高壓變頻調(diào)速技術(shù)在發(fā)電廠中的應(yīng)用

任 英

（無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇宜興214200）

1 引言

給水泵、凝結(jié)泵、引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、磨煤機(jī)等電機(jī)拖動系統(tǒng)，是發(fā)電機(jī)組安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定運(yùn)行的重要輔機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)也是電廠廠用電系統(tǒng)中重要的負(fù)荷設(shè)備，屬于電廠中的主要耗電大戶。在電廠中，輔機(jī)系統(tǒng)耗電量約占廠用電用電量的80%左右，其中鍋爐給水泵、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵等給排水輔機(jī)系統(tǒng)，其耗電量約占整個(gè)廠用電系統(tǒng)的45%；而鍋爐送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，其耗電量約占整個(gè)廠用電系統(tǒng)的30%。發(fā)電機(jī)組容量規(guī)模的進(jìn)一步提高，其對輔機(jī)設(shè)備功率性能也提出了更高的要求，高能耗、響應(yīng)慢、調(diào)節(jié)性能差等已成為輔機(jī)系統(tǒng)制約發(fā)電機(jī)組安全高效運(yùn)行的重要瓶頸［1]。因此，針對電廠常規(guī)輔機(jī)系統(tǒng)中存在的能耗較大、節(jié)流損失較大、執(zhí)行器響應(yīng)速度較慢、調(diào)節(jié)非線性較嚴(yán)重、設(shè)備故障率較高等問題，采取合理的高壓變頻調(diào)速控制方案對電廠輔機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級改造，有效增強(qiáng)輔機(jī)系統(tǒng)中水泵、風(fēng)機(jī)等電機(jī)拖動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，提高其運(yùn)行的安全可靠性和電能綜合利用效率，確保發(fā)電機(jī)組安全高效進(jìn)行電能生產(chǎn)，促進(jìn)電廠在低碳綠色環(huán)保技術(shù)要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的［2]。

2 變頻調(diào)速節(jié)能控制原理

在電廠輔機(jī)系統(tǒng)中，主要控制對象是電能生產(chǎn)工藝中的流量、溫度、液位、壓力等特性參數(shù)。常規(guī)的控制方案通過靜態(tài)調(diào)節(jié)閥門、擋板等機(jī)械設(shè)備的開度來實(shí)現(xiàn)特性參數(shù)定量調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過程中存在較大節(jié)流損失。另外，輔機(jī)電機(jī)始終處于工頻運(yùn)行工況，而實(shí)際系統(tǒng)大部分時(shí)間均處于非滿負(fù)荷運(yùn)行工況，這樣勢必會造成大量電能資源浪費(fèi)。高壓變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)，利用輔機(jī)系統(tǒng)中的工藝參數(shù)對電機(jī)輸入電源頻率進(jìn)行精確調(diào)節(jié)控制，確保輔機(jī)系統(tǒng)輸入與輸出間基本保持平衡，不僅可以避免節(jié)流損失和無謂電能資源浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。同時(shí)，通過合理變頻調(diào)速控制降低起動電流，減少輔機(jī)系統(tǒng)起動過程中對廠用電系統(tǒng)的沖擊，延長輔機(jī)系統(tǒng)的綜合使用壽命［3]。

由相似理論可知，改變水泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n1到n2時(shí)，其能量轉(zhuǎn)換效率基本保持不變，相應(yīng)流量（Q）、揚(yáng)程（H）、以及功率（N）將會按照式（1）進(jìn)行調(diào)節(jié)，即：

由式（1）所示的水泵或風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)特性，可以獲得水泵或風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)性能曲線如圖1所示。

圖1 改變水泵或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)性能曲線

從式（1）和圖1可知，在常規(guī)閥門或擋板變流調(diào)節(jié)方案中，電機(jī)始終處于額定轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行，是通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)管阻特性使閥門從全開逐步關(guān)小來完成流量、揚(yáng)程等參數(shù)調(diào)節(jié)，如：要實(shí)現(xiàn)水泵或風(fēng)機(jī)流量由Q1調(diào)節(jié)到Q2，則通過調(diào)節(jié)開度實(shí)現(xiàn)管阻特性從R1調(diào)節(jié)到R2，從A點(diǎn)躍到B點(diǎn)；而變頻調(diào)速節(jié)能控制，是通過調(diào)節(jié)揚(yáng)程特性實(shí)現(xiàn)流量的平滑調(diào)節(jié)，即將水泵或風(fēng)機(jī)在n1轉(zhuǎn)速下的性能曲線換成到n2轉(zhuǎn)速下的新性能曲線的過程中，它與不變的管阻特性曲線R1的交點(diǎn)（即：工況點(diǎn)）將由A點(diǎn)平滑過渡到C，相應(yīng)水泵或風(fēng)機(jī)的流量會由Q1平滑過渡到Q2。按照面積估算法可知，在調(diào)節(jié)相同流量的條件下（如圖1中從Q1到Q2調(diào)節(jié)過程中），常規(guī)閥門或擋板變流調(diào)節(jié)其電能消耗為OQ2BH′2；而變頻調(diào)速節(jié)能控制方案中其電能消耗為OQ2CH2。從上述分析可知，變頻調(diào)速控制比節(jié)流控制軸功率要小很多，整個(gè)水泵或風(fēng)機(jī)電機(jī)拖動系統(tǒng)理論可以節(jié)約電能資源為H2CBH′2（圖1中陰影部分所示）。

