淺析發(fā)電廠高壓電機變頻改造技術(shù)

牛波 沈瀅 劉治國

能源是經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，2005年國務(wù)院提出建設(shè)節(jié)約型社會，中國華能集團提出到2010年公司所有企業(yè)達到資源節(jié)約型企業(yè)標準，按照要求，公司各發(fā)電單位制定了建設(shè)節(jié)約環(huán)保型企業(yè)的目標。以內(nèi)蒙古烏拉山發(fā)電廠2×300MW直接空冷脫硫機組為例，年廠用電率為9.64%左右，其中高壓電機耗電電率為7.88%左右，因此在火力發(fā)電廠中高壓電動機采用變頻技術(shù)可以降低廠用電率，能夠取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

我廠也針對設(shè)備節(jié)能降耗做了大量的工作。其中，高壓輔機設(shè)備的節(jié)能降耗就是其中的重點。

眾所周知，速度調(diào)節(jié)是風(fēng)機、泵類負載節(jié)能的主要方法。目前，我廠火力發(fā)電機組的大型風(fēng)機主要是由6kV鼠籠異步電動機直接驅(qū)動的，其流量調(diào)節(jié)大多數(shù)是采用擋板或動葉的節(jié)流調(diào)節(jié)方式，造成大量節(jié)流損失，風(fēng)機及電動機運行在低效率工作區(qū)，能源浪費嚴重，調(diào)峰時情況更為突出。此外，從歷年高壓廠用電動機缺陷的統(tǒng)計結(jié)果看，約有10%的電動機缺陷是由啟動時的大電流及對繞組的過大電磁力直接引起的。定子繞組接頭開焊、轉(zhuǎn)子鼠籠斷條等缺陷也都與直接啟動有關(guān)。

隨著電網(wǎng)對機組深調(diào)峰、大型風(fēng)機將經(jīng)常運行在低負荷區(qū)并頻繁啟停，對電機長期安全運行及節(jié)能有很高的要求。因此，在火力發(fā)電廠中高壓電動機采用變頻技術(shù)可以降低廠用電率，能夠取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 三相異步電動機的調(diào)速

1.1 從電機學(xué)理論

（其中n為電動機轉(zhuǎn)速，f為電動機電源頻率，p為電動機極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率）可知：

要想改變電動機的轉(zhuǎn)速主要有：變頻調(diào)速、改變電動機的極對數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率三種方法。

（1）變頻調(diào)速，從以上公式可知，三相異步電動機的同步轉(zhuǎn)速與頻率成正比，電動機在負載運行時，改變電源頻率，即改變了同步轉(zhuǎn)速，從而改變了電動機的轉(zhuǎn)速。

隨著大功率電子元件研制成功和計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，高壓變頻技術(shù)已經(jīng)日益成熟。變頻調(diào)速由于其良好的控制性能、顯著的節(jié)能效果，已越來越廣泛地應(yīng)用于大型風(fēng)機和泵類的中高壓異步電動機的拖動系統(tǒng)中。它可以實現(xiàn)電動機隨負載的變化進行調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速；而且頻率可以連續(xù)調(diào)解，轉(zhuǎn)速也可平滑調(diào)節(jié)，效率高。有較強的系統(tǒng)保護和自診斷顯示功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)斷線、缺相、電機過流及信號丟失，系統(tǒng)會自身保護或鎖定當(dāng)前轉(zhuǎn)速，用顯示功能可迅速查找故障點和故障內(nèi)容，方便處理。

（2）改變電動機的極對數(shù)調(diào)速，從以上公式可知，三相異步電動機的轉(zhuǎn)速與電動機的極對數(shù)成反比，在電源不變的情況下，改變電動機定子繞組極對數(shù)時，也可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)電動機的極對數(shù)增加一倍，轉(zhuǎn)速就下降一半，因此它可以調(diào)整轉(zhuǎn)速。

這種方法具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好；無轉(zhuǎn)差損耗，效率高；接線簡單、控制方便、價格低，容易接受。但是，此方法為有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速；可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。

（3）改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。所謂改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，就是通過改變繞線式異步電機轉(zhuǎn)子電路串電阻的大小，從而改變電機的機械特性曲線，改變電機的轉(zhuǎn)速，這種方法在轉(zhuǎn)子繞線式異步電動機可以應(yīng)用，但在鼠籠式電動機沒有適用價值。

2 在火力發(fā)電廠中如何選擇高壓電機的變頻改造

直接空冷、脫硫火力發(fā)電廠中，高壓電動機主要有引風(fēng)機、送風(fēng)機、一次風(fēng)機、磨煤機、給水泵、凝結(jié)泵、輔機循環(huán)水泵、增壓風(fēng)機、漿液循環(huán)泵等。機組投入運行后，如果所有高壓電動機進行高壓變頻改造會發(fā)生很高的費用，所以不可能所有的高壓電機都能進行變頻改造，這就需要我們對所要改造的高壓電動機進行經(jīng)濟分析。表1是內(nèi)蒙古烏拉山發(fā)電廠2×300MW直接空冷、脫硫發(fā)電機組部分高壓電機耗電率情況統(tǒng)計。

