600 MW 機組引風機高壓變頻改造

彭 勇，黃思源，張 志

（1.中國華能集團有限公司湖南分公司，湖南 長沙 410000；2.華能湖南岳陽發(fā)電有限責任公司，湖南 岳陽 414000）

1 引風機改造的可行性與必要性

隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，我國在資源使用上存在嚴重的浪費現(xiàn)象，且環(huán)境污染日益加劇。近些年，世界各國對環(huán)境污染問題愈發(fā)重視，出臺了一系列環(huán)境保護和資源節(jié)約政策，并不斷進行技術攻關，但資源浪費問題和環(huán)境污染問題依然十分嚴峻。在我國電力系統(tǒng)中，火力發(fā)電依舊是最主要的發(fā)電方式，發(fā)電量約占總發(fā)電量的80%，裝機容量約占電源結構中總裝機容量的75%。煤是火電廠的主要燃料。燃煤會產(chǎn)生大量的煙塵和有害氣體，嚴重污染環(huán)境。我國電網(wǎng)雖然發(fā)展迅猛，但居高不下的生產(chǎn)成本依舊在一定程度上制約了電力企業(yè)的發(fā)展。只有努力降低生產(chǎn)成本，電力企業(yè)才能在激烈的市場競爭中占據(jù)優(yōu)勢，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。因此，改善火電廠的資源浪費問題和環(huán)境污染問題是大勢所趨，且迫在眉睫[1]。

火電廠發(fā)電過程中，風機、水泵等輔機設備的用電量約占火電廠用電總量的70%。所以，火電廠節(jié)能減排的工作重心是解決風機、水泵等輔機設備的能源消耗問題。火電廠對風機嘗試了各種節(jié)能改造措施，主要有節(jié)流擋板調(diào)解、動靜葉調(diào)節(jié)和轉速調(diào)節(jié)。從效果上來說，節(jié)流擋板調(diào)節(jié)資源浪費嚴重；動靜葉調(diào)節(jié)雖然能達到節(jié)能效果，但是結構復雜，并且對風機的磨損較為嚴重；相對來說，轉速調(diào)節(jié)具有更好的節(jié)能效果。變頻調(diào)速技術的不斷發(fā)展，使火電廠風機實現(xiàn)轉速調(diào)節(jié)成為可能。變頻調(diào)速技術的關鍵是變頻器。國外在20世紀80年代就實現(xiàn)了變頻技術的突破，經(jīng)過多年的發(fā)展，變頻調(diào)速技術已經(jīng)相當成熟。西門子公司、阿爾斯通公司、ABB公司、通用公司是國外十分知名的變頻器生產(chǎn)商。與國外相比，國內(nèi)變頻器在研發(fā)方面還比較落后，尤其是在大功率變頻器方面，與國外存在不小的差距。隨著變頻器行業(yè)資源的不斷投入，國內(nèi)也出現(xiàn)了北京利德華福、哈爾濱九州電氣、廣州智光、上海上廣電等變頻器知名企業(yè)。所以，對火電廠引風機進行高頻改造的技術條件已經(jīng)較為成熟。

2 引風機的作用和工作原理

2.1 引風機的作用

火電廠常用的風機種類主要有引風機、送風機、脫硫增壓風機以及一次風機等。這里主要探討引風機，其他風機不做討論。煤粉在爐膛內(nèi)充分燃燒，使熱能轉化為電能，這一過程會產(chǎn)生大量煙塵，需要一種設備把爐膛內(nèi)的煙塵排出去，而引風機就是這樣一種設備。引風機通過增大氣壓克服系統(tǒng)阻力，從尾部煙道吸出爐膛內(nèi)的煙氣和粉塵，經(jīng)過脫硫處理后由煙囪排至大氣。爐膛內(nèi)煤粉的持續(xù)燃燒需要一定的負壓環(huán)境。引風機在排除燃燒產(chǎn)生的煙塵的同時，還能保證爐膛內(nèi)一直處于負壓狀態(tài)[2]。

2.2 引風機的工作原理

引風機的作用對象是氣體。由流體力學可知，功率和氣體流量、壓力有密切關系。壓力和氣體流量的增大或減小，產(chǎn)生的功率也會隨之發(fā)生變化。減少火電廠的能源消耗，具體就是減少電動機的電能消耗，就是要減小引風機的軸功率。用P表示引風機的軸功率，H表示引風機的出口壓力，Q表示引風機出口的氣體流量，K為常數(shù)，η1表示內(nèi)效率，η2表示機械效率，引風機的工作特性可以表示為：

可知，引風機出口的氣體流量Q、引風機的出口壓力H與引風機的軸功率成正比關系，引風機出口的氣體流量Q與引風機的出口壓力H的乘積和引風機的軸功率也成正比關系。因此，要減少引風機的軸功率P，只需要減少引風機出口壓力H或減少引風機出口氣體流量Q。減少引風機出口氣體流量的控制方法，以前主要是利用節(jié)流擋板進行流量調(diào)節(jié)，通過關小節(jié)流擋板實現(xiàn)對氣體流量Q的控制。利用該方法雖然控制了引風機出口的氣體流量Q，但是在風機轉速保持恒定的情況下，減少引風機出口的氣體流量Q，會相應增加風道阻力，從而增大引風機出口壓力H。盡管達到了降低Q和H乘積的目的，但降低的幅度很小，并不能顯著降低引風機的軸功率P。所以，這種調(diào)節(jié)方式并不能很好地實現(xiàn)節(jié)能效果。

