火電廠變頻技術(shù)應(yīng)用分析

袁路路，楊緒義

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000；2.南陽鴨河口發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 南陽 473000)

由于能源供應(yīng)的日趨緊張，我國電力系統(tǒng)分階段實施電廠與電網(wǎng)分離、電能競價上網(wǎng)的政策，通過分階段實施，逐步實現(xiàn)同網(wǎng)、同質(zhì)、同價的公平競爭，從而促進電力生產(chǎn)力的充分發(fā)揮。這就促使發(fā)電廠改造已有設(shè)備，實現(xiàn)降低生產(chǎn)成本，節(jié)能減排降耗?；鹆Πl(fā)電廠中，廠用電率是影響電廠經(jīng)濟效益的重要指標(biāo)。包括電動機、照明、超暖通風(fēng)等設(shè)備耗用的電能，電廠輔機中風(fēng)機、水泵類占廠用電率約75%。風(fēng)機水泵可能存在負載所需的功率遠小于電動機的額定功率也就是常說的“大馬拉小車”的現(xiàn)象，機組人員滿負荷工作運行時，風(fēng)門開啟程度只有25%～30%，風(fēng)機設(shè)備風(fēng)閥調(diào)節(jié)性能差，風(fēng)閥運行在極小的開啟狀態(tài)，增加了風(fēng)阻。因此，選擇合適的高低壓廠用電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)，使用變頻調(diào)速技術(shù)對一次風(fēng)機和凝結(jié)水泵等設(shè)備進行改造，進而達到降低廠用電率、提高經(jīng)濟效益、降低發(fā)電成本的目的。隨著我國經(jīng)濟的日益高速發(fā)展，發(fā)電廠的數(shù)量和裝機容量的持續(xù)增加，負荷變動情況錯綜復(fù)雜，發(fā)電機組必須適時調(diào)峰，根據(jù)實際的負荷變化而變化，這一點也越來越依賴于變頻調(diào)速裝置實現(xiàn)。

發(fā)電廠中廠用電動機的故障，15%左右是由電機硬啟動時產(chǎn)生的過大電流及大電流在電機繞組端部產(chǎn)生的過大電磁力引起的，電廠的調(diào)峰運行會使得電機啟停次數(shù)的增多，從而導(dǎo)致了設(shè)備故障率的增加，縮短了電動機的使用壽命 ，使得設(shè)備的檢修費用和運行的人力成本大大增加。變頻調(diào)速裝置可以實現(xiàn)平滑無極調(diào)速，特別是高壓變頻器的使用能夠獲得更多的節(jié)能。據(jù)統(tǒng)計我國火電廠中廠用電設(shè)備的一次風(fēng)機和凝結(jié)水泵類進行變頻調(diào)速改造后，節(jié)電率可達到20%～50%。因此，為了在市場大環(huán)境下滑的情況下提高發(fā)電企業(yè)的市場競爭力，控制成本獲得更多的盈利，可以通過對發(fā)電廠的輔機設(shè)備，特別是一次風(fēng)機和凝結(jié)水泵的電動機進行變頻調(diào)速技術(shù)改造，進而最大程度地降低火力發(fā)電廠的生產(chǎn)成本。

1 變頻器的工作原理

作為一項新技術(shù)，交流變頻調(diào)速技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)無級平滑調(diào)速，能夠減小電機的啟動電流、起動轉(zhuǎn)矩大，具備調(diào)速精度高、容易實現(xiàn)自動化控制、效率高等特點，以顯著的節(jié)電效果和廣泛的適用性，成為電氣控制技術(shù)改造的主要方向[1]。交流變頻調(diào)速技術(shù)目前通過改變脈沖寬度調(diào)制電壓輸出波形進行控制，即PWM方式。從工作原理上說目前最優(yōu)異方式為空間矢量控制變頻器，模擬直流電機的調(diào)節(jié)方式，是較為理想的一種調(diào)速方式[2]。

異步電動機的轉(zhuǎn)速為

(1)

式中：n為電動機的轉(zhuǎn)速，r/min；p為電動機的磁極對數(shù)；s為電動機的轉(zhuǎn)差率；f為電源頻率，Hz。

從式(1)中可以看出，磁極對數(shù)一定，轉(zhuǎn)差率不變時，通過改變同步轉(zhuǎn)速和電機轉(zhuǎn)速來改變電源頻率，同時，頻率的降低會導(dǎo)致磁通量的增加，所以降頻的同時還要降壓，這應(yīng)由電機的工作頻率和不同的電壓大小來進行協(xié)調(diào)管理控制，所以稱之為一個可變頻率可變電壓調(diào)速系統(tǒng)，即變頻調(diào)速[3]。

泵的功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

(2)

式中：N為功率，kW；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

從式(2)中已知，功率的三通方形和速度，并且減速速度可以大大降低功率。對于一個水泵，流量與轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)流量從100%降低到75%時，速度降低到75%，電機功耗降低到30.4%，即節(jié)省69.6%的電能?？紤]到調(diào)節(jié)閥門時功耗，實際功耗與額定功耗的差值，以及轉(zhuǎn)速下降引起電機的效率下降等因素，節(jié)電效果還是相當(dāng)顯著的。

2 變頻調(diào)速技術(shù)在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用

2.1 節(jié)能應(yīng)用

變頻器可以依據(jù)負載的變化情況自動調(diào)節(jié)電機的頻率，這樣既滿足負載的需要又能起到節(jié)能的作用[4]。電機的能耗與轉(zhuǎn)速成3次方關(guān)系，假設(shè)電機在85%額定轉(zhuǎn)速工作，其功耗可降至61.4%。將變頻器應(yīng)用于凝結(jié)泵的電流做出以下比較(見表1)：