從下表中分析：

A. 給水泵電機功率5800 kw，正常4臺泵運行，耗電率為3%，由于給水泵采用液力偶合器來調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速來達到降低耗電率的目的，故而給水泵的電耗率并不是最高；

B. 引風(fēng)機電機功率為2000kw，正常4臺風(fēng)機運行，耗電率為1.15%；由于引風(fēng)機采用靜葉調(diào)節(jié)引導(dǎo)空氣流向，故而使電耗率有所降低；

C. 送風(fēng)機800kw，正常4臺風(fēng)機運行，耗電率為0.37%。，送風(fēng)機采用動葉調(diào)節(jié)式引導(dǎo)空氣流向，它們是通過調(diào)整風(fēng)機風(fēng)量來降低耗電率；

D. 一次風(fēng)機電機功率1600 kw，正常4臺風(fēng)機運行，但耗電率為1.11%；

E. 增壓風(fēng)機3450 kw，2臺運行，耗電率為1.16%；

F. 凝結(jié)水泵1000 kw，2臺運行，耗電率0.17%；

表1直接空冷、脫硫發(fā)電機組高壓電機耗電率情況統(tǒng)計

因此，在設(shè)備進行高壓變頻改造時，由于受資金等方面的影響，保證有限資金的科學(xué)利用來達到降低廠用電率的目的，在進行高壓變頻改造中，應(yīng)該優(yōu)先考慮一次風(fēng)機、凝結(jié)水泵、增壓風(fēng)機等。

3. 進行高壓電機變頻改造的意義

3.1變頻改造后，實現(xiàn)電機軟啟動。啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。因為電動機在直接啟動過程中，籠條和端環(huán)將流過很大的啟動電流，其值可達到額定電流的4-7倍（雙鼠籠式電動機啟動過程中，外籠條和外端環(huán)將流過很大的啟動電流）。由此而產(chǎn)生的損耗可是籠條和端環(huán)產(chǎn)生200—300℃的溫度，從而使端環(huán)產(chǎn)生相當(dāng)大的熱變形，端環(huán)的熱變形將使籠條受到一個彎曲應(yīng)力，造成電動機籠條的開焊和斷裂。軟啟動將會使此類威脅降至最低。

3.2電機以及負載轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)效率得到提高，取得節(jié)能效果。

在火力發(fā)電廠中，為滿足各種運行方式的需要，引風(fēng)機、送風(fēng)機、一次風(fēng)機、增壓風(fēng)機、給水泵、凝結(jié)水泵、循環(huán)泵等設(shè)備都是按最大運行方式要求配置的。機組在低負荷運行時，這些設(shè)備只能靠調(diào)入口擋板的開度、泵的出口門來調(diào)節(jié)風(fēng)量、水的流量，用擋板、出口門調(diào)節(jié)風(fēng)量、水的流量會有大量的電能浪費在克服擋板、出口門的阻力上，造成廠用電率高，影響機組的經(jīng)濟運行。

通過流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機（或水泵）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。因此，在火力發(fā)電廠中，機組在不同負荷運行時，風(fēng)機、水泵通過調(diào)整高壓電動機的轉(zhuǎn)速來調(diào)整風(fēng)量、水的流量可以得到明顯的節(jié)電效果。

3.3大大減少了對設(shè)備的維護量，節(jié)約了人力物力資源。

3.4由于電機以及負載采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，工作特性改變，設(shè)備工況得到改善，延長設(shè)備使用壽命。

3.5 功率因數(shù)由原來的0.85左右提高到0.95以上，不僅省去了功率因數(shù)補償裝置，而且減少了線路損耗。

3.6廠房設(shè)備噪聲污染將降低。

3.7能提高整個系統(tǒng)的自動化水平和工藝水平。

3.8節(jié)能減排、減少了溫室氣體的排放，保護了環(huán)境。

3.9負載改變頻后，由于變頻器采用單，元串聯(lián)移相技術(shù)，因此在理論上可以消除35次以下諧波。由于實際制造工藝的限制。網(wǎng)側(cè)電壓諧波總含量可以控制在2%以內(nèi)，電流諧波總含量小于2%。

3.10延長了電機的使用壽命。變頻輸出采用PWN技術(shù)控制，輸出電壓波形基本接近正弦波，諧波總含量小于2%.

參考文獻

[1]申超. 發(fā)電廠高壓電機節(jié)能變頻改造分析研究[J]. 煤，2016，25（04）：69-70.

[2]祁杰. 有關(guān)發(fā)電廠高壓電機節(jié)能變頻改造的思考[J]. 科技與企業(yè)，2013，（18）：364-365.