高壓變頻技術(shù)在火電廠中的節(jié)能應(yīng)用

張?jiān)骑w

（江蘇大唐國(guó)際呂四港有限責(zé)任公司，江蘇 啟東226200）

1 概述

在火力發(fā)電過(guò)程中，用電率是對(duì)發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)效益有重大影響的一個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，降低發(fā)電廠發(fā)電用電率對(duì)降低發(fā)電成本有絕對(duì)的促進(jìn)作用。在過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)發(fā)電廠的用電率多數(shù)在6%至10%之間，近年來(lái)隨著大功率機(jī)組的大量使用，發(fā)電廠用電率得到了有效的控制，（舉例來(lái)說(shuō)，300MW發(fā)電機(jī)組的用電率要遠(yuǎn)高于600MW的發(fā)電機(jī)組），降低發(fā)電廠發(fā)電用電率一方面能夠?qū)﹄娔芫o張情況加以緩解，另一方面能夠在一定程度上提升發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益。通常來(lái)說(shuō)，在火電廠中火電機(jī)組的一些主要輔機(jī)設(shè)備（泵和風(fēng)機(jī)等）在發(fā)電過(guò)程中會(huì)消耗大量的電能，因此要想降低廠用電率應(yīng)該重點(diǎn)從降低泵和風(fēng)機(jī)等耗能較大的輔機(jī)設(shè)備入手，高壓變頻技術(shù)再此背景下應(yīng)運(yùn)而生，具有巨大的可開(kāi)發(fā)性和可利用性。

2 高壓變頻器的運(yùn)行原理

變頻器就是在電力半導(dǎo)體器件通斷的作用下將某一電源頻率轉(zhuǎn)換成為另一種頻率的控制裝置，變頻器主要可以分為交- 交變頻器和交- 直- 交變頻器兩種，本段將對(duì)高壓變頻器的基本組成和基本分類(lèi)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

2.1 高壓變頻器的基本組成

圖1

2.1.1 硬件組成。高壓變頻器的基本構(gòu)成如圖1 所示，各組成結(jié)構(gòu)的功能可以總結(jié)如下：整流電路：變頻器中的整流電路主要的作用是對(duì)工頻外部的電源進(jìn)行整流，給整個(gè)體統(tǒng)提供一定的直流電壓和直流電源。逆變電路：逆變電路是高壓變頻器最重要的組成構(gòu)件之一，逆變電路的主要作用是將電路中輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電源，這種交流電源的電壓和頻率都可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。變頻器的輸出也就是逆變電路的輸出，逆變電路能夠?qū)Ξ惒诫妱?dòng)機(jī)的速度進(jìn)行良好的控制。中間直流環(huán)節(jié)：中間直流環(huán)節(jié)的主要作用是對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑，在中間直流環(huán)節(jié)的作用下，逆變電路和控制電源能夠獲得較高質(zhì)量的直流電源?？刂齐娐罚焊邏鹤冾l器系統(tǒng)電路的核心部分就是控制電路，控制電路主要由主控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路和保護(hù)電路組成。高壓變頻器性能的好壞受控制電路控制效果的影響極大，如果控制電路良好的運(yùn)行效果，檢測(cè)電路得到的各種信號(hào)就會(huì)被快速完整的輸送到運(yùn)算電路中，進(jìn)而為高壓變頻器的主電路提供相應(yīng)的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)高壓變頻器提供必要的保護(hù)措施。2.1.2 軟件組成。電機(jī)系統(tǒng)：電機(jī)系統(tǒng)是高壓變頻器最基本和最重要的組成部分，其中包括電機(jī)的啟制動(dòng)功能、調(diào)速功能和轉(zhuǎn)向控制功能等。狀態(tài)監(jiān)測(cè)：狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件是高壓變頻器中必不可少的軟件系統(tǒng)，它對(duì)高壓變頻器的最終可用度具有絕對(duì)的影響。狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件能夠?qū)ψ冾l器的電壓、電流等一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，相關(guān)人員能夠通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況加以判斷。故障處理系統(tǒng)：在運(yùn)行過(guò)程中如果狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到系統(tǒng)內(nèi)部存在故障，我們應(yīng)該及時(shí)的對(duì)故障部位和故障內(nèi)容加以判斷，通常來(lái)說(shuō)常見(jiàn)的故障包括過(guò)電流、過(guò)電壓、超負(fù)載、過(guò)熱和缺相等。故障處理系統(tǒng)的主要作用就是針對(duì)系統(tǒng)存在的不同故障進(jìn)行不同的處理，使系統(tǒng)重新恢復(fù)正常使用狀態(tài)。

