0 引言

過去, 中國(guó)火力發(fā)電廠的設(shè)計(jì)、制造受技術(shù)條件影響，電廠主要用電設(shè)備如引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)、給水泵、循環(huán)泵等高耗能設(shè)備，其輸出功率不能隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化，只能通過改變擋板或閥門的丌度來進(jìn)行調(diào)整，造成很大部分能量消耗在節(jié)流損失中[1]。進(jìn)入80年代后, 國(guó)外變頻技術(shù)被中國(guó)引進(jìn)吸收，并很快在許多行業(yè)得到了推廣和應(yīng)用,收到了良好的節(jié)能效果?；痣姀S高壓電機(jī)變頻改造在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上滿足社會(huì)生產(chǎn)用電量不斷增加的外在需求，其對(duì)提高節(jié)能效果，節(jié)省生產(chǎn)成本，提高火電廠的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 變頻與節(jié)能原理概述

1.1 變頻原理

功率單元串聯(lián)疊加是高壓變頻器所采用的串聯(lián)方式，其主電路開關(guān)的主要組成部分是功率極大的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。它采用空間矢量多重化脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，每一相由若干個(gè)單元串聯(lián)而成，其中任何一個(gè)功率單元所輸出的電壓波形和串聯(lián)后所輸出的相電壓波形均可獲得幾十個(gè)各不相同的電壓等級(jí)。一旦電壓的等級(jí)增多，各等級(jí)的電壓就會(huì)相應(yīng)減少,對(duì)電機(jī)絕緣機(jī)所造成的破壞也會(huì)相應(yīng)減少，同時(shí)輸出電壓的諧波數(shù)量也會(huì)隨之減少[2]?？梢哉f增加電壓等級(jí)的數(shù)量，顯著提高了變頻器輸出能力，使輸出波形接近正弦波，確保電網(wǎng)清潔、零污染。因此，串聯(lián)疊加方式的變頻器不會(huì)對(duì)處于同一電網(wǎng)的燈具、電腦等電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾，減少了人們對(duì)共振、諧波的分析工作，同時(shí)也節(jié)省了諧波裝置相關(guān)費(fèi)用。

1.2 節(jié)能原理

汽機(jī)凝結(jié)水泵電機(jī)經(jīng)變頻改造后，其輸出量在滿足工藝要求的同時(shí)，還能節(jié)省大量電能，具體節(jié)省比例見以下推算過程。根據(jù)風(fēng)機(jī)類負(fù)載和汽機(jī)凝結(jié)水泵電機(jī)的工作特點(diǎn)可知：

汽機(jī)凝結(jié)水泵機(jī)的流量與其轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比例關(guān)系：

Q2/Q1=N2/N1， (1)

同時(shí)，汽機(jī)凝結(jié)水泵機(jī)的電機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)動(dòng)速度的立方值也成正比例關(guān)系：

P2/P1=(N2/N1)3， (2)

根據(jù)變頻器工作原理可知其轉(zhuǎn)動(dòng)速度與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率也是正比例關(guān)系：

N2/N1= f2/f1， (3)

式(1)至式(3)中，Q為流量，m3/h;N為轉(zhuǎn)速，r/s;P為軸功率， W;f為頻率，Hz。假如f下降20%(50 Hz下降到40 Hz)，結(jié)合以上比例關(guān)系推算如下：

Q2=N2/N1×Q1，(4)

因?yàn)椋篘2/N1=f2/f1，故：

Q2=f2/f1×Q1; (5)在f下降20%的情況下，

Q2=Q1×80%，(6)

P2=(N2/N1)3×P1，(7)

在f下降20%的情況下，

P2=(80%)3×P1=P1×51.2%，(8)

由此可見，頻率下降20%時(shí)，軸功率占原料的51.2%，從而節(jié)約48.8%。該推算顯示的是理想狀態(tài)的節(jié)電率，在實(shí)際工作過程中，由于運(yùn)行狀況各不相同，產(chǎn)生的效果不可避免地會(huì)和以上計(jì)算結(jié)果有一定差異，但從計(jì)算結(jié)果來看，效果非常明顯，變頻改造的必要性不言而喻。

2 變頻改造的顯著優(yōu)勢(shì)

