變頻調(diào)速控制技術(shù)在電廠熱工控制中的應(yīng)用

內(nèi)蒙古能源發(fā)電投資集團(tuán)有限公司錫林熱電廠 孫守江

變頻調(diào)速控制技術(shù)在電廠熱工控制中的應(yīng)用

內(nèi)蒙古能源發(fā)電投資集團(tuán)有限公司錫林熱電廠 孫守江

通過(guò)對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行描述，對(duì)變頻調(diào)速控制進(jìn)行分析，探討變頻調(diào)速控制技術(shù)在電廠熱工控制中的運(yùn)用，通過(guò)變頻調(diào)速控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中有效提升工藝及控制性能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

變頻調(diào)速控制技術(shù)；電廠；熱工控制

引言

給水泵、送風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、凝結(jié)泵、引風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)等電機(jī)體系，作為發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的主要系統(tǒng)，成為電廠用電系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵的負(fù)荷設(shè)施，是電廠內(nèi)主要的耗費(fèi)對(duì)象。發(fā)電機(jī)組容量不斷提升，對(duì)輔機(jī)設(shè)施功率性能的要求逐漸提升，高能耗、調(diào)節(jié)性能差、響應(yīng)慢的狀況束縛了發(fā)電機(jī)組安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)的主要制約因素。對(duì)于電廠熱工控制當(dāng)中耗能較大、流量嚴(yán)重、執(zhí)行器響應(yīng)速度遲緩、協(xié)調(diào)非線性尤為嚴(yán)峻、設(shè)施故障率較高等現(xiàn)象，通過(guò)有效的高壓變頻調(diào)速控制方式對(duì)電廠熱工控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，顯著提升水泵、風(fēng)機(jī)等電機(jī)的調(diào)節(jié)功能，以提高其運(yùn)轉(zhuǎn)當(dāng)中的安全性與可靠性，保障發(fā)電機(jī)組安全進(jìn)行電能生產(chǎn)，加快電廠在綠色環(huán)保技術(shù)中完成節(jié)能降耗，以體現(xiàn)出低碳環(huán)保的形態(tài)。

1 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展歷程

變頻調(diào)速技術(shù)涵蓋了電工、電力、電子、信息與控制等不同范疇。由于電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的不斷提高，變頻調(diào)速技術(shù)有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展。交流變頻調(diào)速傳動(dòng)填補(bǔ)了直流電機(jī)的不足，展現(xiàn)出交流電機(jī)自身的特質(zhì)，且較好的彌補(bǔ)了交流電機(jī)調(diào)速性能的不足。交流變頻調(diào)速技術(shù)通過(guò)其高超的調(diào)速性能，良好的節(jié)能效果，及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)范疇的普遍運(yùn)用，而被看做最具前途的交流調(diào)速形式，體現(xiàn)出電氣流動(dòng)發(fā)展的主流方位。變頻調(diào)速技術(shù)可以提升控制性能、節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量及品質(zhì)。變頻調(diào)速理論已成為較為完善的科學(xué)體系，變成一項(xiàng)獨(dú)立的項(xiàng)目[1]。

上世紀(jì)作為電力電子變頻技術(shù)從產(chǎn)生至發(fā)展的黃金時(shí)期。其理論最初產(chǎn)生于上世紀(jì)20年代，到了60年代，隨著電力電器的發(fā)展，令變頻調(diào)速控制技術(shù)朝著實(shí)用角度發(fā)展。在70年代，隨著工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家石油危機(jī)的發(fā)生，令其加大人力、財(cái)力、物力投入，并對(duì)高效率變頻器進(jìn)行分析，令變頻調(diào)速控制技術(shù)獲得良好的發(fā)展。在80年代，變頻調(diào)速已變成產(chǎn)品化，其性能持續(xù)攀升，激發(fā)了交流調(diào)速的優(yōu)越性，大量使用于工業(yè)各部門，且有一部分代替了直流調(diào)速。到了90年代，因?yàn)樾滦碗娏﹄娮悠骷S之發(fā)展，性能隨之提升，計(jì)算機(jī)技術(shù)大量應(yīng)用，較大提升了變頻調(diào)速控制技術(shù)的性能，加快了變頻調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展，令其在調(diào)速范圍、調(diào)速準(zhǔn)確度、驅(qū)動(dòng)能力、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、功率因素、輸出性能、運(yùn)轉(zhuǎn)效率及使用便利性方面顯著提升了其余常規(guī)交流調(diào)速形式，其性能指標(biāo)也已超出了直流調(diào)速系統(tǒng)，從而取締了直流調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)前，交流變頻調(diào)速通過(guò)其特有的性能受到各個(gè)行業(yè)的矚目，在高新技術(shù)發(fā)展運(yùn)用中處處展現(xiàn)出變頻調(diào)速技術(shù)的強(qiáng)大性，變頻調(diào)速技術(shù)獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 變頻器的類別及特征

