摘要：節(jié)能降耗是促進(jìn)節(jié)約型社會(huì)建設(shè)、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。近幾年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求增長(zhǎng)較快，電廠節(jié)能顯得尤為重要。文章介紹了高壓變頻器的結(jié)構(gòu)、工作原理及節(jié)能原理，分析了松藻電廠風(fēng)機(jī)改造后的節(jié)能效益。

關(guān)鍵詞：變頻裝置；節(jié)能應(yīng)用；電廠節(jié)能；高壓變頻器；變頻調(diào)速

中圖分類(lèi)號(hào)：TU856 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2009）01-0057-03

一、概述

在火力發(fā)電廠中，風(fēng)機(jī)是最主要的耗能設(shè)備，其容量大耗電多。通常在電廠設(shè)計(jì)中，風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載是根據(jù)滿(mǎn)負(fù)荷用量來(lái)設(shè)計(jì)的，然而實(shí)際應(yīng)用中大部分時(shí)間并非處于滿(mǎn)負(fù)荷工作狀態(tài)，而是常常處于低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。在火力發(fā)電廠鍋爐中主要有以下幾類(lèi)風(fēng)機(jī)：引風(fēng)機(jī)，一次風(fēng)機(jī)，二次風(fēng)機(jī)，據(jù)統(tǒng)計(jì)其用電量占發(fā)電量的3%左右?？梢?jiàn)，電廠內(nèi)風(fēng)機(jī)的耗能較大，是電廠自用電的主要設(shè)備。

松藻電力有限公司2×480t/h東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司生產(chǎn)的超高壓循環(huán)流化床鍋爐各配置兩臺(tái)50%容量的引風(fēng)機(jī)、兩臺(tái)50%容量的一次風(fēng)機(jī)和兩臺(tái)50%容量的二次風(fēng)機(jī)，公司自2006年4月建成投運(yùn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)際運(yùn)行，逐漸暴露出自用電率較高，耗能較大。鍋爐所配風(fēng)機(jī)配套電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1：

以上風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方式采用了擋板調(diào)節(jié)方式，正常時(shí)運(yùn)行開(kāi)度為50%左右，形成擋板兩側(cè)風(fēng)壓差，造成節(jié)流損失；同時(shí)風(fēng)機(jī)擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)為大力矩電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，故障較高，自動(dòng)率較低。為此松藻電廠去年對(duì)鍋爐風(fēng)機(jī)進(jìn)行了節(jié)電改造。

二、方案比選

針對(duì)鍋爐風(fēng)機(jī)的負(fù)荷波動(dòng)大、低負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)、效率較低、電耗大的運(yùn)行情況，電廠決定將電動(dòng)機(jī)的常規(guī)定速傳動(dòng)改為高效節(jié)能的調(diào)速傳動(dòng)。高效節(jié)能的調(diào)速方式有變極調(diào)速、串級(jí)調(diào)速和變頻調(diào)速三類(lèi)，三類(lèi)調(diào)速方案的比較見(jiàn)表2：

從上表分析和目前各方案在企業(yè)內(nèi)的應(yīng)用業(yè)績(jī)來(lái)看，由固定磁極型鼠籠交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的工藝設(shè)備要作節(jié)能改造，選擇變頻調(diào)速方案較好，雖然此方案投資略高，但節(jié)電潛力更大、可以很快從節(jié)電效益來(lái)收回初期投資。

高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型電力傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)，主要用于交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，其技術(shù)和性能勝過(guò)其他任何一種調(diào)速方式（如：降壓調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速和液力耦合調(diào)速）。變頻調(diào)速以其顯著的節(jié)能效益，高精確的調(diào)速精度，寬范圍的調(diào)速范圍，完善的電力電子保護(hù)功能，以及易于實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)通信功能，得到了廣大用戶(hù)的認(rèn)可和市場(chǎng)的確認(rèn)，在運(yùn)行的安全可靠、安裝使用、維修維護(hù)等方面，也給使用者帶來(lái)了極大的便利和快捷的服務(wù)，使之成為高壓電機(jī)節(jié)能技術(shù)改造的首選方案。