表1 凝結(jié)泵改造前后電流比較

依據(jù)表1，估算對凝結(jié)泵進行變頻改造后的情況：

按平均每年190 MW估算，年利用率按300天計算，有

以電價0.21元/kW·h-1計算，每臺凝結(jié)泵可節(jié)約20.3萬元/年。

2.2 軟起動應(yīng)用

電機直接起動時的沖擊電流最大值能夠達到額定電流的5～7倍，星三角啟動也能達到額定電流的4～5倍，在短暫的啟動過程中，電機的繞組會承受很大的應(yīng)力，超過端環(huán)的承受能力時就會出現(xiàn)斷裂。電機啟動時的大電流還會產(chǎn)生過大的沖擊轉(zhuǎn)矩，造成電動機端環(huán)斷裂，定子端部繞組絕緣的機械磨損，導(dǎo)致繞組發(fā)熱，使得電機絕緣老化導(dǎo)致?lián)舸龣C。啟動時的大電流還會造成電機鐵心振動，使得鐵心松弛進而可以引起電動機發(fā)熱。凝結(jié)泵改造為變頻運行之后，從啟動的負荷曲線可以看出，啟動時沒有出現(xiàn)大電流沖擊，電流平穩(wěn)地隨著轉(zhuǎn)速的上升而增大，不會超過額定電流，解決了硬啟動時大電流帶來的一系列問題。使得電機帶動負載后能更好地適應(yīng)負荷的變化，不會產(chǎn)生沖擊電流，不會引起電網(wǎng)電壓的波動，使電網(wǎng)進入不穩(wěn)定運行狀態(tài)。另外直接啟動可能造成的電動機繞組發(fā)熱絕緣老化甚至燒毀等事故，給發(fā)電廠主機設(shè)備的安全運行帶來威脅，因此鍋爐和汽機類輔機的電動機采用變頻調(diào)速軟起動方式，對于電機的安全運行、延長檢修周期，提高調(diào)節(jié)效率，降低了設(shè)備的損壞幾率，節(jié)約了日常維護的費用。另外，變頻調(diào)速系統(tǒng)本身能夠?qū)崿F(xiàn)過壓保護，過流、過載保護等完善的電氣保護功能，能夠確保設(shè)備安全工作。

2.3 控制應(yīng)用

火力發(fā)電廠汽機和鍋爐等各種輔機設(shè)備中，各類風(fēng)機和水泵類設(shè)備占80%以上。結(jié)合輔機運行工況，隨著電廠調(diào)峰力度的增大，需要對風(fēng)機水泵進行實時調(diào)節(jié)，可以在風(fēng)機水泵電機上設(shè)置電氣旁路，正常情況下電動機變頻運行，當(dāng)變頻控制器有故障時，自動選擇到工頻工作。如圖1所示，進行如下改造：

圖1 加裝變頻器的電氣主回路

(1)對電動機進行可調(diào)頻率可調(diào)電壓控制，原來連接的動力電纜不變，但為防止高頻信號干擾，影響其他儀表及保護回路，將原電纜使用鋼帶接地，變頻器控制線使用屏蔽電纜。

(2)電廠重要輔機使用工頻運行與變頻器運行回路并聯(lián)的方式，在變頻調(diào)速系統(tǒng)不能正常工作時，自動調(diào)整為工頻運行，做到安全第一，節(jié)能第二；每臺發(fā)電機組配備兩臺凝結(jié)水泵，采用明備用方式。使用一拖二模式的自動工/變頻切換，使用一拖二的控制方式可以提高變頻調(diào)速設(shè)備的利用率，達到最優(yōu)的節(jié)能效果。

(3)變頻器使用控制就地控制和遠方調(diào)度中心控制，這里重點介紹遠方控制，監(jiān)控中心通過操作面板，既可以遠程調(diào)控，又可以實時監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài)，加上聲光報警系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備可靠運行調(diào)整，記錄并處理突發(fā)事件。

(4)電源主回路改造使用微機型保護元件作為設(shè)備的后備保護，調(diào)整變頻器的頻率上下限，防止因故障而造成電動機轉(zhuǎn)速下降至零點造成停機等嚴(yán)重故障，使電廠重要輔機工作的安全性得到保障。

(5)加裝電氣連鎖回路，變頻器一旦發(fā)生故障，啟動備用電機或旁路開關(guān)冗余備份，避免電廠發(fā)生重特大事故，造成重大損失[5]。

如圖2所示，某火電廠進行凝水泵和風(fēng)機的變頻調(diào)速改造，改造總?cè)萘繛? 900 kW。改造后凝結(jié)水泵出口閥門始終處于全開位置，通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率改變水泵轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)水泵流量，調(diào)節(jié)除氧器水位的目的，機組所帶負荷是不斷變化的，變頻器的輸出也隨之調(diào)整，變頻器運行穩(wěn)[6]，調(diào)整性能良好。

圖2 電動機變頻改造前后性能對比

3 結(jié) 論

火力發(fā)電采用變頻調(diào)速技術(shù)，已充分顯示出其優(yōu)越性，并逐步替代了傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式，是目前電廠電機節(jié)能改造、保障主機安全運行的最為有效的方式。變頻調(diào)速系統(tǒng)可以進行定制的設(shè)定、控制器的投停、主機保護、調(diào)速系統(tǒng)自檢、事件記錄等功能[7]，并且減少了發(fā)電廠的設(shè)備運行維護、檢修費用，縮短了停產(chǎn)周期，節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟效益十分突出。在新電廠建設(shè)和老舊電廠改造中， 變頻器將在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，節(jié)能降耗和調(diào)速方面具有更為廣闊的應(yīng)用前景。