2.1 變頻器

變頻器是將電源轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌l率的交流電源，以完成電動(dòng)機(jī)變速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)施。

2.2 低壓變頻調(diào)速的特征

低壓變頻輸出電壓在380至650V，輸出功率在0.75至400kW,工作頻率在0至400Hz,其主電路均通過(guò)交、直、交電路，而且具備良好的一致性的拓?fù)錁?gòu)造。低壓變頻調(diào)速技術(shù)十分穩(wěn)定，不具有高壓器件，使用尤為便利，且控制電路結(jié)構(gòu)便捷，成本較低，機(jī)械特征具有較強(qiáng)的硬度，可以確保一般傳動(dòng)在平滑調(diào)速方的需求，可是低壓變頻的運(yùn)行力矩較低，因?yàn)楸旧淼膬?yōu)勢(shì)，低壓變頻調(diào)速技術(shù)被大量運(yùn)用。

2.3 高壓變頻器的類別

高壓變頻調(diào)速技術(shù)在上世紀(jì)90年代被快速發(fā)展，成為目前電力電子技術(shù)的重要發(fā)展動(dòng)向之一。高壓變頻調(diào)速技術(shù)主要通過(guò)電廠鍋爐引風(fēng)機(jī)及送風(fēng)機(jī)、給水泵等方式進(jìn)行高壓變頻系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2．3．1 高、低、高類

通過(guò)輸入變壓器將6kV的高壓降至600V或460V，通過(guò)低壓變頻器完成變頻調(diào)速，再通過(guò)輸出變壓器調(diào)至6kV。這一方式不可過(guò)1000kW的電動(dòng)機(jī)調(diào)速，由于效率較低，技術(shù)落后，并占有較大面積，因此需配備濾波器。

2．3．2 高、高類

通過(guò)6kV的額定電壓高壓變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，完成變頻調(diào)速，可是在系統(tǒng)電壓較高并功率開(kāi)關(guān)器件抗壓過(guò)低時(shí)，需通過(guò)串聯(lián)方式的功率開(kāi)關(guān)器件數(shù)量較多，逆變器耗損過(guò)大，系統(tǒng)可靠性及效率下降。這類方法從總體而言，技術(shù)較為先進(jìn)，可靠性強(qiáng)，效率較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，符合大容量電動(dòng)機(jī)。在電動(dòng)機(jī)處于1000kW左右時(shí)較為符合，但由于其需配備濾波器，因此較難維護(hù)，投資過(guò)大。

2．3．3 高、低、低類

通過(guò)新的低壓電動(dòng)機(jī)代替原本高壓電動(dòng)機(jī)，通過(guò)輸入變壓器進(jìn)行降壓，再通過(guò)低壓變頻進(jìn)行調(diào)速控制技術(shù)。但由于其工期較長(zhǎng)，占地較大，因此需將電動(dòng)機(jī)進(jìn)行更換。

2．3．4 多電平類

多電平功率更換在當(dāng)前高壓變頻中較為適中，此類別與其他幾種類別的主要差別在于功率器件開(kāi)關(guān)頻率顯著降低。其工作原理為：通過(guò)切分高電壓，令其轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)低壓電平，之后再通過(guò)多電平功率逆變器重合為正弦電壓波形，以此提高電平數(shù)量，合成階梯波形級(jí)數(shù)越多，合成電壓則越少產(chǎn)生畸變，因此，國(guó)外將其稱為完美無(wú)諧波的交流功率變換器。其能夠完美的運(yùn)用常規(guī)低壓功率開(kāi)關(guān)器件完成變頻調(diào)速技術(shù)，并在本質(zhì)上將諧波及EMI問(wèn)題進(jìn)行解決，無(wú)需設(shè)定輸出濾波器，則能夠使用在一般異步電動(dòng)機(jī)中?？捎捎谄溥\(yùn)用的功率開(kāi)關(guān)器數(shù)額過(guò)多，功率時(shí)常變更，使得變頻控制系統(tǒng)過(guò)于繁瑣。