對(duì)于高壓變頻器，按控制結(jié)構(gòu)主要分電壓型和電流型變頻器兩大類(lèi)，電壓型變頻器按電路結(jié)構(gòu)可分為IGBT直接型、單元多重化型、多電平型等類(lèi)型。這幾類(lèi)變頻器從技術(shù)安全可靠、運(yùn)行效率、整機(jī)性能、價(jià)格等多方面進(jìn)行比較，尤以IGBT直接型高壓變頻器的性?xún)r(jià)比最高。

因此，電廠選用了IGBT直接型高壓變頻器控制對(duì)現(xiàn)有鍋爐風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造。

三、高壓變頻器技術(shù)介紹

（一）高壓變頻器的結(jié)構(gòu)及工作原理

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高—高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串并聯(lián)而成，從而由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出，它對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、共模電壓等問(wèn)題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)，其工作原理如下：

1．電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串接起來(lái)，形成Y結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)。6kV電壓等級(jí)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，其每相由幾個(gè)功率單元串聯(lián)而成。

2．每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用延邊三角形接法，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。給功率單元供電的二次繞組每3個(gè)一組，分為幾個(gè)不同的相位組。輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真小于1%，輸入的綜合功率因數(shù)可達(dá)0.95以上。

3．逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯(cuò)開(kāi)一定的電角度，實(shí)現(xiàn)多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波，輸出電壓每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，功率單元采用較低的開(kāi)關(guān)頻率，以降低開(kāi)關(guān)損耗，提高效率。

6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。圖1以15個(gè)功率模塊為例。

（二）風(fēng)機(jī)高壓變頻器節(jié)能的原理

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為：

n₁=60f₁/p（1）

式中：n₁為同步轉(zhuǎn)速；f₁為定子頻率；p為磁極對(duì)數(shù)。

而異步電動(dòng)機(jī)的軸轉(zhuǎn)速為：

n= n₁（1-s）=60 f₁（1-s）/p（2）

式中：s為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，s=（n₁-n）/ n₁

由上可知，改變電機(jī)的供電頻率，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行。

通過(guò)液體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)類(lèi)設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：

Q_a/Q_b=n_a/n_b（3）

H_a/H_b=（n_a/n_b）²（4）

P_a/P_b=（n_a/n_b）³（5）

式中：Q_a、H_b、P_a分別為風(fēng)機(jī)在n_a轉(zhuǎn)速時(shí)的流量、壓力、軸功率；Q_b、H_b、P_b分別為風(fēng)機(jī)在n_b轉(zhuǎn)速時(shí)的相似工況下條件下的流量、壓力，軸功率。

由公式（3）、（4）、（5）可知，風(fēng)機(jī)的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，壓力與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。由公式（3）可知，在其他運(yùn)行條件不變的情況下，只要調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以調(diào)節(jié)流量，通過(guò)下調(diào)其運(yùn)行速度，就可以節(jié)約電能，且節(jié)電效果明顯。假如轉(zhuǎn)速降低一半，即：n_b/ n_a=1/2，則P_b/P_a=1/8，可見(jiàn)降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)速由n_a降為n_b時(shí)，風(fēng)機(jī)的額定工作參數(shù)Q、H、P都降低了。但從效率曲線上看，Q_b點(diǎn)的效率值與Q_a點(diǎn)的效率值基本是一樣的。也就是說(shuō)當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，額定工作參數(shù)相應(yīng)降低，但效率不會(huì)降低。因此在滿(mǎn)足操作要求的前提下，風(fēng)機(jī)仍能在同樣的效率下工作。

降低了轉(zhuǎn)速，風(fēng)量就不再用關(guān)小風(fēng)門(mén)或閥門(mén)來(lái)控制，風(fēng)門(mén)始終處于全開(kāi)狀態(tài)，避免了由于關(guān)小風(fēng)門(mén)引起的風(fēng)力損失增加，也就避免了總效率的下降，確保了能源的充分利用。

