第四节 脱硫增压风机变频调速节能改造（上）
1 引言
随着国家环保部门对电厂烟气排放指标的考核和监督越来越严格，电厂正进行大规模的脱硫系统改造或新建工程，增压风机是发电机组锅炉脱硫烟气排放系统的重要设备。对增压风机进行变频改造可以提高风机的运行稳定性，进而保证了机组脱硫系统的运行可靠性，同时还能取得良好的节能效果，但由于增压风机的特殊要求，在改造中，应针对增压风机在脱硫工艺系统中的运行特点，注意相关技术问题，采取相关对策方能确保变频改造的成功。
脱硫系统的作用是降低锅炉排放烟气中硫分的含量，以满足环保要求。湿法烟气脱硫工艺绝大多数采用碱性浆液或溶液作吸收剂，其中石灰石或石灰为吸收剂的强制氧化湿式脱硫方式是目前使用最广泛的脱硫技术。石灰石或石灰洗涤剂与烟气中SO2反应，反应产物硫酸钙（石膏）在洗涤液中沉淀下来，经分离后即可抛弃，也可以石膏形式回收。
锅炉烟气经电除尘器除尘后，通过增压风机增压后进入吸收塔。在吸收塔内烟气向上流动且被向下流动的循环浆液以逆流方式洗涤，循环浆液则通过喷浆层内设置的喷嘴喷射到吸收塔中，以便脱除SO2、SO3。与此同时在“强制氧化工艺”的处理下反应的副产物被导入的空气氧化为石膏，并消耗作为吸收剂的石灰石。循环浆液通过浆液循环泵向上输送到喷淋层中，通过喷嘴进行雾化，可使气体和液体得以充分接触，每个泵通常与其各自的喷淋层相连接。在吸收塔中，石灰石与二氧化硫反应生成石膏，这部分石膏浆液通过石膏浆液泵排出，进入石膏脱水系统。经过净化处理的烟气流经两级除雾器除雾，在此处将清洁烟气中所携带的浆液雾滴去除，同时按特定程序不时地用工艺水对除雾器进行冲洗。在吸收塔出口，烟气一般被冷却到46~55℃左右，且为水蒸气所饱和。通过加热器将烟气加热到80℃以上，以提高烟气的抬升高度和扩散能力。最后，洁净的烟气通过烟道进入烟囱排向大气。
脱硫系统的组成如图1所示，由以下及部分组成；
石灰石制备系统
吸收塔：由洗涤循环系统、除氧器和氧化工序组成。
烟气系统：由脱硫增压风机（安装位置在锅炉引风机之后，部分新建电厂设计中将引风机容量加大，不再设置脱硫增压风机）、烟气再热系统（GGH）组成。
石膏脱水装置
图1 发电厂烟气脱硫系统
近年来，火电厂进行了大规模的脱硫系统改造或新建工程，电厂锅炉进行脱硫系统(FGD)改造后，每套FGD装置进口原烟气侧(高温烟气侧)配置了一台增压风机，用于克服FGD挡板、吸收塔及内部部件引起的烟气压降，脱硫烟气压力控制系统根据原烟气挡板前的压力，通过PID控制增压风机的叶片角度，来控制送入FGD系统的烟气速度，保证原烟气挡板前的压力稳定在设定值，以适应锅炉负荷的变化。
增压风机为静叶可调的轴流式风机，它根据烟气系统正常运行和异常情况可能发生的最大流量、最高温度和最大压损进行设计选型。风机风量和压头选取的原则为:基本风量为锅炉最大蒸发量(BMCR工况)下锅炉燃用设计煤时的烟气量，风量裕度不低于10%，工作点(BMCR工况)对于失速线的偏离值为风机在该叶片角度下失速流量的10%以上，另加不低于10℃的温度裕度；风压裕度不低于20%，并能保证脱硫系统负荷变化时提供满意的运行调节。增压风机在设计流量情况下的效率不小于85%。风机有几乎平坦的效率特性曲线，以保证在负荷变化时都有最佳的效率，并能在可能发生的最大流量，最高温度和最大压力损失的情况下正常运行，没有过量的振动和失速。但是从脱硫增压风机实际运行情况来看，还存在以下问题:
2.1 增压风机低负荷失速问题
