电厂湿磨磨机浆液泵变频改造

范晓锋

(山西西山煤电集团 古交西山发电有限公司,山西 太原 030024)

0 引言

古交西山发电有限公司三期项目建成投产后，年发电量60亿千瓦时，其所采用的2套660兆瓦低热值煤热电机组配备了当前世界上最先进的直流锅炉，每年约可有效利用古交矿区所产生的300万吨煤矸石、150万吨中煤及50万吨煤泥等低热值燃料资源，从而实现劣质资源的就近高效利用，具有良好的经济效益和社会效益。

在燃煤发电过程中，由于煤炭中含有一定比例的硫化物，燃烧后生产的二氧化硫等有害气体进入大气并溶于雨水后形成酸雨，对环境的破坏较大，因此必须清除燃煤烟气中的含硫有害气体。目前较为成熟的烟气脱硫工艺主要采用石灰石-石膏湿法脱硫技术，即利用石灰石浆液与烟气中的酸性硫化物发生反应，最终降低烟气中的含硫量，脱硫率可达99%以上。古交西山发电有限公司三期项目所采用的湿法脱硫和湿式电除尘均采用当前最新环保技术，因此项目的环境效益显著[1-3]。近年来，为进一步响应国家节能减排号召，热电厂的节能改造成为企业研究和发展的重点。本文以古交西山发电有限公司湿磨磨机浆液泵的变频改造为例，对其节能改造措施进行研究。

1 现状与存在的问题

1.1 湿式脱硫简介

石灰石-石膏湿法脱硫技术简称FGD，主要由石灰石浆液制备及输送系统、烟气系统、吸收塔系统、工艺水系统及脱水系统等组成。其中，石灰石浆液制备流程如图1所示，首先将粒径20 mm以下的石灰石块转运至料斗内，再由振动给料器均匀地将原料送入提升机，并提升进入石灰石仓；随后，石灰石仓根据需要不断向皮带输送机排料，输送机将石灰石块送入湿式球磨机内进行强力研磨，形成的石灰石粉末与水按一定比例混合成浆液状态，然后进入磨机循环浆液箱，再由磨机浆液泵将石灰石浆液泵入旋流器内，经过旋流分离，含粗颗粒较多的底流重新返回湿磨磨机，而颗粒粒径达到要求的上层浆液溢流进入石灰石浆液箱，再通过石灰石浆液泵泵送至吸收塔内[4-6]。

图1 石灰石浆液制备流程

1.2 存在的问题

古交西山发电有限公司三期项目湿磨车间共有4台湿磨磨机，每台磨机配备2台浆液循环泵，共8台循环泵，日常一用一备。单台泵电机额定功率为75 kW，无变频设备，电机长期处于工频全功率运行状态，泵的输出压力超出要求范围，需配合采用节流孔板进行压力调节，由此导致以下四方面问题：

(1)电机在工频状态全速运行，导致浆液循环泵与旋流器之间的管道内压力过大，浆液中的石灰石颗粒对管道内壁冲刷磨损严重，且容易导致局部破损泄漏，污染环境。

(2)通过使用节流板，虽可保证进入旋流器的浆液压力降低至正常值，但输送系统的节流能量损失过大，电机输出功率不能完全利用，造成较大电能浪费。

(3)循环泵和电机长期满负荷运转，导致设备零部件损耗严重，使用寿命降低，设备成本增大。

(4)原工频电机自动化控制程度较低，不利于集中控制，且无法根据实际生产需求调节电机和泵的输出状态。

2 低压变频调速节能原理

交流异步电机的转速计算公式为：

(1)

其中：n为电机的实际输出转速；s为电机转差率；f为电机的输入电源频率；p为电机极对数。

由式(1)可知，电源频率f、电机的转差率s和极对数p均与电机的输出转速n有关，但后两者不易调整，而电源频率f的调整相对比较成熟。f与n成正比，通过调节频率f即可实现对转速n的同步调整。

理论上，调低电源频率即可降低电机的输出转速，但频率降低也会造成磁通和励磁电流增加，电机的功率因数下降，最终导致线圈和铁芯发热严重，因此，在降低电源频率时，应同步降低电源电压，两者协调控制。负责实现以上功能的设备称为变频器，以结构简单的“交-直-交”低压变频器为例(如图2所示)，其主要由整流器、中间直流储能单元、逆变器和控制回路等组成，整流器的作用是将三相交流电整流成直流电，中间直流储能单元利用电容对输出的直流电进行平滑滤波，以保证其幅值稳定，然后再经过逆变器将直流电输出成为具有特定形状的矩形脉冲波，通过改变脉冲的频率即可改变输出交流电的频率，改变脉冲的宽度即可改变输出电压，从而实现对交流电频率和电压的协调控制。