轉速調(diào)節(jié)。將引風機的轉速用n表示，n1表示變化后的轉速。相應地，Q1、H1、P1分別表示變化后的流量、出口壓力和軸功率。由流體力學的知識可得：

可知，引風機的出口流量與轉速成正比，引風機的出口壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。所以，只要降低引風機的轉速，就可以顯著降低軸功率。低引風機的轉速可以大幅度降低功率，從而達到良好的節(jié)能減排效果。

3 高壓變頻器的工作原理

引風機的轉速調(diào)節(jié)主要通過變頻器實現(xiàn)。電源頻率和引風機轉速可以用式（5）表示，其中F表示電源頻率，N表示引風機轉速，P表示軸功率：

由式（5）可以看出，引風機轉速與電源頻率成正比關系，所以調(diào)節(jié)電源頻率可以實現(xiàn)對引風機轉速的控制。這種調(diào)速方式具有較強的穩(wěn)定性，調(diào)速范圍也較大，屬于無級調(diào)速，既可以恒功率調(diào)速，也可以恒轉矩調(diào)速。變頻調(diào)速轉速與頻率成正比例線性關系。

3.1 變頻器的電路組成

變頻器由主電路和控制電路兩部分組成。

3.1.1 變頻器主電路

變頻器主電路是電動機實現(xiàn)高壓變頻的電力設備，主要由整流器、逆變器和平波回路組成。電動機在運轉過程中，整流器把工頻電源轉換為直流電源。二極管整流器是目前比較常用的一種整流器，但其過載能力不佳，在使用過程中容易出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。逆變器與整流作用相反，是把直流電源轉換為交流電源。在整流過程和逆變過程中，直流電壓和脈沖電流中經(jīng)常會伴有諧波產(chǎn)生，而直流電壓會在諧波影響下發(fā)生波動。平波回路的作用是為了吸收整流和逆變過程中產(chǎn)生的諧波。

3.1.2 變頻器控制電路

變頻器控制電路的主要作用是通過一系列的運算、檢測、驅動、放大等過程，為電動機主電路提供所需控制信號的電氣回路。它主要包括運算電路、電動機速度檢測電路、驅動電路以及電壓電流檢測電路等。變頻器工作原理如圖1所示。

圖1 變頻器系統(tǒng)

3.2 變頻器的控制方式

變頻器有多種控制方式：（1）可控整流器變壓、變頻器變頻，這種變頻模式通過不同的控制單元相互配合，調(diào)壓和調(diào)頻分步完成，雖然易于實現(xiàn)，但是不能很好地抑制諧波的產(chǎn)生；（2）直流斬波器調(diào)壓、變頻器變頻，這種控制方式對諧波有一定的抑制作用，但是增加了斬波器對能量轉換的步驟，會額外增加能量消耗，且會增加系統(tǒng)的故障率；（3）變頻器自身調(diào)壓、變頻，在這種控制方式下，變頻器自帶的電子開關可以實現(xiàn)對電壓的調(diào)整，逆變器開關的頻率可以影響脈寬調(diào)制頻率進而實現(xiàn)逆變，很好地降低了諧波的比例。第三種調(diào)節(jié)方式中間環(huán)節(jié)較少，原理簡單，在火電廠風機調(diào)速中得到了廣泛應用。

4 引風機高壓變頻改造注意事項

4.1 做好變頻器的選型工作

目前，市場上的變頻器主要有電流型變頻器和電壓源型變頻器兩種。實證分析證明，電壓源型變頻器能夠更好地處理諧波現(xiàn)象，其輸出側采用多電平技術，可大范圍適用于多種電機，有效解決了低壓電機調(diào)速難的問題。該類型的變頻器多模塊的表現(xiàn)形式使得各個元件比較獨立，某個模塊出現(xiàn)問題并不影響其他模塊的正常運行，使得該變頻器的市場占有率很高，同時采購和維修也比較方便。所以，在變頻器選型上，電壓源型變頻器是更好的選擇。

另外，國外變頻器生產(chǎn)商雖然在技術上比國內(nèi)生產(chǎn)商更有優(yōu)勢，但是具體選擇時要具體問題具體分析。國外變頻器技術性能好，但是成本較高，備貨周期較長，同時具有較高的操作難度，對我國的技術人員提出了更高要求。對于國內(nèi)技術人員解決不了的問題，還需要國外技術員的遠程支持。國內(nèi)變頻器雖然性能較差，但是價格便宜，售后服務更方便。具體選用何種變頻器，要根據(jù)實際需要，經(jīng)過大量調(diào)研，選擇合適的變頻器[3]。

4.2 加強技能培訓，解決引風機高頻改造過程中的技術難題

引風機的高頻改造是一項技術含量非常高的工作，在實際改造中不可避免地會遇到大量的技術難題，如低頻強風問題、共振問題、電極低頻發(fā)熱問題、電器差動保護問題等，都是引風機高頻改造過程中的常見問題。這些問題可以通過技術改進得以解決。例如，低頻搶風問題，控制引風機的流量使其大于極限流量就可順利解決；對于低頻發(fā)熱問題，需要對冷卻系統(tǒng)進行升級改造，增加冷卻風量。此外，要加強對技術人員的技能培訓，使其在實際操作過程中能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并加以解決，以免造成設備損壞和能源浪費。

5 結 論

引風機高壓變頻改造是當前火電廠解決能源浪費問題和環(huán)境污染問題的一項新技術。大量的調(diào)研和實踐證明，這是一種可行的、經(jīng)濟性能良好的手段，未來必定在實際應用中得到普及和推廣。