高壓變頻調速控制在石油企業自備熱電廠中節能分析

紀永勝

(遼河石油勘探局電力集團公司熱電廠，遼寧 盤錦 124022)

1 引言

石油企業自備熱電廠擔負著發電、供電、供暖方面的生產生活保障任務。隨著油田的開發建設，各種負荷的增加，自備熱電廠也在不斷地擴建，然而目前熱電廠的主要用電設備如一次風機、二次風機、引風機、給水泵、給煤機、冷渣機等耗能設備耗電量很大，其驅動電機輸出功率不能隨機組負荷變化進行調節，造成很大部分能量消耗在節流損失中。目前的調節方法如下:一是通過改變擋板和閥門開度來實現，這種情況下風機和水泵必須滿功率運行，不僅效率低而且設備損壞快;二是通過改變電機轉速來實現，傳統的方法是電磁轉差離合器，如加濕機、冷渣機、給煤機等皮帶傳送類負荷，和液力偶合器如風機、泵類負荷，這種方法存在效率低，精度差，存在嚴重非線性和運行不可靠的缺點。

石油企業自備熱電廠輔機設備的驅動電機多為6kV高壓大功率電機，解決上述問題就要利用高壓變頻技術對這些設備的驅動電源進行變頻改造，這不僅克服了執行機構、液力偶合器等設備非線性嚴重、純遲延大等難以控制的問題，還具有效率高、調節精度好、運行可靠和自動化程度高的優點，是石油企業自備熱電廠提高經濟效益、實現安全穩定運行的重要途徑。

2 變頻調節節能原理分析

異步電動機的轉速n與電源頻率f、轉差率s、電機極對數p三個參數有關:

由此可見，變頻調速是通過改變電源頻率f來調節電動機轉速的，并且n與f為線性關系，轉速調節范圍寬。

2.1 擋板/閥門調節改為變頻調節的節能原理

改造前的流量調節通過改變閥門或擋板開度來實現。這種情況下，電機總是處于全速運行狀態，但實際上機組負荷需要不斷調整。因此，這種方法存在嚴重的節流損失。

對于泵和風機，由流體動力學理論可知，流體流量與泵或風機的轉速一次方成正比:

其中Q、n分別表示流量和轉速。泵或風機的轉矩與轉速二次方成正比，而其功率P則與轉速三次方成正比，即:

上述各式中腳標“0”均表示額定工況。

轉速降低時，電機的能耗將以其三次方的速率下降，因此變頻調速的節電效果非常顯著。

2.2 電磁轉差離合器、液力偶合器調速改變頻調速的節能原理

鍋爐的給煤、排查系統的冷渣機及其他許多地方都采用傳統的滑差電機進行控制即電磁轉差離合器調速方式。電磁轉差離合器由主動部分電樞和從動部分感應子兩部分組成。電樞與感應子存在0.5mm左右的氣隙。其調速功能是通過調節感應子勵磁電流的大小，改變氣隙磁感應強度B，從而改變感應子從動軸的電磁轉矩M來實現的，其關系式為:

式中，B為氣隙磁感應強度;L為電樞有效長度;R為電樞平均半徑;ZP為一個磁極下渦流路徑上的等效阻抗;P為感應子磁極對數;ω1為電樞旋轉角速度;ω2為感應子旋轉角速度。

電磁轉差離合器調節勵磁電流后的機械特性見圖1。可見，在某一恒定轉矩M下，勵磁電流發生變化時，轉速從nb變到na，調速范圍很小，且非線性嚴重，勵磁電流損失都轉化為熱耗。

圖1 電磁轉差離合器調速機械特性

電磁轉差離合器調速常用于低壓電機中，高壓電機領域中傳統的調速方式是采用液力偶合器。這種方法調速能耗大、效率極低，其原因是存在嚴重的耦合損失和轉差損失。耦合損失是由于液壓油內摩擦造成的，轉差損失是由于調速時輸出軸與輸入軸存在轉速差造成的，這種損失隨轉速差的增加而上升，即η效率=1－s，其中s為轉差率，兩部分損失最終都變成熱損失。此外，這種調速方法還有如下缺點:一是受執行機構和液壓機構限制，調速精度差，同時還存在嚴重非線性，只在15% ～85%之間是調節線性區，即使在這區間仍存在增速與減速間逆差間隙，造成自動系統很難投入運行;二是運行不可靠，國內已有多起由于液力偶合器葉片破損造成事故的先例，其主要原因是偶合器制造精度難以提高。另外，采用該調速方法需要一整套油系統，維護工作量很大。

上述兩種方法改為變頻調速后，理論上調速范圍為0%～100%，且線性度很好。變頻設備本身的電子損耗很低，因而無論在輕載還是滿載都有很高的效率。此外其運行可靠性、調節精度及線性度都是以前各種調速方法無法相比的。

