高壓變頻調速技術在實踐中的節能研究

楊彥寧

摘要：隨著火力發電廠裝機容量的不斷增大和調峰力度的不斷增加，整個發電機組的負荷變化比較頻繁，而且變化幅度比較大，所以必須加大對風機轉速以及泵類設備流量的調節措施，對其實現實時的調節，進而保證能源利用率的有效提高。文章介紹了在火力發電廠風機和泵類設備中應用的高壓變頻調速技術，并對其應用的必要性進行了分析。

關鍵詞：高壓變頻調速技術；火電廠；泵類；風機；發電機組 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM621 文章編號：1009-2374（2015）36-0085-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.36.041

近年來，我國經濟取得了快速的發展，同時社會對于電力的需求也在不斷增加，但面對當前日益嚴峻的資源形式，社會各界都給予了高度的重視。火力發電廠作為我國電力的主要生產者，同時也是資源消耗最大的用戶，在電力生產過程中，需要資源源源不斷的供給，資源的大量消耗使得當今的資源形式更加嚴峻。為緩解資源壓力，響應國家節能減排的重大戰略決策，對火力發電廠中的泵和風機等設備中的節能措施進行了深入的研究，同時也受到了越來越多的專業技術人員的關注。在對節能措施的研究過程中，高壓變頻調速技術憑借其自身的系列優點，如運行穩定、故障率低、良好的節能效果，使得這一技術已被廣泛地應用于發電廠的節能改造過程中。

1 火力發電廠高壓變頻技術的必要性

1.1 火力電廠中泵與風機類設備應用現狀

在現階段的火電廠中，風機和泵的選擇時都是使用了效率較高的設備，一般條件下，電廠所應用到的設備額定效率能達到80%。在具體的機組設備配置的設計過程中，如果按照常規的設計規范來講，就要滿足鍋爐輔助設備的出力要大于鍋爐的出力，而鍋爐的出力也要大于蒸汽輪機的出力，而蒸汽輪機的出力還要大于發電機的出力，在火力發電廠中的機組的最大流量和最大阻力的基礎之上，又將風機和泵類設備的出力裕量提高了10%左右。所以在火力發電廠中的主要輔助設備的容量就會比生產過程中的實際值要高出很多，而且設計出力會比實際出力高出25%左右，當機組在滿負荷工況下運行時，輔機設備一般都是由兩臺以并列的方式運行的，另外還要保證當其中一臺設備因為故障原因不能正常運行時，另一臺機組要滿足能夠帶動機組大部分負荷的要求。

1.2 我國火力發電廠市場現狀

（1）現階段，發電市場上的機械設備，如磨煤機、泵類和風機等設備普遍存在一種現象就是具有配置裕量較大的現象，而且能耗也比較高；（2）電網在運行過程中存在暫時性的供大于求的現象，而且大部分的火力電廠都不能保證在滿負荷的工況下運行，發電機組的帶負荷率和有效利用率都比較低；（3）在電廠的火力發電機組中，參加調峰運轉的機組和發電機組的單機容量也越來越大。

1.3 火電廠中高壓變頻調速技術的特點介紹

異步電動機的轉速關系式為：

n=n0（1-s）=60f0（1-s）/p

注：在上式中，n表示的是異步電動機的轉速；n0表示的是電動機的同步轉速；s代表的就是電動機的轉差率；p代表的是電動機繞組的極對數；f0代表的是電動機的電源頻率。

從上面的關系式分析可以得出結論：電動機的轉速n與電源頻率f0成正比例關系，只要改變該頻率f0就能夠使轉速n發生相應的改變。高壓變頻調速技術相應速度調節過程的實現依靠的就是改變電動機電源頻率的改變來完成的。高壓變頻調速技術最早的出現是在20世紀的90年代，近年來，伴隨著現代社會科技水平的不斷提高，該技術憑借其本身的優點贏得了市場上的廣泛認可，使其也成為了現代火力電廠節能改造的首選方案。因為在火力發電廠的生產過程中，對一些常規能源如煤、水等資源的消耗的調節要嚴格以整個發電機組的負荷的變化為基準來進行，并以機組負荷的變化為標準來完成對機組設備泵與風機流量的調節。然而，火力發電廠中的泵與風機類設備都是由定速風機來帶動的，所利用的都是通過對擋板門或者閥門的控制來實現對節流的控制，這一控制過程的實現存在著很大量的電能損失。因此，要實現當今火力電廠經濟效益的最大化，就必須對其進行相應高壓節能改造。同時，在火力發電的過程中，泵和風機類設備都有著十分廣泛的應用，這些設備的耗電量也占據了整個發電機組耗電總量的70%左右，而耗能參數也作為了衡量火力電廠經濟性的重要指標。隨著經濟調度方式的不斷深入，火電廠對于設備節能減排的研究也在不斷開展，高壓變頻調速技術在火電廠泵與風機設備實踐中的推廣和應用，給當下的電廠節能減排工作提供了一定的技術保障。

