高壓變頻調(diào)速技術(shù)在火力發(fā)電廠節(jié)能中的應(yīng)用

【摘要】本文分析了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點(diǎn)，并探討了各種變頻調(diào)速方式的節(jié)能效果的差異。

【關(guān)鍵詞】高壓變頻調(diào)速；火力發(fā)電廠；優(yōu)缺點(diǎn)；節(jié)能效果

1、引言

近年來，隨著國家節(jié)能減排政策的大力推廣，火電廠的設(shè)備節(jié)能改造也開始逐步進(jìn)行，而風(fēng)機(jī)、水泵作為火電廠數(shù)量最多的輔助設(shè)備，具有非常顯著的節(jié)能空間。同時(shí)，火電廠裝機(jī)容量不斷加大，導(dǎo)致機(jī)組的調(diào)峰力度隨之增大，機(jī)組的負(fù)荷在運(yùn)行周期內(nèi)也有較大范圍的改變，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)、水泵流量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)勢在必行。目前，我國火電廠大多采用節(jié)流閥對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，雖然可實(shí)現(xiàn)流量的變化，但并沒有根本改變電動(dòng)機(jī)的輸出功率，沒有達(dá)到節(jié)能的效果。但電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，火電廠風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備的節(jié)能改造普遍開始采用變頻調(diào)速裝置，取得了令人滿意的效果。

2、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點(diǎn)

2.1主要優(yōu)點(diǎn)分析

1）調(diào)速效率高。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可使風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備的電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行頻率發(fā)生改變后仍保持額定轉(zhuǎn)差率基本不變，也就是使電動(dòng)機(jī)維持在改變后頻率的同步轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行，這樣的好處是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差損失不變。同時(shí)，當(dāng)速度發(fā)生變化時(shí)，只有變頻裝置中產(chǎn)生能量損耗，但電動(dòng)機(jī)的自身損耗及效率會(huì)降低，其原因主要是由于高次諧波的影響。

2）調(diào)速范圍寬。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)10：1或20：1，可實(shí)現(xiàn)頻率在50～5Hz或50～2.5Hz范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，同時(shí)在此調(diào)速范圍內(nèi)仍能保持系統(tǒng)具有較高的效率，因此低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運(yùn)行的負(fù)載應(yīng)用效果更為顯著。

3）在變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障或者有其他經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案需要時(shí)，變頻裝置可停止運(yùn)行，此時(shí)設(shè)備的電能將由電網(wǎng)直接供給，這就確保了再系統(tǒng)故障時(shí)，風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備的運(yùn)行不受影響，或者在更為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行條件下，如設(shè)備在額定頻率范圍狀態(tài)下工作，此時(shí)采用節(jié)流等方式調(diào)節(jié)更為經(jīng)濟(jì)，這樣既保證了整個(gè)電力系統(tǒng)的安全可靠，又使得系統(tǒng)的節(jié)能效果更為顯著。

4）變頻調(diào)速裝置除了可以調(diào)節(jié)流量外，還可以同時(shí)作為電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)裝置使用。

2.2主要缺點(diǎn)分析

1）雖然理論上變頻調(diào)速系統(tǒng)可適用絕大部分設(shè)備的節(jié)能改造，但目前在高壓大容量傳動(dòng)設(shè)備中還不能普遍推廣，其主要原因有兩個(gè)方面：一方面是火電廠裝機(jī)容量越來越大，與之相適應(yīng)的輔助機(jī)組供電電壓可達(dá)到3～10kV，但功率開關(guān)器件往往不能承受如此高的電壓；另一方面是高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)無論是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)還是安裝運(yùn)行，都需要較高的技術(shù)，其經(jīng)濟(jì)成本也較高，而過高的投入將造成設(shè)備改造后無法取得實(shí)際的經(jīng)濟(jì)和節(jié)能效益。

2）變頻器分為電流型和電壓型兩種類型，二者的共同點(diǎn)是產(chǎn)生的電流或電壓的波形均為高次諧波，因此設(shè)備及其供電電源的運(yùn)行將受到很多負(fù)面影響。較典型的表現(xiàn)是，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中由于高次諧波的影響將產(chǎn)生更多的附加損耗，溫升隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致其效率和功率因數(shù)均降低、噪聲增大等問題。此外，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩在高次諧波的影響下降發(fā)生脈動(dòng)現(xiàn)象，脈動(dòng)的頻率可用6kf（k=1，2，3…）表示，當(dāng)次頻率與系統(tǒng)的固有頻率相近時(shí)，將引發(fā)變頻裝置與設(shè)備的共振現(xiàn)象。但采用一定的措施是可以使變頻器輸出的高次諧波有所降低的，如采用PWM變頻器或采用多重化技術(shù)的電流型和電壓型變頻器將大大改善裝置的輸出波形。