从脱硫系统投运后情况看，在机组半负荷或低负荷运行的情况下，增压风机运行工况容易落在失速曲线区域附近，造成风机风压调整困难，给机组安全运行带来安全隐患，持续运行也将造成增压风机的损坏。究其原因分析主要是机组半负荷或低负荷运行时烟道阻力与机组满负荷时的阻力相比，烟气流量与系统阻力并不成比例关系。从增压风机原烟道入口到烟塔出口整个烟气系统阻力中,各烟气管道段的阻力系数已知,烟气流量与管道阻力成正比关系;但在烟冷器、吸收塔喷淋层、吸收塔除雾层中，存在一个相对固定的阻力，尤其喷淋层的阻力只与投入的层数相关，与烟气流量关系不大，所以在整个气体流程中烟气流量与其阻力并不成正比关系。如图1所示，对比增压风机实际运行工况点与其特性曲线，可以看到增压风机在半负荷或低负荷的工况下，运行工况点接近失速区。在进行增压风机选型设计时，对上述情况可能考虑有所欠缺。
2.2 增压风机的节能问题
增压风机出力调整采用通过改变风机的叶片的角度来调节。通过改变风机静叶的角度来调节风量尽管比一般采用控制入口挡板开度来实现风量的调节有一定的节能效果，但是节流损失仍然很大，特别是低负荷时节流损失更大，另由于节流调节，存在风机运行中振动、躁音等问题。同时异步电动机在启动时启动电流一般达到电机额定电流的6～8倍，对厂用电形成冲击，同时强大的冲击转矩对电机和风机的使用寿命存在很大的不利影响。由于目前增压风机风量调节方式不能很好的满足锅炉低负荷稳定性运行需要，所以电厂考虑对增压风机进行调节性能和节能改造，来满足机组整体调节性能需要。
2.3 增压风机变频改造的可行性
在风机的各种调节方式中，变频调节应用较为广泛。当风机转速发生变化时，其运行效率变化不大，其流量与转速的一次方成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比，风机转速降低后，其轴功率随转速的三次方降低，驱动风机的电机所需的电功率亦可相应降低。故考虑采用变频调速实现对增压风机电机转速的线性调节，平移风机运行特性曲线，避开失速区，同时能取得较好的节能效果。但目前高压变频器设备的运行稳定性对各生产厂家来说或多或少都存在一定问题，变频器受电子元器件的特性、环境温度及空气洁净度等因素影响较大，运行中时常发生功率模块故障等情况，造成变频器跳闸。因此，变频改造前必须针对增压风机的运行方式特点进行分析，以确定其可行性。
增压风机作为机组锅炉风机管网(风、烟道)的末端设备，用以克服脱硫系统烟气通道阻力，其跳闸将使得整个锅炉的平衡通风被破坏，炉膛负压反正，有可能达到炉膛压力保护值造成锅炉保护动作灭炉;同时风机跳闸后，脱硫系统烟气流速降低，吸收塔浆液浓度及ph值发生变化，迫使脱硫系统停运。电厂烟塔系统投运一年运行正常，两座烟囱的拆除已经进入项目可行性研究阶段，今后烟囱、旁路挡板拆除，增压风机跳闸后，脱硫系统停运将直接导致机组跳闸，故增压风机变频改造对变频系统的可靠性要求非常高。因此，增压风机变频改造除了选择可靠性高的变频器产品外，还必须配备工频旁路柜，做到即使变频器故障、检修时也可实现电机工频旁路运行，以保证风机工频拖动而不影响发电机组的正常运行，提高风机运行可靠性及系统可利用率。配备工频旁路柜，如果发生变频器故障跳闸，能够自动切换为工频旁路运行，调节方式改为风机静叶调节。变频器故障消除恢复投运时，可以先切除增压风机旁路开关，依托变频器提供的飞车启动功能，在增压风机高速惰走的情况下恢复变频器设备运行，从而大大减少机组炉膛压力波动的时间。在满足上述条件的情况下，增压风机变频改造是完全可行的。
3 典型工程概况和设备参数
3.1增压风机及电机参数
大唐国际西南某电厂现有两台设计出力为600 MW燃煤机组，每台锅炉配有二台静叶可调轴流式增压风机，风机及配套电动机的参数如表1所示。
表1 增压风机及电机参数：
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引风机型号 （型式） |
AN40e6(V13＋40 ) 静叶可调轴流式 |
匹配电机型号 （产地） |
YKK1000-10G-W 成都电力机械厂 |
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静叶调节范围 |