四、鍋爐風(fēng)機(jī)的節(jié)電改造

松藻電廠于2008年2月對(duì)2#鍋爐引風(fēng)機(jī)，一次風(fēng)機(jī)，二次風(fēng)機(jī)進(jìn)行了變頻節(jié)電改造。直接利用引風(fēng)機(jī)附近的除灰綜合樓四樓上的一間空房，作為變頻器控制室。變頻器可通過(guò)在控制柜門(mén)上“遠(yuǎn)控/本控”開(kāi)關(guān)的切換實(shí)現(xiàn)“本機(jī)控制”與“遠(yuǎn)方控制”?！斑h(yuǎn)方控制”與原有的DCS連接，在引風(fēng)機(jī)控制畫(huà)面中增加了變頻器畫(huà)面，與變頻器輸出接口聯(lián)接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，運(yùn)行人員可以通過(guò)DCS中的畫(huà)面對(duì)引風(fēng)機(jī)和變頻器的工作電流、轉(zhuǎn)速以及運(yùn)行、停止、故障等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。另外，變頻器的控制調(diào)節(jié)還通過(guò)負(fù)壓調(diào)節(jié)器接受爐膛負(fù)壓信號(hào)和來(lái)自送風(fēng)系統(tǒng)的前饋信號(hào)，綜合運(yùn)算后經(jīng)手、自動(dòng)切換單元輸出4~20mA到變頻器的控制端，調(diào)節(jié)變頻器輸出電源的頻率，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變引風(fēng)量，達(dá)到穩(wěn)定爐膛負(fù)壓的目的。

五、節(jié)能效果計(jì)算

（一）改造前鍋爐引風(fēng)機(jī)和一、二次風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗情況

每臺(tái)鍋爐均有兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)、一、二次風(fēng)機(jī)，當(dāng)帶負(fù)荷為12萬(wàn)kW以上時(shí)，各風(fēng)機(jī)均啟動(dòng)兩臺(tái)才能保證機(jī)組運(yùn)行要求；當(dāng)帶負(fù)荷12萬(wàn)kW以下時(shí)，引風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)只需啟動(dòng)一臺(tái)就能滿(mǎn)足要求。

設(shè)備每年運(yùn)行7000小時(shí)，其中15萬(wàn)kW發(fā)電時(shí)間占1200小時(shí)、14萬(wàn)kW發(fā)電時(shí)間占250小時(shí)、13萬(wàn)kW發(fā)電時(shí)間占1000小時(shí)、12萬(wàn)kW發(fā)電時(shí)間占900小時(shí)、11萬(wàn)kW發(fā)電時(shí)間占250小時(shí)、10萬(wàn)kW發(fā)電時(shí)間占900小時(shí)、9萬(wàn)kW發(fā)電時(shí)間占500小時(shí)、8萬(wàn)kW發(fā)電時(shí)間占2000小時(shí)

（二）改造后鍋爐引風(fēng)機(jī)和一、二次風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗情況

2#鍋爐的六臺(tái)風(fēng)機(jī)一年共計(jì)節(jié)約電能計(jì)算如下：

354.1+78.6+126.8+32.6+126.0+214.2+44.6+193.4=1170.3萬(wàn)kW.h

兩臺(tái)機(jī)組一年共節(jié)約電能1170.3×2=2340.6萬(wàn)kW.h

如果電費(fèi)按0.5元/kW.h計(jì)算，兩臺(tái)機(jī)組一年節(jié)約的電費(fèi)為：2340.6萬(wàn)kW.h×0.5元/kW.h=1170.3萬(wàn)元

六、結(jié)語(yǔ)

利用變頻器調(diào)速是目前最佳的調(diào)速方式。傳統(tǒng)的調(diào)速、流量控制方式存在著效率低、質(zhì)量差、消耗大、故障率高等弱點(diǎn)。利用變頻器調(diào)速來(lái)改造落后的傳統(tǒng)調(diào)速方式，能明顯提高用電效率，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，除低引風(fēng)機(jī)風(fēng)葉震動(dòng)，降低軸承磨損，以變頻調(diào)速取代傳統(tǒng)調(diào)速有明顯的節(jié)電效果，隨著變頻技術(shù)的不斷提高和電力行業(yè)人員對(duì)其認(rèn)識(shí)的不斷加深，變頻技術(shù)必將在電力行業(yè)有更廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：向立清（1971- ），女，重慶人，供職于重慶市渝經(jīng)能源技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，中級(jí)職稱(chēng)，研究方向：電力行業(yè)電氣設(shè)計(jì)。