2.2 變頻器的分類(lèi)

圖2

2.2.1 交- 交變頻器。如圖2 所示，為交- 交變頻器電路原理圖，這種變頻器輸出的每一相都是由兩組晶閘管整流裝置反向并聯(lián)起來(lái)的可逆電路，如果能夠讓兩組變流電路進(jìn)行交替式工作，就能夠輸出給負(fù)載一定頻率的交流電。當(dāng)正組在整流狀態(tài)下工作，反組在逆變狀態(tài)下工作時(shí)，異步定子繞組將會(huì)得到正向的電壓，反之異步定自繞組將會(huì)得到負(fù)電壓。交- 交變頻器的功率因數(shù)和輸出頻率都較低，因此這種變頻器主要適用于轉(zhuǎn)速在每分鐘600 轉(zhuǎn)以下，500KW 或1000KW以上的低轉(zhuǎn)速、大功率的交流調(diào)速裝置。2.2.2 交- 直- 交變頻器。交- 直- 交變頻器主要分為可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的交- 直- 交變頻器裝置，不可控整流器整流、斬波器調(diào)壓、再逆變器調(diào)頻的交- 直- 交變頻器裝置和不可控整流器整流、脈寬調(diào)制逆變器同時(shí)調(diào)壓調(diào)頻的交- 直- 交變頻器裝置。其中第一種裝置調(diào)壓和調(diào)頻是在兩個(gè)不同的環(huán)節(jié)上分別進(jìn)行的，這種變頻器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便等特點(diǎn)，一些早期使用的變頻器都屬于此類(lèi)結(jié)構(gòu)。第二種變頻器裝置的整流環(huán)節(jié)采用的是二極管不可控整流器，這種整流器僅具有整流的作用而不具備調(diào)壓作用，因此需要單獨(dú)建立一個(gè)斬波器，運(yùn)用脈寬進(jìn)行調(diào)壓。對(duì)于這種變頻器裝置來(lái)說(shuō)，運(yùn)行過(guò)程中多了一個(gè)環(huán)節(jié)，但是在進(jìn)行調(diào)壓時(shí)輸出功率的因數(shù)十分穩(wěn)定，是一個(gè)較為明顯的優(yōu)勢(shì)。第三種變頻器裝置采用的是不可控整流、輸出功率的因數(shù)不發(fā)生改變，且采用這種逆變器輸出電流的諧波較小，脈寬調(diào)制逆變器通常采用的是全控型器件，逆變器功率器件的開(kāi)關(guān)頻率對(duì)其輸出諧波減少度有明顯的影響。

