氣排放指標的考核和監督越來越嚴格，電廠正進行大規模的脫硫系統改造或新建工程，增壓風機是發電機組鍋爐脫硫煙氣排放系統的重要設備。對增壓風機進行變頻改造可以提高風機的運行穩定性，進而保證了機組脫硫系統的運行可靠性，同時還能取得良好的節能效果，但由于增壓風機的特殊要求，在改造中，應針對增壓風機在脫硫工藝系統中的運行特點，注意相關技術問題，采取相關對策方能確保變頻改造的成功。
脫硫系統的作用是降低鍋爐排放煙氣中硫分的含量，以滿足環保要求。濕法煙氣脫硫工藝絕大多數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制氧化濕式脫硫方式是目前使用最廣泛的脫硫技術。石灰石或石灰洗滌劑與煙氣中SO2反應，反應產物硫酸鈣（石膏）在洗滌液中沉淀下來，經分離后即可拋棄，也可以石膏形式回收。
鍋爐煙氣經電除塵器除塵后，通過增壓風機增壓后進入吸收塔。在吸收塔內煙氣向上流動且被向下流動的循環漿液以逆流方式洗滌，循環漿液則通過噴漿層內設置的噴嘴噴射到吸收塔中，以便脫除SO2、SO3。與此同時在“強制氧化工藝”的處理下反應的副產物被導入的空氣氧化為石膏，并消耗作為吸收劑的石灰石。循環漿液通過漿液循環泵向上輸送到噴淋層中，通過噴嘴進行霧化，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生成石膏，這部分石膏漿液通過石膏漿液泵排出，進入石膏脫水系統。經過凈化處理的煙氣流經兩級除霧器除霧，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散能力。最后，潔凈的煙氣通過煙道進入煙囪排向大氣。
脫硫系統的組成如圖1所示，由以下及部分組成；
石灰石制備系統
吸收塔：由洗滌循環系統、除氧器和氧化工序組成。
煙氣系統：由脫硫增壓風機（安裝位置在鍋爐引風機之后，部分新建電廠設計中將引風機容量加大，不再設置脫硫增壓風機）、煙氣再熱系統（GGH）組成。
石膏脫水裝置
圖1 發電廠煙氣脫硫系統
近年來，火電廠進行了大規模的脫硫系統改造或新建工程，電廠鍋爐進行脫硫系統(FGD)改造后，每套FGD裝置進口原煙氣側(高溫煙氣側)配置了一臺增壓風機，用于克服FGD擋板、吸收塔及內部部件引起的煙氣壓降，脫硫煙氣壓力控制系統根據原煙氣擋板前的壓力，通過PID控制增壓風機的葉片角度，來控制送入FGD系統的煙氣速度，保證原煙氣擋板前的壓力穩定在設定值，以適應鍋爐負荷的變化。
增壓風機為靜葉可調的軸流式風機，它根據煙氣系統正常運行和異常情況可能發生的最大流量、最高溫度和最大壓損進行設計選型。風機風量和壓頭選取的原則為:基本風量為鍋爐最大蒸發量(BMCR工況)下鍋爐燃用設計煤時的煙氣量，風量裕度不低于10%，工作點(BMCR工況)對于失速線的偏離值為風機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；風壓裕度不低于20%，并能保證脫硫系統負荷變化時提供滿意的運行調節。增壓風機在設計流量情況下的效率不小于85%。風機有幾乎平坦的效率特性曲線，以保證在負荷變化時都有最佳的效率，并能在可能發生的最大流量，最高溫度和最大壓力損失的情況下正常運行，沒有過量的振動和失速。但是從脫硫增壓風機實際運行情況來看，還存在以下問題:
2.1 增壓風機低負荷失速問題
從脫硫系統投運后情況看，在機組半負荷或低負荷運行的情況下，增壓風機運行工況容易落在失速曲線區域附近，造成風機風壓調整困難，給機組安全運行帶來安全隱患，持續運行也將造成增壓風機的損壞。究其原因分析主要是機組半負荷或低負荷運行時煙道阻力與機組滿負荷時的阻力相比，煙氣流量與系統阻力并不成比例關系。從增壓風機原煙道入口到煙塔出口整個煙氣系統阻力中,各煙氣管道段的阻力系數已知,煙氣流量與管道阻力成正比關系;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相關，與煙氣流量關系不大，所以在整個氣體流程中煙氣流量與其阻力并不成正比關系。如圖1所示，對比增壓風機實際運行工況點與其特性曲線，可以看到增壓風機在半負荷或低負荷的工況下，運行工況點接近失速區。在進行增壓風機選型設計時，對上述情況可能考慮有所欠缺。
2.2 增壓風機的節能問題
增壓風機出力調整采用通過改變風機的葉片的角度來調節。通過改變風機靜葉的角度來調節風量盡管比一般采用控制入口擋板開度來實現風量的調節有一定的節能效果，但是節流損失仍然很大，特別是低負荷時節流損失更大，另由于節流調節，存在風機運行中振動、躁音等問題。同時異步電動機在啟動時啟動電流一般達到電機額定電流的6～8倍，對廠用電形成沖擊，同時強大的沖擊轉矩對電機和風機的使用壽命存在很大的不利影響。由于目前增壓風機風量調節方式不能很好的滿足鍋爐低負荷穩定性運行需要，所以電廠考慮對增壓風機進行調節性能和節能改造，來滿足機組整體調節性能需要。
2.3 增壓風機變頻改造的可行性
在風機的各種調節方式中，變頻調節應用較為廣泛。當風機轉速發生變化時，其運行效率變化不大，其流量與轉速的一次方成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比，風機轉速降低后，其軸功率隨轉速的三次方降低，驅動風機的電機所需的電功率亦可相應降低。故考慮采用變頻調速實現對增壓風機電機轉速的線性調節，平移風機運行特性曲線，避開失速區，同時能取得較好的節能效果。但目前高壓變頻器設備的運行穩定性對各生產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、環境溫度及空氣潔凈度等因素影響較大，運行中時常發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機的運行方式特點進行分析，以確定其可行性。
