高壓變頻調速技術在發電廠中的應用

任 英

（無錫工藝職業技術學院，江蘇宜興214200）

1 引言

給水泵、凝結泵、引風機、送風機、循環水泵、磨煤機等電機拖動系統，是發電機組安全可靠、節能經濟高效穩定運行的重要輔機系統，同時也是電廠廠用電系統中重要的負荷設備，屬于電廠中的主要耗電大戶。在電廠中，輔機系統耗電量約占廠用電用電量的80%左右，其中鍋爐給水泵、凝結水泵、循環水泵等給排水輔機系統，其耗電量約占整個廠用電系統的45%；而鍋爐送風機、引風機等風機系統，其耗電量約占整個廠用電系統的30%。發電機組容量規模的進一步提高，其對輔機設備功率性能也提出了更高的要求，高能耗、響應慢、調節性能差等已成為輔機系統制約發電機組安全高效運行的重要瓶頸［1]。因此，針對電廠常規輔機系統中存在的能耗較大、節流損失較大、執行器響應速度較慢、調節非線性較嚴重、設備故障率較高等問題，采取合理的高壓變頻調速控制方案對電廠輔機系統進行技術升級改造，有效增強輔機系統中水泵、風機等電機拖動系統的調節性能，提高其運行的安全可靠性和電能綜合利用效率，確保發電機組安全高效進行電能生產，促進電廠在低碳綠色環保技術要求的基礎上實現節能降耗的目的［2]。

2 變頻調速節能控制原理

在電廠輔機系統中，主要控制對象是電能生產工藝中的流量、溫度、液位、壓力等特性參數。常規的控制方案通過靜態調節閥門、擋板等機械設備的開度來實現特性參數定量調節，在調節過程中存在較大節流損失。另外，輔機電機始終處于工頻運行工況，而實際系統大部分時間均處于非滿負荷運行工況，這樣勢必會造成大量電能資源浪費。高壓變頻調速節能控制技術，利用輔機系統中的工藝參數對電機輸入電源頻率進行精確調節控制，確保輔機系統輸入與輸出間基本保持平衡，不僅可以避免節流損失和無謂電能資源浪費，達到節能降耗的目的。同時，通過合理變頻調速控制降低起動電流，減少輔機系統起動過程中對廠用電系統的沖擊，延長輔機系統的綜合使用壽命［3]。

由相似理論可知，改變水泵或風機的轉速n1到n2時，其能量轉換效率基本保持不變，相應流量（Q）、揚程（H）、以及功率（N）將會按照式（1）進行調節，即：

由式（1）所示的水泵或風機調節特性，可以獲得水泵或風機調節性能曲線如圖1所示。

圖1 改變水泵或風機轉速的調節性能曲線

從式（1）和圖1可知，在常規閥門或擋板變流調節方案中，電機始終處于額定轉速工況下運行，是通過調節系統管阻特性使閥門從全開逐步關小來完成流量、揚程等參數調節，如：要實現水泵或風機流量由Q1調節到Q2，則通過調節開度實現管阻特性從R1調節到R2，從A點躍到B點；而變頻調速節能控制，是通過調節揚程特性實現流量的平滑調節，即將水泵或風機在n1轉速下的性能曲線換成到n2轉速下的新性能曲線的過程中，它與不變的管阻特性曲線R1的交點（即：工況點）將由A點平滑過渡到C，相應水泵或風機的流量會由Q1平滑過渡到Q2。按照面積估算法可知，在調節相同流量的條件下（如圖1中從Q1到Q2調節過程中），常規閥門或擋板變流調節其電能消耗為OQ2BH′2；而變頻調速節能控制方案中其電能消耗為OQ2CH2。從上述分析可知，變頻調速控制比節流控制軸功率要小很多，整個水泵或風機電機拖動系統理論可以節約電能資源為H2CBH′2（圖1中陰影部分所示）。

由電機學可知，水泵或風機電機輸出轉矩與電機輸入電源頻率（f）、轉差率（s）、磁極對數（p）3個特性參數間有直接關系，其具體函數表達為：

從式（2）可知，通過改變電機轉差率和磁極對數來改變電機轉速，均涉及到電機機械結構優化改進，在實際工程應用中可行性和操作靈活性較差。改變電機輸入電源頻率在理論研究和實際工程應用中已相當成熟，即在水泵或風機電機節能升級改造過程中，通過變頻調速控制改變電機輸入電源頻率，就可以改變電機轉速達到動態調節流量的節能改造目的［4]。

3 電廠風機節能改造方案

3.1 工程概況

電廠3#600MW火力發電機組的2臺6.3kV高壓風機系統功率設計值偏大，存在嚴重“大馬拉小車”問題。3#機組一次風機輔機系統，鼓風機型號為17881Z/1165，軸功率為1868kW，額定流量為110m3/min，全壓為14.318kPa，額定轉速為1480r/min，能量轉換效率為86.5%；配套電機型號為YKK630-6kV,額定功率為2240kW，額定電壓為6.3kV，額定電流為248A，額定轉速為1480r/min，功率因數為0.9，防護等級為F級IP55。從大量歷史運行數據可知，該發電機組在低負荷運行工況時，其風機動、靜葉調節過程中的節流損失，相比于額定運行工況下節流損失會增加35%～45%，風機系統運行效率較低，能耗非常嚴重，嚴重影響到發電機組的廠用電率。結合風機系統運行歷史數據，從理論分析可知，如采用6.3kV高壓變頻節能調速控制方案，對3＃機組的風機控制系統進行變頻節能升級改造，可以降低風機系統廠用電率40%左右。