2.4 變頻調(diào)速技術(shù)的技術(shù)特征

2．4．1 經(jīng)濟(jì)性較高

運(yùn)用變頻調(diào)速裝置，需謹(jǐn)慎抉擇對(duì)象。針對(duì)負(fù)荷變化過(guò)大的電動(dòng)機(jī)，采用變頻調(diào)速裝置具有顯著的節(jié)電效果。關(guān)于負(fù)荷變化不大的電動(dòng)機(jī)，通過(guò)變頻調(diào)速裝置后，不僅無(wú)法顯著節(jié)電，還會(huì)提高中間環(huán)節(jié)及耗費(fèi)。針對(duì)工藝及控制需求較高之處而言，可通過(guò)相符的變頻調(diào)速裝置進(jìn)行[2]。

2．4．2 調(diào)速特征良好

變頻調(diào)速的精度較高，具有較強(qiáng)的可靠性，轉(zhuǎn)矩較大，功能較強(qiáng)，操控簡(jiǎn)便，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以往所有調(diào)速方法。變頻器調(diào)速范疇在0至100%連續(xù)可調(diào)。加/減速時(shí)間為0.1至3200s，可依照負(fù)載狀況設(shè)定。頻率輸出則為0至120Hz，可依照電動(dòng)機(jī)狀況設(shè)定。頻率精度為±0.5%。可是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范疇無(wú)需過(guò)大，且需超出額定轉(zhuǎn)速的一半，最佳值為70%至100%之間。在轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40%至50%時(shí)，泵類及風(fēng)機(jī)的效率明顯降低，通過(guò)變頻調(diào)速較為浪費(fèi)。

2．4．3 節(jié)能效益較好

變頻器可以節(jié)省10%至70%的電量，能夠通過(guò)以下幾點(diǎn)進(jìn)行節(jié)電：首先，軟啟動(dòng)，通常交流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流是電動(dòng)機(jī)額定電流的6至7倍，變頻調(diào)速啟動(dòng)電流低于電動(dòng)機(jī)額定電流。其次，節(jié)約設(shè)計(jì)冗余，通常設(shè)計(jì)均通過(guò)運(yùn)用時(shí)的極端狀況，所以均會(huì)預(yù)留設(shè)計(jì)冗余，一旦余量較大，構(gòu)成大馬拉小車的狀況。變頻調(diào)速能夠?qū)⑦@方面冗余節(jié)約下來(lái)。再次，能夠調(diào)速節(jié)電。最后，功率因數(shù)較高，大多處于0.95以上，節(jié)約無(wú)功，降低變壓器負(fù)擔(dān)[3]。

3 電廠熱工過(guò)程的類別

3.1 單元機(jī)組負(fù)荷

單元機(jī)組負(fù)荷是一個(gè)尤為繁瑣的過(guò)程，具備了時(shí)變性、非線性及多個(gè)不確定狀態(tài)共存的繁瑣耦合過(guò)程。依照單元機(jī)組負(fù)荷過(guò)程的特征，能夠查看到創(chuàng)建正確數(shù)學(xué)模型較為艱難。

3.2 過(guò)熱汽溫

過(guò)熱汽溫指的是電廠熱工在蒸汽溫度掌控方面，透過(guò)對(duì)減溫水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)電廠熱工蒸汽溫度進(jìn)行掌控。過(guò)熱汽溫過(guò)程大多具有較大的控制慣性及時(shí)間滯后性，并且過(guò)熱氣溫工程的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)會(huì)由于熱工過(guò)程狀態(tài)轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生變動(dòng)。

3.3 鍋爐燃燒系統(tǒng)

鍋爐燃燒系統(tǒng)屬于多個(gè)變量結(jié)合的耦合繁瑣過(guò)程。對(duì)于鍋爐燃燒系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程而言，會(huì)引發(fā)眾多燃燒因素，通過(guò)這些影響因素的作用，精確測(cè)量鍋爐燃燒系統(tǒng)的燃燒率變成尤為不易解決的問(wèn)題。