图2 “交-直-交”变频器结构

3 变频调速改造方案

3.1 总体方案

当前湿磨浆液泵电机的性能参数如表1所示。根据浆液循环系统的变频改造要求，有两套变频改造方案：

表1 湿磨浆液泵电机性能参数

方案一：对原浆液循环泵进行利旧，重新采购浆液泵电机，电机类型由普通异步电机更换为永磁同步变频电机，另增加变频装置。由于需采购电机，因此该方案投资较大。

方案二：对原浆液循环泵及电机一起利旧，仅增加变频器及相应柜体等。该方案投资较小，改造工程量小。

综合对比上述两方案的优缺点、施工量和投资金额等因素，最终选择方案二。针对湿磨机组的8台浆液泵，共改造增加4台变频器(4套柜体)，每2台电机共用一台变频器，并互为备用。为合理利用安装空间，减少改造施工量，在脱硫制浆、脱水、废水MCC段后安装两套变频柜；在脱硫湿磨MCC段后安装两套变频柜。

3.2 配置选型

(1)变频器选用Siemens 75 kW多功能标准变频器，外置中文控制面板，可实现一台变频器带动两台电机，但两台电机不能同时启动。

(2)为保证变频装置的整体可靠性，柜内断路器、接触器等主元件、二次元件要求使用施耐德品牌，端子排使用菲尼克斯品牌，控制回路采用AC220 V。

(3)变频柜选用“下进下出”形式，主体由钢板制成，并密封良好以防灰尘进入。柜内需有照明装置，柜面配电压表、电流表、远方/就地转换开关、启/停指示、启/停按钮等。要求变频柜内设置电源进线开关、施耐德塑壳断路器，并使用电缆连接至变频柜接线端子，下部安装电机的接触器。

3.3 其他功能设计

3.3.1 工变频切换功能

通过增加变频器，可实现对浆液输出压力的连续稳定控制，但当变频器发生故障或需要对其进行检修时，则可能因变频器无法投入使用导致机组停机，而这是生产不允许的。因此，需在变频柜内设置一条可提供工频电源的备用供电旁路，当故障发生时，自动或手动切换至旁路，电机暂时以工频状态运行，以保证浆液循环泵不停机。

3.3.2 柜体冷却散热功能

变频器工作过程中，部分电能转化为热能散发至柜体内，导致柜体内部温度升高。而变频器的组成元器件对环境变化较为敏感，温度升高可能导致设备工作异常或停机，因此要求变频柜须具有良好的冷却散热功能。对于低压变频器，可在柜体顶部安装独立线路的工频风扇，风扇的启停由温度开关控制，且可实现远程启动和监视。

3.3.3 自动控制功能

变频改造前，电机的启停需由现场人工按钮控制。改造后，要求变频器连入DCS控制系统，由此可实现对电机转速的自动PID调节。另外，浆液循环泵的运行状态、电机参数、故障信号等信息可通过DCS界面显示和查询。当设备发生故障或参数异常时，DCS控制系统可自动发出报警，并执行保护性操作。

3.3.4 接线及编号要求

接线及编号要求主要包括以下三个方面：

(1)柜体内接线端子及电缆芯两端均应配置带编号的线圈，设备接线及电缆线芯的编号应统一。

(2)端子排应便于接线，安装在至少离底板300 mm的位置，并提供约10%的备用端子。

(3)安装在变频柜内或柜上的任何继电器、控制开关等均应做标签标识。

3.4 改造流程

以3#、4#变频柜增加改造为例，具体改造流程如下：

(1)拆除1#机脱硫PC A段的3#磨机浆液泵A、浆液泵B，及1#机脱硫PC B段的4#磨机浆液泵A、浆液泵B上的间隔一、二次电缆，然后将拆除的电缆分别引至新增的3#、4#变频柜下口接线端，电缆需重新制作终端接头。

(2)从原3#/4#磨机浆液泵A分别敷设一根3×95+1×50规格的动力电缆，引至新增的3#/4#磨机浆液泵变频柜上口。

(3)从3#/4#磨机浆液泵变频柜分别敷设1根型号ZR-KVVP2 6×1.5计算机屏蔽电缆，引至DCS控制系统的公用DCS机柜DROP31。

(4)以上工作完毕后，需重新校线、接线、调试，并对DCS画面组态进行调整。

4 变频改造效果

通过对三期项目湿磨浆液泵的变频改造，最终达到以下效果：

(1)变频改造后，浆液泵电机转速及电流相应降低，由于泵类设备为二次型负载，因此电机功率与转速的三次方成正比，最终可实现节能约18%。

(2)通过对电机进行变频调速，可方便控制泵的输出压力，从而降低了浆液在旋流器前部管道的流动速度，减轻了管道内部冲刷磨损，提高了管道的使用寿命。

(3)改造完成后，由于可通过变频器控制对电机实施软启动，因此电机的启动电流明显降低，避免了较高启动电流对电机的冲击，延长了电机的使用寿命。

(4)通过连接DCS集散控制系统，湿磨浆液泵可实现远程自动控制和监视，降低了人员劳动强度，提高了故障识别率和处置效率。

(5)由于去掉了节流板，且电机的工作电源频率降低，因此现场振动噪声明显减小，改善了人员作业环境。

5 结语

为响应国家节能减排号召，古交西山发电有限公司决定对其三期项目的湿磨磨机浆液泵进行变频改造，在分析了当前工频驱动存在的诸多问题的基础上，综合考虑成本、施工量等因素，选择了利原有泵和电机，仅增加变频器进行控制的改造方案。改造完成后可实现节能约18%的目标。