2.1 安全可靠性分析

安全性是工程的靈魂，必須予以高度重視。因此，高壓變頻器的安全分析也就非常必要。通過軟啟動(dòng)技術(shù)，有效防止了因工頻啟動(dòng)而產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊轉(zhuǎn)矩和電流，在增加電動(dòng)機(jī)、負(fù)載的使用年限的同時(shí)，大大減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊力，確保機(jī)組正常運(yùn)行。高壓變頻器擁有完整的保護(hù)體系，在發(fā)生欠壓、短路、變頻器發(fā)生過壓、過熱、過流等情況時(shí)，其系統(tǒng)可進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并根據(jù)檢查結(jié)果給予及時(shí)的智能提示、保護(hù)、報(bào)警，從而保證設(shè)備正常安全運(yùn)行。

2.2 高壓變頻器優(yōu)勢(shì)

在交流高壓電機(jī)直接啟動(dòng)的短暫過程中，往往會(huì)產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的電流和轉(zhuǎn)矩沖擊力，導(dǎo)致以下3個(gè)不良后果：a) 由于阻尼繞組和轉(zhuǎn)子籠型繞組在這一過程中承受極高機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，從而致使籠條破損的發(fā)生;b) 引起定子繞組絕緣磨損，從而致使定子繞組絕緣擊穿;c) 這一過程中的強(qiáng)大電流會(huì)導(dǎo)致鐵芯松弛，從而增加機(jī)電發(fā)熱。變頻器能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高并不造成沖擊力，有利于增加電動(dòng)機(jī)的服務(wù)時(shí)間，對(duì)電網(wǎng)沖擊也相對(duì)較弱，從而確保整個(gè)機(jī)組安全正常運(yùn)行[3]。近年來，隨著中國(guó)科技不斷發(fā)展，新的科技被廣泛運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域，電廠的自動(dòng)化水平也越來越高，對(duì)輔助設(shè)備的控制性能的要求也日益增長(zhǎng)，這就要求相關(guān)工作者結(jié)合實(shí)際，充分利用高壓變頻器的優(yōu)勢(shì)調(diào)整水泵、風(fēng)機(jī)的速度，這不但可以對(duì)水泵、風(fēng)機(jī)流量起到調(diào)節(jié)作用，還能大幅度減少對(duì)電能的消耗，從而實(shí)現(xiàn)改善工藝和降低能耗的目的。

3 變頻改造相關(guān)技術(shù)方案

根據(jù)筆者多年的現(xiàn)場(chǎng)工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出以下3個(gè)變頻改造相關(guān)技術(shù)方案。

3.1 方案一

鍋爐引風(fēng)機(jī)和鍋爐送風(fēng)機(jī)使用的拖動(dòng)方式均為一拖一，且?guī)ё詣?dòng)旁路，如圖1所示;汽機(jī)凝結(jié)水泵使用的拖動(dòng)方式為一拖二，也帶自動(dòng)旁路，如圖2所示;

3.2 方案二

鍋爐引風(fēng)機(jī)使用的拖動(dòng)方式為一拖一，且?guī)ё詣?dòng)旁路，如圖1所示;鍋爐送風(fēng)機(jī)和汽機(jī)凝結(jié)水泵使用的拖動(dòng)方式均為一拖二，且?guī)ё詣?dòng)旁路，如圖2所示。

3.3 方案三

鍋爐引風(fēng)機(jī)使用的拖動(dòng)方式為一拖一，無自動(dòng)旁路，如圖3所示;鍋爐送風(fēng)機(jī)和汽機(jī)凝結(jié)水泵使用的拖動(dòng)方式為一拖一，且?guī)ё詣?dòng)旁路，如圖1所示。

圖1 一拖一且?guī)ё詣?dòng)旁路示意圖

圖2一拖二且?guī)ё詣?dòng)旁路示意圖

圖3一拖一無自動(dòng)旁路示意圖

變頻器只能同時(shí)為1臺(tái)電機(jī)供電。如：電機(jī)1處于變頻工作狀態(tài)時(shí)，KM2、KM3與KM1應(yīng)相互鎖住，這樣可有效防止操作失誤;同樣，電機(jī)2處于變頻工作狀態(tài)時(shí),KM5、KM6與KM4應(yīng)相互鎖住，這樣可有效防止操作失誤;KM2與KM5、KM3與KM6之間具有電氣互鎖，可有效防止操作失誤;在同一時(shí)間內(nèi)，KM2只能與KM3或者KM1閉合工作，可以通過電氣互鎖，實(shí)現(xiàn)誤操作防止。三套設(shè)備均使用變頻一拖一拖動(dòng)方式，不帶旁路，也不需增加任何高壓電氣控制相關(guān)設(shè)備，但其安全性能較低，不宜采用。