3.4 鍋爐水位掌控

鍋爐汽包在供水當(dāng)中，需將鍋爐汽包的蒸汽載荷與供水量保持在平衡狀態(tài)。鍋爐水位雖為鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)中主要的控制參數(shù)，可是由于鍋爐汽包供水當(dāng)中具有較多影響鍋爐水位展現(xiàn)數(shù)據(jù)的因素，尤其是鍋爐水位系統(tǒng)處在過(guò)低負(fù)荷狀況下時(shí)間滯后性較為嚴(yán)重，最終令相應(yīng)控制方式的效果不夠充分。

3.5 制粉系統(tǒng)

制粉系統(tǒng)對(duì)于電廠熱工控制方面具有輔助作用?？捎捎谥品巯到y(tǒng)與鍋爐燃燒過(guò)程相同，因此均為電廠熱工的主要控制系統(tǒng)。當(dāng)前我國(guó)在電廠中大多通過(guò)鋼球磨中存儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)，由于其在時(shí)間上具有滯后性，因此為多個(gè)控制因素耦合的多變量非線性的事變系統(tǒng)?？墒?，由于制粉系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)中具有機(jī)械能量互換、熱量互換乃至物質(zhì)相互流動(dòng)等繁瑣過(guò)程，在這些繁瑣過(guò)程內(nèi)產(chǎn)生控制變量時(shí)，會(huì)形成制粉系統(tǒng)內(nèi)其他控制變量產(chǎn)生改變，因此，控制制粉系統(tǒng)尤為艱難。

在我國(guó)，當(dāng)前許多電廠在燃燒系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)乃至輔助設(shè)施控制系統(tǒng)當(dāng)中，絕大多數(shù)使用DDZ系列的電動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行掌控。但DDZ系列的電動(dòng)控制器通過(guò)一只關(guān)及一只開(kāi)的繼電器輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)電機(jī)的正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。因?yàn)槔^電器在輸出脈沖的寬度方面無(wú)法調(diào)整，所以控制對(duì)象較易產(chǎn)生過(guò)調(diào)狀況，令控制系統(tǒng)產(chǎn)生正當(dāng)現(xiàn)象。但由于使用的制動(dòng)器為機(jī)械制動(dòng)設(shè)施，在產(chǎn)生多個(gè)刺激抱閘以后，用在減速中的設(shè)置則會(huì)產(chǎn)生明顯的磨損現(xiàn)象。

4 變頻設(shè)施的整體需求

4.1 變頻設(shè)施容量的選擇

變頻調(diào)速設(shè)施的進(jìn)入則屬于供電回路內(nèi)進(jìn)入了設(shè)施，令回路的可靠性顯著減少。所以，需要便于操控，并且適用范圍較廣?？煽啃詰?yīng)較高，能夠面對(duì)不同惡劣環(huán)境及系統(tǒng)。需具有較強(qiáng)的耐用性。變頻設(shè)施自身能耗應(yīng)較低，盡可能降低高損耗。盡量降低周邊污染。維護(hù)需便利，降低維護(hù)時(shí)間及造價(jià)。設(shè)施需便捷，造價(jià)不可過(guò)高。

4.2 變頻設(shè)施安裝后對(duì)機(jī)電保護(hù)方案及整定的影響

(1）加裝變頻設(shè)施時(shí)，工頻回路需正常備用。在變頻回路產(chǎn)生問(wèn)題時(shí)，工頻回路需正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高可靠性。

(2）加裝變頻設(shè)施后，則為在回路內(nèi)設(shè)置了緩沖設(shè)置，啟動(dòng)電流會(huì)從較大值降到額定電流，降低沖擊，確保點(diǎn)擊設(shè)施，但其啟動(dòng)時(shí)間會(huì)相對(duì)延長(zhǎng)。

(3）強(qiáng)化變頻器抗干擾能力，需將變頻設(shè)施通過(guò)穿金屬管的方式于外界一切聯(lián)系控制電纜的電纜進(jìn)行敷設(shè)，以便屏蔽效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

(4）因?yàn)樽冾l設(shè)施自身具備保護(hù)能力，一旦設(shè)施端部產(chǎn)生相間短路，則會(huì)即刻自動(dòng)完成變頻設(shè)施的軟切斷，所以能夠簡(jiǎn)化繼電保護(hù)功能。