3、各種變頻調(diào)速方式的節(jié)能效果比較

風(fēng)機(jī)、水泵的流量調(diào)節(jié)方式可分為非變速調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)兩大類，各種調(diào)速方式的差別主要表現(xiàn)在對(duì)轉(zhuǎn)差功率的處理上，即轉(zhuǎn)差功率消耗型（如液力耦合器調(diào)速、液力調(diào)速離合器調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速以及繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速）、轉(zhuǎn)差功率回饋型（繞線式異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速）以及轉(zhuǎn)差功率不變型（變級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速），第一種屬于低效調(diào)速方式，后兩種屬于高效調(diào)速方式。高效調(diào)速方式的節(jié)能效果相差不大，因此本文著重討論低效調(diào)速方式的節(jié)能效果的差異。

如上所述，目前我國采用的低效調(diào)速方式共有五種，其差別是采用的變頻器類型不同，但它們存在一個(gè)共同點(diǎn)，也就是各低效調(diào)速方式的調(diào)速效率等于轉(zhuǎn)速比（ηv=n2/n1=i），但其節(jié)能效果仍存在很大差別。

首先，裝配了液力耦合器調(diào)速和繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的風(fēng)機(jī)和水泵等設(shè)備的電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速仍然可以達(dá)到未改造時(shí)的額定轉(zhuǎn)速，因此其節(jié)能效果也是最好的。這兩種調(diào)速方式下的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的2/3時(shí)將產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)差損失，其值為0.148，也就是在實(shí)際運(yùn)行中，改造設(shè)備達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)所需的軸功率值。

其次，風(fēng)機(jī)和水泵等設(shè)備在裝配了液力耦合器調(diào)速和電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速時(shí)，其電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速并不能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，因此這兩種調(diào)速方式的節(jié)能效果與上述兩種相比較低。在這種調(diào)速方式下，水泵和風(fēng)機(jī)與變頻裝置相連接的主動(dòng)部分與被動(dòng)部分之間要存在一定的轉(zhuǎn)速差才能正常運(yùn)行。風(fēng)機(jī)和水泵的最高轉(zhuǎn)速比為，其中為設(shè)備運(yùn)行時(shí)的最高轉(zhuǎn)速，液力耦合器的最高轉(zhuǎn)速比in范圍為0.97～0.98，以往的電磁轉(zhuǎn)差離合器最高轉(zhuǎn)速比in范圍為0.83～0.87，而目前新產(chǎn)品的 范圍為in0.94～0.96。與上述兩種方式相同，采用這兩種方式改造的設(shè)備運(yùn)行時(shí)的最大轉(zhuǎn)差損失也產(chǎn)生在2/3額定轉(zhuǎn)速下，此時(shí)轉(zhuǎn)差損失最大，可用計(jì)算，設(shè)備在非額定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)差損失可用表示，由上式可知，在轉(zhuǎn)速比i一定的條件下，in越小則越大。此外，由于采用這兩種變頻調(diào)速方式的設(shè)備達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速，因此要采取措施加大設(shè)備的出力，例如加大風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備的額定容量等。

對(duì)于調(diào)壓調(diào)速裝置，調(diào)速線路的晶閘管要產(chǎn)生換流損失，晶閘管換流產(chǎn)生的高次諧波也會(huì)影響到電動(dòng)機(jī)的性能。此外調(diào)速調(diào)壓裝置通常配置高轉(zhuǎn)子電阻的鼠籠式電動(dòng)機(jī)，它的效率比普通的鼠籠式電動(dòng)機(jī)要低。因此，它是上述低效調(diào)速方式中節(jié)能效果最差的。

4、結(jié)語

高壓變頻調(diào)速技術(shù)在火力發(fā)電廠節(jié)能改造中得到了廣泛的應(yīng)用，取得了良好的效果，火電廠應(yīng)積極鑒定新方法的有效性，在正確鑒定的基礎(chǔ)上合理開發(fā)，把高壓變頻技術(shù)變?yōu)楦倪M(jìn)的表帥，為我國節(jié)能減排增效政策的實(shí)施貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

[1]張猛.變頻調(diào)速技術(shù)在現(xiàn)代火力發(fā)電廠中的應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009，18.

[2]黃生琪，周菊華.我國節(jié)能減排的意義，現(xiàn)狀及措施[J].節(jié)能技術(shù)，2008，2（26）.

作者簡介

謝秀明（1979-），女，山東省鄒城市人，大學(xué)本科。研究方向：火力發(fā)電廠電氣設(shè)備檢修與維護(hù)、電氣運(yùn)行管理及事故處理等。