3 高壓變頻技術(shù)在火電廠節(jié)能中的具體應(yīng)用

3.1 在風(fēng)機(jī)中的節(jié)能分析

在火力發(fā)電廠中，風(fēng)機(jī)是一個(gè)極其重要的輔助設(shè)備，鍋爐的風(fēng)機(jī)具有極大的耗電量，近年來(lái)隨著發(fā)電廠火電機(jī)組容量的不斷增加，電站鍋爐中風(fēng)機(jī)的容量也逐漸增大，因此如果能有效提升鍋爐風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率則能夠大大降低發(fā)電廠的用電率。當(dāng)前，我國(guó)電站風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率受到風(fēng)機(jī)調(diào)速性以及最高效率點(diǎn)的影響，其運(yùn)行工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)高效點(diǎn)存在一定的偏差，進(jìn)而運(yùn)行效率較為低下。對(duì)于采用調(diào)節(jié)門(mén)調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，二者的偏離度越大，則運(yùn)行效率下降越快，也就是說(shuō)，如果風(fēng)機(jī)的型號(hào)與管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)配合度不高，那么調(diào)節(jié)門(mén)就會(huì)消耗掉一大部分電量，因此改進(jìn)離心風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式是減少風(fēng)機(jī)耗電量的有效途徑。對(duì)于風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能改造我們有以下方案：當(dāng)風(fēng)量裕度不高于10%時(shí)，不必使用變速調(diào)節(jié)，僅使用調(diào)節(jié)閥門(mén)調(diào)節(jié)即可。對(duì)于風(fēng)量裕度大于10%的情況，可以采用安裝變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，安裝變頻器后風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)能夠降低其產(chǎn)生的瞬間沖擊力，能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)同時(shí)發(fā)揮一定的保護(hù)作用。另外，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在風(fēng)機(jī)上安裝變頻器后，能夠節(jié)約近三成的電量，大大的降低了發(fā)電成本。

3.2 在水泵中的節(jié)能分析

給水泵：給水泵與風(fēng)機(jī)情況類(lèi)似，在設(shè)計(jì)中通常留有較大的富余量，造成一定的浪費(fèi)現(xiàn)象，而如果能夠在給水泵設(shè)計(jì)中使用高壓變頻技術(shù)則能夠最大程度的降低這種浪費(fèi)，有效提升資源的利用率。

循環(huán)水泵：火電機(jī)組中為凝汽器系統(tǒng)提供冷卻水的設(shè)備就是循環(huán)水泵，一臺(tái)發(fā)電機(jī)組配備兩個(gè)循環(huán)水泵，通常情況下在冬季啟用一臺(tái)水泵即可，而在夏季則需要啟用兩臺(tái)水泵。當(dāng)前發(fā)電機(jī)組中大部分循環(huán)水泵都采用了軸流泵，其特點(diǎn)是動(dòng)葉可調(diào)，但是這種軸流泵的缺點(diǎn)是只能進(jìn)行定速運(yùn)行，無(wú)法根據(jù)季節(jié)的變化而相應(yīng)的進(jìn)行速度變化，因此經(jīng)常會(huì)造成大量循環(huán)水的流失浪費(fèi)。如果在循環(huán)水泵中增加變頻調(diào)速器后，就能夠較好的克服這個(gè)缺點(diǎn)，在節(jié)約冷卻水的同時(shí)，降低了生產(chǎn)能耗。

4 高壓變頻器應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題

首先，從發(fā)電廠的性質(zhì)方面考慮，決定了高壓變頻器必須具有一定的可靠性，從而保證發(fā)電廠的生產(chǎn)安全。其次應(yīng)該盡量與電廠的運(yùn)行條件相適應(yīng)，高壓變頻器應(yīng)該具有一定適應(yīng)電壓變化的能力。最后需要注意的是，高壓變頻器的體積較大，通常長(zhǎng)度可達(dá)到四至五米，因此在設(shè)計(jì)安裝時(shí)應(yīng)該預(yù)留出足夠的安裝空間，另外空間內(nèi)部通風(fēng)散熱情況必須良好，因此對(duì)于布置優(yōu)化方面要求相對(duì)較高。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，火電廠使用高壓變頻技術(shù)對(duì)輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，能夠有效的降低生產(chǎn)能耗，增加生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，因此在新建項(xiàng)目中應(yīng)積極規(guī)劃設(shè)計(jì)高壓變頻器的安裝使用。相信在未來(lái)，如果高壓變頻技術(shù)能夠廣泛推廣，必然能夠在發(fā)電過(guò)程中節(jié)約大量能源，改善發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行性能，進(jìn)而使火電廠擁有更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。