由電機(jī)學(xué)可知，水泵或風(fēng)機(jī)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)輸入電源頻率（f）、轉(zhuǎn)差率（s）、磁極對數(shù)（p）3個(gè)特性參數(shù)間有直接關(guān)系，其具體函數(shù)表達(dá)為：

從式（2）可知，通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)差率和磁極對數(shù)來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，均涉及到電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中可行性和操作靈活性較差。改變電機(jī)輸入電源頻率在理論研究和實(shí)際工程應(yīng)用中已相當(dāng)成熟，即在水泵或風(fēng)機(jī)電機(jī)節(jié)能升級改造過程中，通過變頻調(diào)速控制改變電機(jī)輸入電源頻率，就可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到動態(tài)調(diào)節(jié)流量的節(jié)能改造目的［4]。

3 電廠風(fēng)機(jī)節(jié)能改造方案

3.1 工程概況

電廠3#600MW火力發(fā)電機(jī)組的2臺6.3kV高壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)值偏大，存在嚴(yán)重“大馬拉小車”問題。3#機(jī)組一次風(fēng)機(jī)輔機(jī)系統(tǒng)，鼓風(fēng)機(jī)型號為17881Z/1165，軸功率為1868kW，額定流量為110m3/min，全壓為14.318kPa，額定轉(zhuǎn)速為1480r/min，能量轉(zhuǎn)換效率為86.5%；配套電機(jī)型號為YKK630-6kV,額定功率為2240kW，額定電壓為6.3kV，額定電流為248A，額定轉(zhuǎn)速為1480r/min，功率因數(shù)為0.9，防護(hù)等級為F級IP55。從大量歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，該發(fā)電機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)，其風(fēng)機(jī)動、靜葉調(diào)節(jié)過程中的節(jié)流損失，相比于額定運(yùn)行工況下節(jié)流損失會增加35%～45%，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率較低，能耗非常嚴(yán)重，嚴(yán)重影響到發(fā)電機(jī)組的廠用電率。結(jié)合風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，從理論分析可知，如采用6.3kV高壓變頻節(jié)能調(diào)速控制方案，對3＃機(jī)組的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行變頻節(jié)能升級改造，可以降低風(fēng)機(jī)系統(tǒng)廠用電率40%左右。

3.2 節(jié)能升級改造方案

為了滿足綠色環(huán)保節(jié)能電廠技術(shù)升級改造要求，減少無謂電能資源浪費(fèi)，降低電廠廠用電率，并提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制性能，決定采用高壓變頻器對3＃發(fā)電機(jī)組2臺6.3kV高壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)升級改造。按照3＃機(jī)組2臺高壓風(fēng)機(jī)并聯(lián)獨(dú)立運(yùn)行工藝需求，并考慮到風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，決定采用1臺高壓變頻器拖動1臺高壓風(fēng)機(jī)的單元接線自動切換改造方案，其具體邏輯接線如圖2所示。

圖2 6.3kV高壓風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能改造方案

從圖2可知，除了采用6.3kV高壓變頻器外，虛線部分為本次節(jié)能升級改造內(nèi)容的主要一次系統(tǒng)，由3個(gè)6.3kV高壓真空接觸器（KM1、KM2、KM3）、2個(gè)6.3kV高壓隔離開關(guān)（QS1、QS2）、1個(gè)PT互感器共同組成一面旁路柜。電廠廠用電6.3kV電源經(jīng)QF11用戶開關(guān)、QS1高壓隔離開關(guān)、KM2高壓真空接觸器與高壓變頻調(diào)速裝置相連，變頻調(diào)速裝置經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算模塊形成對應(yīng)的控制策略，并經(jīng)KM3高壓真空接觸器和QS2高壓隔離開關(guān)與6.3kV高壓風(fēng)機(jī)電機(jī)相連，將電源供給電機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)輔機(jī)系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能控制運(yùn)行。為了提高輔機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，在變頻調(diào)速控制裝置出現(xiàn)故障后為確保發(fā)電機(jī)組安全高效的運(yùn)行，6.3kV電源還可以通過KM1高壓真空接觸器直接供給高壓風(fēng)機(jī)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)工頻運(yùn)行。

4 節(jié)能技術(shù)升級改造應(yīng)用效果分析

4.1 3＃機(jī)組日平均電力負(fù)荷計(jì)算

為了較為準(zhǔn)確分析3＃機(jī)組高壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)升級改造后的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益，將3＃機(jī)組2011年1月升級改造后1月-12月的電力負(fù)荷運(yùn)行情況進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而分析＃3機(jī)組每天的平均日負(fù)荷曲線。3＃機(jī)組2011年1月-12月每天典型數(shù)據(jù)所組成的日平均負(fù)荷波動曲線如圖3所示。