3.2 節能升級改造方案

為了滿足綠色環保節能電廠技術升級改造要求，減少無謂電能資源浪費，降低電廠廠用電率，并提高風機系統調節控制性能，決定采用高壓變頻器對3＃發電機組2臺6.3kV高壓風機系統進行節能技術升級改造。按照3＃機組2臺高壓風機并聯獨立運行工藝需求，并考慮到風機系統運行的安全可靠性，決定采用1臺高壓變頻器拖動1臺高壓風機的單元接線自動切換改造方案，其具體邏輯接線如圖2所示。

圖2 6.3kV高壓風機變頻節能改造方案

從圖2可知，除了采用6.3kV高壓變頻器外，虛線部分為本次節能升級改造內容的主要一次系統，由3個6.3kV高壓真空接觸器（KM1、KM2、KM3）、2個6.3kV高壓隔離開關（QS1、QS2）、1個PT互感器共同組成一面旁路柜。電廠廠用電6.3kV電源經QF11用戶開關、QS1高壓隔離開關、KM2高壓真空接觸器與高壓變頻調速裝置相連，變頻調速裝置經內部運算模塊形成對應的控制策略，并經KM3高壓真空接觸器和QS2高壓隔離開關與6.3kV高壓風機電機相連，將電源供給電機實現風機輔機系統的變頻調速節能控制運行。為了提高輔機系統運行的安全可靠性，在變頻調速控制裝置出現故障后為確保發電機組安全高效的運行，6.3kV電源還可以通過KM1高壓真空接觸器直接供給高壓風機電機，實現工頻運行。

4 節能技術升級改造應用效果分析

4.1 3＃機組日平均電力負荷計算

為了較為準確分析3＃機組高壓風機進行變頻調速節能控制技術升級改造后的節能經濟效益，將3＃機組2011年1月升級改造后1月-12月的電力負荷運行情況進行詳細統計分析，進而分析＃3機組每天的平均日負荷曲線。3＃機組2011年1月-12月每天典型數據所組成的日平均負荷波動曲線如圖3所示。

圖3 3＃機組日平均負荷波動曲線

從圖3可知，通常在7時前發電機所帶電力負荷偏低，7時后開始上升10時達到最高負荷，并基本維持最高負荷持續到12時，之后有所下降，從13時到18時負荷維持在一個較高點，從19時開始有所上升并維持2-3小時，最后到21小時開始慢慢下降，直到初始負荷。圖3所示的3＃機組負荷波動基本滿足電力負荷日波動特性，通過對3＃機組24小時的負荷進行加權平均，獲得3#機組日平均負荷大約為426MW/h。2011年3#機組全年發電量為2377826MWh，年運行小時數為4247.18h，由此可以計算出3#機組平均功率為428.29MW/h，與圖3計算獲得的429MW/h基本相等。統計分析可知，機組按照330MW、400MW、500MW、600MW 4個運行工況進行運行，其負荷工況運行小時數大約為8h、8h、4h、4h，相應計算出的日平均負荷為427MW/h，與日平均負荷426MW/h比較符合。

4.2 節能效益分析

3#機組一次風機系統其在不同工況條件下工頻和變頻運行電機所消耗電能，如表1所示。

表1 一次風機工頻及變頻運行數據對比

從表1可以看出，3#機組高壓一次風機采用變頻調速節能升級改造后，其在不同負荷工況下從工頻運行功率的1557.93 kW·h-1、1582.36AkW·h-1、1722.83 kW·h-1、1801.31 kW·h-1，有效降低到變頻運行功率的401.6 kW·h-1、479.58 kW·h-1、868.82 kW·h-1、1189.57 kW·h-1。當機組電力負荷不斷下降時，變頻調速所取得的節能效果越好，在330MW負荷工況，其節約功率最為明顯，節約1156.33 kW·h-1。 3#機組一次風機系統進行技術升級改造后，其一天可以節約電量為：

一年大約可以節約電量（按年運行小時數4247.18h計算）為：

按照平均每度電標準煤耗為320g/kW·h計算，則可以節約標煤約1355.5t。按照火電廠上網電價0.38元/kW·h計算，則3#機組一次風機采用變頻調速節能升級改造后，一年可以節約資金約161萬元。6.3kV變頻調速裝置按照950元/kW進行估算，則3#機組一次風機單臺變頻調速裝置的升級改造成本約為213萬元，只需1.5年就能完全收回成本。

3#機組一次風機進行高壓變頻調速節能升級改造后，不僅其節能效果十分明顯，每年可以節約213萬元，而且調節運行較為靈活方便，且大大降低風機電機起動電流，確保風機輔機系統具有較高的安全可靠性。

5 結束語

隨著電力電子技術理論研究和工程實踐應用的進一步完善，高壓變頻器在響應性、調節性等各項技術性能方面均有很大拓寬和提高［5]。電廠高壓一次風機變頻調速裝置，其投資較低且節能效益較為明顯，通常在1-2年內就能完全收回投資成本。在火力發電行業中，風機、水泵等輔機負荷種類較多、功率較大，應充分結合輔機系統各種工況特性，合理選用變頻器進行節能升級改造，提高輔機設備運行的高效穩定性和調速的準確可靠性，確保發電機組安全可靠、節能經濟的高效穩定發電運行。

［1] 周希章，周 全.電動機的起動、制動和調速［M] .北京：機械工業出版社，2001.

［2] 吳忠智，吳加林.變頻器應用手冊［M] .北京：機械工業出版社，2002.

［3] 謝 茹.210MW發電機組風機變頻調速改造［J] .中國設備工程，2010（5）：62-63.

［4] 李鳳鳴.高壓變頻調速在300MW機組引風機上的應用［J] .華北電力技術，2006（1）：34-37.

［5] 舒服華，王 艷.電機節能降耗技術和方法探討［J] .電機技術，2008（3）：39-42.