3.4 方案選擇

介于引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)在鍋爐運(yùn)行時(shí)須運(yùn)行，為確保安全運(yùn)行，引風(fēng)機(jī)應(yīng)采用一拖一拖動(dòng)方式且?guī)月?見圖2)。這樣在變頻器發(fā)生故障時(shí)，可及時(shí)切換到工頻。由于汽機(jī)凝結(jié)水泵大多是一用一備，采用一拖二拖動(dòng)方式和自帶旁路是最佳選擇。

4 變頻改造后節(jié)能狀況和經(jīng)濟(jì)效益

為了節(jié)約用電成本，為公司謀求更多經(jīng)濟(jì)效益，華電漯河公司對(duì)4臺(tái)凝結(jié)水泵電機(jī)進(jìn)行了變頻節(jié)能技術(shù)改造。該公司已經(jīng)改造成功4臺(tái)上海電機(jī)廠生產(chǎn)的汽機(jī)凝結(jié)水泵(450 kW-6 kV，型號(hào)為：YLKK450-4)，其運(yùn)行情況見表1。

表1 改造過的凝結(jié)水泵運(yùn)行工況記錄

實(shí)際運(yùn)行頻率

HZ實(shí)際運(yùn)行電壓

V實(shí)際運(yùn)行電流

A實(shí)際運(yùn)行頻率

HZ實(shí)際運(yùn)行電壓

V實(shí)際運(yùn)行電流A

505 78747.9341425736.76

495 56147.5340409135.63

485 46946.1039393534034

475 28844.4338378433.24

465 10743.6337363431.89

454 93042.1736347830.90

444 76140.7135325929.83

434 58939.6534311228.99

424 42237.85———

進(jìn)行變頻改造前電機(jī)輸出功率計(jì)算如下：

P1=1.732×6×48×0.80=399 kW;(9)

節(jié)能變頻改造后，按照全年平均頻率值42 Hz，電機(jī)輸出功率計(jì)算如下：P1=1.732×4.422×37.85×0.95=276 kW。(10)

由此可見，實(shí)施節(jié)能變頻改造后，平均每小時(shí)節(jié)約電量可達(dá)123 kW˙h;平均節(jié)能比率：123/399≈0.3=30%;2臺(tái)機(jī)組每年按6 000 h運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，整年節(jié)電量高達(dá)：2×123×6 000=1 476 000 kW˙h。按照按上網(wǎng)電價(jià)0.42元/(kW˙h)計(jì)算,年效益0.42×1 476 000=619 920元。

汽機(jī)凝結(jié)水泵、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行情況非常類似，因而，可參照汽機(jī)凝結(jié)水泵運(yùn)行時(shí)的節(jié)電比率，對(duì)送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行推算。由于鍋爐引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)余量考慮充足，因此節(jié)能空間更大。下一步，該公司將按照上述變頻技術(shù)改造方案，逐步對(duì)1#、2#鍋爐引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)等高壓電機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，以達(dá)到更好節(jié)能改造效果。

5 結(jié)語

火電廠高壓電機(jī)變頻改造不僅大大節(jié)約了廠用電，提高節(jié)能效果，節(jié)省生產(chǎn)成本，還有利于設(shè)備安全運(yùn)行，減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用和生產(chǎn)成本，有效避免了各種意外停機(jī)導(dǎo)致的損失。同時(shí)，它能延長(zhǎng)電機(jī)等相關(guān)設(shè)備使用壽命，減少軸承磨損和噪音，有利于良好工作環(huán)境的建立。因此，相關(guān)工作者必須高度重視，把上述改造技術(shù)方案科學(xué)合理地運(yùn)用到火電廠高壓電機(jī)的變頻改造工作中，從而提高火電廠的經(jīng)濟(jì)效益，減輕火電廠員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，為公司經(jīng)濟(jì)、安全穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

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原標(biāo)題:火電廠高壓電機(jī)變頻改造