大型火力發(fā)電廠降低廠用電率的途徑

尹君

發(fā)電廠的廠用電率是指機(jī)組在正常運(yùn)行情況下某一段時(shí)間內(nèi)全廠各主輔系統(tǒng)耗用的電力總和占同一時(shí)期機(jī)組發(fā)電總量的百分率。發(fā)電廠廠用電率是火力發(fā)電廠的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一，并且所占的比例較大，它能反映出機(jī)組的運(yùn)行工況。廠用電率越低，設(shè)備利用效率越高，自身消耗越小，向系統(tǒng)輸出的電能越多，經(jīng)濟(jì)性也越好，反之則經(jīng)濟(jì)性差。對(duì)于目前火力發(fā)電廠，降低廠用電率的方法，第一，是通過對(duì)輔機(jī)設(shè)備的技術(shù)改造來提高設(shè)備的運(yùn)行效率，主要分為：電機(jī)變極調(diào)速，電機(jī)變頻調(diào)速，液力耦合調(diào)速三種;第二，在低負(fù)荷下，改變輔機(jī)運(yùn)行方式，提高運(yùn)行輔機(jī)的利用率。

一、電動(dòng)機(jī)調(diào)速

電動(dòng)機(jī)調(diào)速定義是，通過改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)其功率，使其滿足負(fù)載的需求，有兩種方式，即機(jī)械調(diào)速與電氣調(diào)速。采用機(jī)械調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線變?yōu)橐粭l固定曲線，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是通過改變變速齒輪的轉(zhuǎn)速或其它能改變轉(zhuǎn)速的變速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，最后達(dá)到滿足負(fù)載的需求。電氣調(diào)速是通過改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，最終來滿足負(fù)荷的需求。在正常運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備的工作狀態(tài)點(diǎn)就是電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載機(jī)械特性曲線的交點(diǎn)。這兩種調(diào)速方法，原理都是通過改變其中一種特性曲線，使負(fù)載在新的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行。根據(jù)流體力學(xué)的知識(shí)可知，對(duì)于風(fēng)機(jī)與泵存在見式（1）（2）（3）的關(guān)系：

（1）

（2）

（3）

上式中 q——風(fēng)量/流量（m3）;

n——轉(zhuǎn)速（r/min）;

p——風(fēng)壓（Pa）;

P——軸功率（kW）.

由公式（1）可看出，轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備的流量（風(fēng)量）和轉(zhuǎn)速成正比，由公式（2）可知，轉(zhuǎn)機(jī)所產(chǎn)生的水（風(fēng)）壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，由公式（3）可知，其電動(dòng)機(jī)的軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)減小所需的風(fēng)量（流量）時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速將隨之減小，其軸功率也將按照3次方的速率下降，能耗將大大減小。在降低轉(zhuǎn)機(jī)的轉(zhuǎn)速后，電動(dòng)機(jī)功率也將降低，電耗隨之降低。

在調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速時(shí)，由于轉(zhuǎn)速降低，擋板或調(diào)門開度增大，這樣將減少閥門的節(jié)流損耗，使得風(fēng)機(jī)和泵的運(yùn)行效率提高，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性也將隨之改善。在采用調(diào)速系統(tǒng)后，電動(dòng)機(jī)具有了軟啟動(dòng)的功能，即啟動(dòng)電流非常小，這樣將減小電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)管道的沖擊，使風(fēng)機(jī)、泵和電機(jī)的軸承及管道的壽命延長。

根據(jù)電機(jī)學(xué)的知識(shí)可知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

（4）

式中 n——電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）;

f——供電頻率（Hz）;

s——轉(zhuǎn)差率（%）;

p——極對(duì)數(shù)。

由公式（4）可知，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有，改變頻率、改變級(jí)對(duì)數(shù)、改變滑差，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，要保證機(jī)組運(yùn)行風(fēng)量和流量的要求，必然會(huì)開大調(diào)門，節(jié)流損失減小，轉(zhuǎn)機(jī)的運(yùn)行效率將提高，這樣就達(dá)到節(jié)能效果。

1.電機(jī)變極調(diào)速變極調(diào)速的方法是改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)，在轉(zhuǎn)子內(nèi)放入一定 數(shù)量的線圈，使得轉(zhuǎn)速發(fā)生改變。由公式（4）可以看出，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其極對(duì)數(shù)成反比，當(dāng)電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)發(fā)生改變時(shí)，轉(zhuǎn)速也將按照比例改變，主要方法是在電動(dòng)機(jī)定子槽內(nèi)放置不同極對(duì)數(shù)的獨(dú)立線圈，即可以達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。例如，我國統(tǒng)一的電網(wǎng)供電頻率為50Hz，當(dāng)把極對(duì)數(shù)由一對(duì)變?yōu)閮蓪?duì)時(shí)，其轉(zhuǎn)速將由3000r/min降為1500r/min，軸功率也將成比例的降低。