－750～＋300 |
额定功率 |
4100 kW |
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额定轴功率 |
3720 kW |
额定电压 |
10000 V |
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额定风量 |
621.2 m3/s |
额定电流 |
283 A |
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额定全压 |
5140.9 Pa |
额定转速 |
597 r/min |
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额定转速 |
585 r/min |
功率因数 |
0.869 |
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额定效率 |
85.8% |
额定效率 |
95.0% |
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数量 |
4台 |
防护等级 |
IP54 |
3.2 变频调速系统设计
6kV电源经高压隔离开关QS1、真空接触器KM2到高压变频装置，变频装置输出经真空接触器KM3、高压隔离开关QS2送至电动机，电动机变频运行；6kV电源还可经真空接触器KM1直接起动电动机，电动机工频运行。KM1与KM2、KM3电气闭锁，在KM1合上的情况下，KM2和KM3都不能合上；在KM2合上的情况下，才能合上KM3，但KM1不能合上。保证任何时候，KM3和KM1不能同时合闸，以保证变频器安全。隔离开关QS1、QS2作用是：隔离变频器进行维护，保证维护人员安全，非维护期两个隔离开关处于合闸状态。
具体运行方式如下：
（1） 变频启动：
变频器在启动之前QS1、QS2已经手动合上；
变频器在接收到DCS发送的“变频方式运行”指令后，自动合KM2、KM3（KM1处于断开位置），在系统条件允许（柜门已关、控制电源正常、风扇开关正常和没有其它电气故障）情况下，延时300秒向DCS发出“请合高压”信号；
DCS在接收到“请合高压”信号后，便可以合6kV高压开关；
变频器在接收到6kV高压开关已合信号后,延时30秒后变频器给DCS发一个“请求运行”信号；
DCS在接收到“请求运行”信号后，发出“运行指令”。变频器在接收到“运行指令”信号后变频器开始运行，同时给DCS发一个“变频运行”状态信号，运行频率从0Hz按照设定的时间升频至给定频率值；
DCS可以在变频器启动以前将“频率给定信号”给定到预定值。
（2）变频正常停机
在运行时需要正常停机时，DCS给变频器发出“停机”信号；
变频器接收到“停机”信号后，运行频率按照设定的时间降至0Hz，然后断开“变频运行”信号，给DCS发“请求断高压”信号，检测到用户开关断开后再断KM2、KM3；
（3）变频紧急停机
变频器在正常运行时需要紧急停机可以由DCS直接断开6kV开关（一般情况不要进行此项操作）。变频器控制柜设置“紧急停机”按钮，可就地紧急分断高压开关。
（4）变频故障切工频
变频正常运行时KM2、QS1、QS2、KM3闭合，KM1断开，如果变频器出现重故障：
先断开用户开关QF11，再断开KM2、KM3；
延时3s或者接收到DCS发送的“档板就位信号”；
合KM1；
合用户开关QF11
（5） 变频器正常运行切工频
变频器接收到“变频切工频”指令，频率升到50Hz，同时DCS调节挡板开度到合适位置；
封锁输出脉冲，断开用户开关QF11
断开KM2、KM3；
合KM1；
合用户开关QF11
（6）工频切变频
变频器接收到“工频切变频”指令；