5 變頻調(diào)速控制技術(shù)在電廠熱工控制中的應(yīng)用

汽包鍋爐給水控制的工作是為了確保給水量及鍋爐蒸發(fā)量確保平衡，主要展現(xiàn)在以下方面：確保汽包水位處于正常范疇中，確保積水量的穩(wěn)定性。給水系統(tǒng)透過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)施自動(dòng)控制變頻器的工作頻率調(diào)整供水量，變頻調(diào)速控制技術(shù)在熱工控制內(nèi)給水系統(tǒng)中的運(yùn)用主要為現(xiàn)行反饋的自動(dòng)控制系統(tǒng)[4]。

變頻調(diào)節(jié)給水系統(tǒng)的自動(dòng)控制回路通過(guò)單級(jí)三沖量的方式，變頻調(diào)節(jié)給水系統(tǒng)可以接受以下三種信號(hào)：汽包水位、蒸汽流量、給水流量，而輸出信號(hào)主要調(diào)整給水量。變頻調(diào)節(jié)給水系統(tǒng)內(nèi)將汽包水位設(shè)定成被調(diào)整量。因?yàn)槠淮蠖嗤ㄟ^(guò)蒸汽流量及給水流量，因此變頻調(diào)節(jié)給水系統(tǒng)大多針對(duì)這些流量給予調(diào)控。

變頻調(diào)節(jié)給水系統(tǒng)內(nèi)的蒸汽流量信號(hào)是前饋信號(hào)，給水流量信號(hào)身為反饋信號(hào)，以此建立前饋、反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。變頻調(diào)節(jié)給水系統(tǒng)通過(guò)三臺(tái)調(diào)水設(shè)施，所有調(diào)水設(shè)施控制一個(gè)調(diào)節(jié)回路，在調(diào)水設(shè)施中將給水流量、汽包水位、蒸汽流量等信號(hào)通過(guò)加權(quán)后作為綜合測(cè)量信號(hào)運(yùn)用。之后將綜合測(cè)量信號(hào)發(fā)送到其他調(diào)水設(shè)施當(dāng)中。將綜合測(cè)量信號(hào)與水位給定信號(hào)對(duì)比，一旦發(fā)生計(jì)算誤差則透過(guò)調(diào)水設(shè)施解決，輸出模擬信號(hào)直接掌控變頻器的頻率，以此調(diào)整給水設(shè)施[5]。

6 結(jié)束語(yǔ)

由于電力電子技術(shù)理論的研究的不斷加深，工程實(shí)踐應(yīng)用的不斷完善，令高壓變頻器能夠在調(diào)節(jié)性、響應(yīng)性等不同技術(shù)性能中獲得較大提升。電廠高壓以此風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速進(jìn)行設(shè)置，由于其投資較低，并且節(jié)能效果顯著，大多在1至2年中可以將投資成本完全收回。對(duì)于火力發(fā)電行業(yè)而言，水泵、風(fēng)機(jī)等一些輔機(jī)符合類別過(guò)多，功率較大，需有效融合輔機(jī)系統(tǒng)各類工況特點(diǎn)有效選擇變頻器進(jìn)行節(jié)能升級(jí)，提升輔機(jī)設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)的高效穩(wěn)定性及調(diào)速正確可靠性，保證發(fā)電機(jī)組安全、節(jié)能，保障發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)更為高效穩(wěn)定。

[1]史恩才,葉輝．變頻器節(jié)能技術(shù)在風(fēng)機(jī)和水泵上的應(yīng)用[J]．機(jī)電信息,2010(17):43-45．

[2]卞清．專用變頻調(diào)速器研究與設(shè)計(jì)[D]．廣西工學(xué)院,2010:1-59．

[3]薛原．變頻技術(shù)在重慶發(fā)電廠煙風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能改造中的研究與應(yīng)用[D]．重慶大學(xué),2012:1-69．

[4]李愛(ài)娟,郭喜燕,楊志平．電廠表面式給水加熱器瞬態(tài)特性模擬與分析[J]．現(xiàn)代電力,2011(03):75-79．

[5]崔利,康靜秋,張學(xué)宏．火電廠熱工技術(shù)監(jiān)督中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及其解決措施[J]．熱力發(fā)電,2010(01):89-91．

孫守江（1976-），男，中級(jí)工程師，研究方向：熱控。