變極調(diào)速有兩種調(diào)節(jié)方法，即手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)。手動(dòng)調(diào)速在不更換原有電機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行變極改造，投資少，操作簡單，維護(hù)方便。變極調(diào)速有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一，是有較好的機(jī)械特性，運(yùn)行穩(wěn)定性好，電機(jī)轉(zhuǎn)差損耗小，效率較高。第二，由于具體操作時(shí)接線簡單，控制方便，所以價(jià)格低廉。但其缺點(diǎn)也較為明顯，手動(dòng)調(diào)速需要將電動(dòng)機(jī)的電源停掉，將轉(zhuǎn)子抽出等工序，使得操作起來較為繁瑣，不能用在需要平滑改變轉(zhuǎn)速的電機(jī)負(fù)荷上，只能用于在季節(jié)性改變轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。自動(dòng)調(diào)速由于其投資較高，操作、維護(hù)比較復(fù)雜，所以更適合于調(diào)峰運(yùn)行。

2.電機(jī)變頻調(diào)速變頻調(diào)速的原理是通過改變電機(jī)電源的頻率，從而改變電機(jī)及轉(zhuǎn)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的。由公式（4）可以看出，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)的運(yùn)行頻率成正比，當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率時(shí)，轉(zhuǎn)速將成比例的改變。改變電機(jī)電源的頻率是通過在供電電源（工頻電源）與電機(jī)之間加裝變頻裝置。變頻器及移相變壓器組合起來，把工頻電源（50Hz）變換成各種所需要的頻率，最終使電機(jī)的轉(zhuǎn)速得到改變。變頻器變頻的過程分三個(gè)階段，第一，整流器將交流電變換成直流電，一般通過改變可控硅的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)整流。第二，中間環(huán)節(jié)是，將變換后的直流電路進(jìn)行平滑濾波，消除三次及高次雜波。第三，將濾波后的直流電進(jìn)行逆變，變成所需頻率的交流電供給電動(dòng)機(jī)。變頻器按照用途可分為，通用變頻器、高頻變頻器、高性能專用變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。采用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)速范圍廣，穩(wěn)定性較強(qiáng)，調(diào)節(jié)過程平滑性較好，應(yīng)用范圍廣，調(diào)節(jié)精度高;調(diào)節(jié)效率較高，調(diào)速過程中沒有附加損耗;缺點(diǎn)是采用的技術(shù)較為復(fù)雜，初期投資高，對(duì)運(yùn)行和維護(hù)人員的技術(shù)水平要求較高。由于其優(yōu)點(diǎn)較為明顯，在很多火電廠基建的同時(shí)，將變頻器與一些大容量的輔機(jī)設(shè)備同步安裝，使機(jī)組在投產(chǎn)后即可投入運(yùn)行。

3.液力耦合器調(diào)速目前很多電廠的調(diào)速改造以變頻器為主，在變頻技術(shù)未廣泛應(yīng)用前，風(fēng)機(jī)和水泵的主要調(diào)速手段仍然采用液力耦合器調(diào)速，在實(shí)踐應(yīng)用中得到了大量的應(yīng)用。液力耦合器的基本原理是一種通過液壓油進(jìn)行能力傳遞的過程，主要方式是液體在泵輪和渦輪直接流動(dòng)，泵輪的原動(dòng)力是來自電動(dòng)機(jī)，渦輪的動(dòng)力是來自泵輪甩出的壓力油來推動(dòng)，油流通過勺管調(diào)節(jié)，由于油的不斷流動(dòng)，產(chǎn)生大量的熱量被冷卻水帶走，使得能耗損失較大。雖然液力耦合器存在一些固有的缺點(diǎn)，但其價(jià)格較低，在很多火電廠中依然大量使用。液力偶合器調(diào)速主要特點(diǎn)概括如下：第一，功率、轉(zhuǎn)速變化范圍廣，從已投產(chǎn)的設(shè)備中了解到，其轉(zhuǎn)速可以由300r/min到1500 r/min，功率變化幅度也較大;第二，其價(jià)格低，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠;第三，結(jié)構(gòu)尺寸小，安裝與維護(hù)方便;第四，控制方式簡單，只需調(diào)節(jié)勺管的開度即可，并且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。由于其經(jīng)濟(jì)性比變頻器調(diào)速要差，各大火力發(fā)電廠使用的越來越少。

二、優(yōu)化輔機(jī)運(yùn)行方式

在低負(fù)荷運(yùn)行情況下，適當(dāng)?shù)母淖冚o機(jī)的運(yùn)行方式，增加運(yùn)行輔機(jī)的利用率，較少輔機(jī)自身的能耗損失，也可以很好的降低廠用電率。這對(duì)運(yùn)行人員提出了很高的要求，包括輔機(jī)理論知識(shí)、實(shí)際操作能力、事故處理能力等。