增壓風機作為機組鍋爐風機管網(風、煙道)的末端設備，用以克服脫硫系統煙氣通道阻力，其跳閘將使得整個鍋爐的平衡通風被破壞，爐膛負壓反正，有可能達到爐膛壓力保護值造成鍋爐保護動作滅爐;同時風機跳閘后，脫硫系統煙氣流速降低，吸收塔漿液濃度及ph值發生變化，迫使脫硫系統停運。電廠煙塔系統投運一年運行正常，兩座煙囪的拆除已經進入項目可行性研究階段，今后煙囪、旁路擋板拆除，增壓風機跳閘后，脫硫系統停運將直接導致機組跳閘，故增壓風機變頻改造對變頻系統的可靠性要求非常高。因此，增壓風機變頻改造除了選擇可靠性高的變頻器產品外，還必須配備工頻旁路柜，做到即使變頻器故障、檢修時也可實現電機工頻旁路運行，以保證風機工頻拖動而不影響發電機組的正常運行，提高風機運行可靠性及系統可利用率。配備工頻旁路柜，如果發生變頻器故障跳閘，能夠自動切換為工頻旁路運行，調節方式改為風機靜葉調節。變頻器故障消除恢復投運時，可以先切除增壓風機旁路開關，依托變頻器提供的飛車啟動功能，在增壓風機高速惰走的情況下恢復變頻器設備運行，從而大大減少機組爐膛壓力波動的時間。在滿足上述條件的情況下，增壓風機變頻改造是完全可行的。
3 典型工程概況和設備參數
3.1增壓風機及電機參數
大唐國際西南某電廠現有兩臺設計出力為600 MW燃煤機組，每臺鍋爐配有二臺靜葉可調軸流式增壓風機，風機及配套電動機的參數如表1所示。
表1 增壓風機及電機參數：
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引風機型號 （型式） |
AN40e6(V13＋40 ) 靜葉可調軸流式 |
匹配電機型號 （產地） |
YKK1000-10G-W 成都電力機械廠 |
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靜葉調節范圍 |
－750～＋300 |
額定功率 |
4100 kW |
|
額定軸功率 |
3720 kW |
額定電壓 |
10000 V |
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額定風量 |
621.2 m3/s |
額定電流 |
283 A |
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額定全壓 |
5140.9 Pa |
額定轉速 |
597 r/min |
|
額定轉速 |
585 r/min |
功率因數 |
0.869 |
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額定效率 |
85.8% |
額定效率 |
95.0% |
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數量 |
4臺 |
防護等級 |
IP54 |
3.2 變頻調速系統設計
6kV電源經高壓隔離開關QS1、真空接觸器KM2到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經真空接觸器KM3、高壓隔離開關QS2送至電動機，電動機變頻運行；6kV電源還可經真空接觸器KM1直接起動電動機，電動機工頻運行。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QS1、QS2作用是：隔離變頻器進行維護，保證維護人員安全，非維護期兩個隔離開關處于合閘狀態。
具體運行方式如下：
（1） 變頻啟動：
變頻器在啟動之前QS1、QS2已經手動合上；
變頻器在接收到DCS發送的“變頻方式運行”指令后，自動合KM2、KM3（KM1處于斷開位置），在系統條件允許（柜門已關、控制電源正常、風扇開關正常和沒有其它電氣故障）情況下，延時300秒向DCS發出“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；
變頻器在接收到6kV高壓開關已合信號后,延時30秒后變頻器給DCS發一個“請求運行”信號；
DCS在接收到“請求運行”信號后，發出“運行指令”。變頻器在接收到“運行指令”信號后變頻器開始運行，同時給DCS發一個“變頻運行”狀態信號，運行頻率從0Hz按照設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”給定到預定值。
（2）變頻正常停機
在運行時需要正常停機時，DCS給變頻器發出“停機”信號；
變頻器接收到“停機”信號后，運行頻率按照設定的時間降至0Hz，然后斷開“變頻運行”信號，給DCS發“請求斷高壓”信號，檢測到用戶開關斷開后再斷KM2、KM3；
（3）變頻緊急停機
變頻器在正常運行時需要緊急停機可以由DCS直接斷開6kV開關（一般情況不要進行此項操作）。變頻器控制柜設置“緊急停機”按鈕，可就地緊急分斷高壓開關。
（4）變頻故障切工頻
變頻正常運行時KM2、QS1、QS2、KM3閉合，KM1斷開，如果變頻器出現重故障：
先斷開用戶開關QF11，再斷開KM2、KM3；
延時3s或者接收到DCS發送的“檔板就位信號”；
合KM1；
合用戶開關QF11
（5） 變頻器正常運行切工頻
變頻器接收到“變頻切工頻”指令，頻率升到50Hz，同時DCS調節擋板開度到合適位置；
封鎖輸出脈沖，斷開用戶開關QF11
斷開KM2、KM3；
合KM1；
合用戶開關QF11
（6）工頻切變頻
變頻器接收到“工頻切變頻”指令；
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