圖3 3＃機(jī)組日平均負(fù)荷波動曲線

從圖3可知，通常在7時(shí)前發(fā)電機(jī)所帶電力負(fù)荷偏低，7時(shí)后開始上升10時(shí)達(dá)到最高負(fù)荷，并基本維持最高負(fù)荷持續(xù)到12時(shí)，之后有所下降，從13時(shí)到18時(shí)負(fù)荷維持在一個(gè)較高點(diǎn)，從19時(shí)開始有所上升并維持2-3小時(shí)，最后到21小時(shí)開始慢慢下降，直到初始負(fù)荷。圖3所示的3＃機(jī)組負(fù)荷波動基本滿足電力負(fù)荷日波動特性，通過對3＃機(jī)組24小時(shí)的負(fù)荷進(jìn)行加權(quán)平均，獲得3#機(jī)組日平均負(fù)荷大約為426MW/h。2011年3#機(jī)組全年發(fā)電量為2377826MWh，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為4247.18h，由此可以計(jì)算出3#機(jī)組平均功率為428.29MW/h，與圖3計(jì)算獲得的429MW/h基本相等。統(tǒng)計(jì)分析可知，機(jī)組按照330MW、400MW、500MW、600MW 4個(gè)運(yùn)行工況進(jìn)行運(yùn)行，其負(fù)荷工況運(yùn)行小時(shí)數(shù)大約為8h、8h、4h、4h，相應(yīng)計(jì)算出的日平均負(fù)荷為427MW/h，與日平均負(fù)荷426MW/h比較符合。

4.2 節(jié)能效益分析

3#機(jī)組一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)其在不同工況條件下工頻和變頻運(yùn)行電機(jī)所消耗電能，如表1所示。

表1 一次風(fēng)機(jī)工頻及變頻運(yùn)行數(shù)據(jù)對比

從表1可以看出，3#機(jī)組高壓一次風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速節(jié)能升級改造后，其在不同負(fù)荷工況下從工頻運(yùn)行功率的1557.93 kW·h-1、1582.36AkW·h-1、1722.83 kW·h-1、1801.31 kW·h-1，有效降低到變頻運(yùn)行功率的401.6 kW·h-1、479.58 kW·h-1、868.82 kW·h-1、1189.57 kW·h-1。當(dāng)機(jī)組電力負(fù)荷不斷下降時(shí)，變頻調(diào)速所取得的節(jié)能效果越好，在330MW負(fù)荷工況，其節(jié)約功率最為明顯，節(jié)約1156.33 kW·h-1。 3#機(jī)組一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級改造后，其一天可以節(jié)約電量為：

一年大約可以節(jié)約電量（按年運(yùn)行小時(shí)數(shù)4247.18h計(jì)算）為：

按照平均每度電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為320g/kW·h計(jì)算，則可以節(jié)約標(biāo)煤約1355.5t。按照火電廠上網(wǎng)電價(jià)0.38元/kW·h計(jì)算，則3#機(jī)組一次風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速節(jié)能升級改造后，一年可以節(jié)約資金約161萬元。6.3kV變頻調(diào)速裝置按照950元/kW進(jìn)行估算，則3#機(jī)組一次風(fēng)機(jī)單臺變頻調(diào)速裝置的升級改造成本約為213萬元，只需1.5年就能完全收回成本。

3#機(jī)組一次風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻調(diào)速節(jié)能升級改造后，不僅其節(jié)能效果十分明顯，每年可以節(jié)約213萬元，而且調(diào)節(jié)運(yùn)行較為靈活方便，且大大降低風(fēng)機(jī)電機(jī)起動電流，確保風(fēng)機(jī)輔機(jī)系統(tǒng)具有較高的安全可靠性。

5 結(jié)束語

隨著電力電子技術(shù)理論研究和工程實(shí)踐應(yīng)用的進(jìn)一步完善，高壓變頻器在響應(yīng)性、調(diào)節(jié)性等各項(xiàng)技術(shù)性能方面均有很大拓寬和提高［5]。電廠高壓一次風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速裝置，其投資較低且節(jié)能效益較為明顯，通常在1-2年內(nèi)就能完全收回投資成本。在火力發(fā)電行業(yè)中，風(fēng)機(jī)、水泵等輔機(jī)負(fù)荷種類較多、功率較大，應(yīng)充分結(jié)合輔機(jī)系統(tǒng)各種工況特性，合理選用變頻器進(jìn)行節(jié)能升級改造，提高輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行的高效穩(wěn)定性和調(diào)速的準(zhǔn)確可靠性，確保發(fā)電機(jī)組安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的高效穩(wěn)定發(fā)電運(yùn)行。

［1] 周希章，周 全.電動機(jī)的起動、制動和調(diào)速［M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［2] 吳忠智，吳加林.變頻器應(yīng)用手冊［M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［3] 謝 茹.210MW發(fā)電機(jī)組風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速改造［J] .中國設(shè)備工程，2010（5）：62-63.

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