3 傳統流量控制方法與變頻控制的能耗比較

下面以水泵為例，比較閥門控制和變頻控制的能耗情況。

閥門控制流量時水泵壓力與流量的關系如圖2所示。

圖2 閥門/就頻器控制下的水泵壓力與流量關系

可見，曲線BD、CE分別為不同轉速下水泵的壓力流量關系，BF、AF為不同的管網阻力曲線。系統消耗有效功率的大小反映于管網阻力曲線上的壓力H和流量Q的乘積，而泵的輸出功率大小反映于水泵特性曲線上的H和Q的乘積，A為額定工作點。η1、η2分別為水泵在轉速n1、n2下的效率曲線，水泵在設計時應在額定流量時獲得最大效率。閥門開度減小時，受其節流作用，泵后管網流動阻力增加，水泵運行點沿恒轉速曲線BD的A點上升到B點，使泵出口壓力升高，流量減少。同時，水泵的工作效率沿曲線η1從最高點下降到M點。此時耗電量減少不多而效率下降較大。如通過閥門控制流量從100%減少到70%時，出口壓力H將由100%增到110%，總效率η由0.98降為0.80，由泵的軸功率公式可得，能耗只減少(100% ×100%)/0.98－(70% ×10%)/0.8≈5%。而通過變頻技術控制流量時，由于閥門全開，只改變水泵轉速而不改變泵后管網阻力，當水泵轉速降低時，其壓力/流量曲線下移，運行點將由A點沿恒管網阻力曲線AF降到C點，即水泵流量減少，出口壓力降低，同時其效率曲線隨轉速的改變由η1移到η2，水泵始終工作在最大效率附近，其節省能耗如圖2陰影部分所示。可見，通過變頻控制流量同樣從100%減少到70%時，出口壓力降低到55%，總效率基本維持不變，能耗卻可減少(100% ×100%)/0.98－(70% ×55%)/0.98≈60%。

圖3 不同控制方式下風機能耗特性

對于風機，利用擋板等傳統流量控制方式與變頻器控制的節電比較如圖3所示。可見，采用變頻調速裝置調節流量時，風機消耗的功率幾乎是理論最低耗能值。在風量為60%時擋板控制消耗電機額定功率的約85%，液力偶合器控制消耗約45%，而變頻控制只消耗約25%。

4 應用實例與效益分析

我廠擁有兩臺240t/h循環流化床鍋爐，每臺鍋爐配套一臺一次風機、一臺二次風機、兩臺引風機，風機及配套電機型號分別為:

一次風機GF－35No.18D容量48.3m3/s

一次風機電機YKK500－4功率1000kW電壓6000V電流117A

二次風機G5－54No.16.5D容量49.24m3/s

二次風機電機YKK450－4功率710kW電壓6000V電流82A

引風機(2臺)Y5－54No.21.5F容量69m3/s

引風機電機(2臺)YKK450－6功率450kW電壓6000V電流56A

改造為變頻調速控制以后，以改造前后鍋爐負荷同樣為230t/h為例，主要參數對比如表1所示。

表1

4.1 直接經濟效益分析

240t/h循環流化床鍋爐是電力集團公司熱電廠的主力鍋爐，根據機組的實際運行數據統計，鍋爐全年的平均負荷為230t/h，隨著鍋爐維護水平的提高和資金投入的加大，近幾年年實際運行時間為6500～7500h，以年平均運行7000h計算，電價按0.387/kWh，則全年節電:

一次風機:

(65－53)×6000×0.9/1000×7000×0.387=17.55萬元

二次風機:

(56－48)×6000×0.9/1000×7000×0.387=11.7萬元

引風機:

(45－40)×6000×0.9/1000×7000×0.387=7.31萬元

兩臺鍋爐全年節約電費:

(17.55+11.7+7.31×2)×2=87.74萬元

可見，變頻調速的經濟效益是相當可觀的。

4.2 間接經濟效益

改用變頻調速后間接經濟效益如下:(1)功率因數由原來的0.8左右提高到0.95以上，省去了功率因數補償裝置。采用變頻器其諧波含量極低，電流失真度小于0.8%，電壓失真度小于1.2%，轉矩脈動小于0.1%，不用裝設輸入濾波器，也避免了電機的附加發熱、噪聲及共模電壓損害等問題。(2)可實現空載軟啟動，啟動峰值電流和時間大為減少，避免了因大啟動電流造成的絕緣老化及由于大電動力矩造成的機械沖擊對電機壽命的影響，每年可減少電機更新維護工作量，也節約了檢修維護費用。(3)在改造前，鍋爐運行一個月左右時間一次風機出口風道便出現開裂現象，裂口并逐漸增大，風機電流由原來52A上升至62A，風機入口擋板開度由原來的40%增加至70%，并且風機振幅大幅度上升，影響鍋爐安全穩定運行，需要定期壓火處理，改造后，一次風機運行穩定，并且避免了一次風機出口風道開裂現象，避免了不必要的停爐。另外，由于一次風機出口風道開裂每次壓火修補投入人工材料費用約為0.3萬元，因壓火導致蒸汽疏水損失約0.3萬元;因壓火少生產蒸汽造成間接損失每小時約為0.3萬元，每次壓火需要4小時，損失約1.2萬元;每年因為一次風機出口風道開焊需要壓火4次，每年可節約7.2萬元，兩臺鍋爐14.4萬元。(4)采用變頻調節，其控制調節特性遠遠好于擋板調節，有利于進一步進行分散控制系統改造，大大改善了鍋爐燃燒自動控制系統的工作狀況，使自動裝置的可靠性大大提高。(5)采用變頻調速，擋板全開，轉速降低使環境噪聲影響得到大大改善。

5 結束語

作為企業的自備電廠，如何降低發電成本提高企業的經濟效益，已經提上日程。高壓變頻調速控制作為一種新型調速方法，其優良的技術經濟性已得到公認。目前這種技術已在全國多家火電廠的輔機系統改造中得到應用，實際運行效果證明這種調速控制方法具備卓越的技術性能和極其顯著的經濟效益，為優化資源配置，促進發電企業可持續發展創造了條件，因而具有廣闊的推廣應用價值。

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