2 高壓變頻調速技術在火力電廠中的應用要點

2.1 變頻調速技術的應用條件

交流電動機的工作原理：通過在電動機內部的切割磁感線，產生磁感電流，完成能量的傳遞，如果過程中電機的磁通量過大，就有可能導致產生的電流值也比較大，嚴重時會直接燒壞發電機組，然而，如果電機氣隙磁通量又過小，就會造成電機達不到規定的出力要求，所以在對機組進行高壓變頻調速節能改造之前，務必要進行的一步工作就是保證電機恒定的氣隙磁通量。另外，根據電機的變頻調速特性，如果供電頻率比電機的額定功率高，那么就會使得電機在工作過程中只能維持到額定電壓，其電壓值也不會隨變化而升高，而此時如果進行變頻調速操作就會造成電機氣隙磁通量的減弱和轉矩的減小。

2.2 電廠中高壓變頻調速裝置的配置

（1）在火電廠中的大型的輔助設備多為成對配置，單獨的一臺機組也能夠滿足整個機組大部分負荷的要求。此外，當機組在滿負荷的工況下運行時通過高壓變頻調速技術將會造成不必要的能量損耗，所以針對具體情況，可以對一套輔助機組進行高壓變頻的改造，當機組運行在高負荷的工況下時，我們可以采用兩套機組并列運行，而當運行負荷比較低時，又可以采用單獨的變頻機組進行工作，同時通過對爐膛壓力的測定來實現對風機轉速的實時調節；（2）在火力電廠中的一些泵和風機類設備，其轉矩和自身的轉速的二次方成正比例關系，當對這些設備完成高壓變頻改造后，電機電流會得到一定程度的下降，而且整個機組的發熱量也會降低，為有效避免由于單側風機的變頻改造造成的兩側風路排煙系統的較大溫差，可以利用母管完成兩路的送風運行；（3）在變頻改造后的機組中，由于電機的固有頻率和變頻器的載波頻率相近，很有可能會產生共振的現象，導致較大噪聲的產生，所以為避免噪音的污染，工作人員可以對變頻器的載波頻率進行相應的調節；（4）通過對電動機的變頻改造，給電動機的運行也帶來了一定的影響。如對鼠籠式異步電機的變頻改造完成后，會導致高次諧波在電機的定子電流中的出現，使得電動機的能量損耗增加的同時還降低了電動機的功率和效率。除此之外，因為高壓變頻器存在較小的電容量衰減，能夠有效地降低電機的啟動電流，充分地保證了電動機的使用年限。所以在設計過程中，要對系統的安全性和可靠性進行綜合全面的考慮，在必要的時候為保證系統的通風效果可以增設一個變頻器旁路系統。

3 高壓變頻調速技術節能分析

火力發電廠中的風機是發電機組的重要輔助設備之一，主要有引風機和送風機兩種。引風機和送風機的風量會隨著機組發電負載范圍的調整發生一定的變化，一般情況下，風機都會在工頻狀態下以較低的效率來運行，這一現象就直接導致了大量能量的消耗。火電廠的設備配置圖如圖1所示：

圖1 設備機組配置圖

火電廠中的引風機和送風機的運行形式由并列運行和單臺運行，運行形式主要是根據相應的機組負載的變化。同時在負載運行的條件下使用高壓變頻裝置，由于高壓變頻器本身存在效率上的影響，不僅達不到節能的效果，相反還會增加能源的損耗，所以機組采用了兩套引、送風機系統，為的就是避免單套配置在變頻運行過程中，在兩側風路會存在較大的溫差，此時就需要將兩路的送風配置為由母管完成送風運行，由于輸送過來的風具有不同的風壓和風量，通過兩路送風裝置將風在母管中混合，然后在空氣預熱器中預熱，這樣一來就能夠達到一定的平衡。機組的引風系統在電場電除塵的作用下均勻混合，而單獨的變頻裝置不能達到此效果，對整個煙風系統沒有影響。

從圖1可以看出，甲側機組鍋爐煙風系統的風機系統完成了高頻節能的改造，而乙側的風機系統還是采用了原來的擋板節流的方式。在高壓變頻節能改造甲側的風機系統后，對整個機組的負荷的變化最大，兩側風門開至最大范圍，這時兩側的風機系統的運行形式是并列運行。一般風機系統的風量調節不由乙側控制，主要是由甲側的風機轉速來進行調節的。如果機組由高負荷變為低負荷，就要停止乙側的風機運行，主要靠變頻風機來進行風量的調節，這樣方能實現高壓變頻調速技術的最佳節能效果。采用負壓閉環控制技術來確保鍋爐的燃燒工作，主要通過送風機調節器根據煤量變化的耦合信號來調節。風量的調節是由甲側風機轉速來調節的，送風機的控制系統也對甲側引風機的調節有影響，只有維持最佳的煤風比例和最合適的爐膛負壓，才能夠保證自動調節的正常運作，保證鍋爐燃燒工作的順利進行。

4 結語

隨著現代工業的不斷發展，能源短缺問題日益嚴峻，對應的節能減排工作也會得到政府和相關部門越來越多的關注。對于火力發電廠來講，高壓變頻調速技術的廣泛應用實現了大型泵類和風機設備的變頻改造的完成，它不僅有效地降低了火力電廠的生產投資成本，同時提高了火力電廠的市場競爭力，而且也切實符合國家建設“資源節約型、環境友好型”社會的要求，具有顯著的社會、經濟效益，相信高壓變頻調速技術在不久的將來將會得到更為廣泛的推廣和應用。

參考文獻

[1]陳建軍.簡析高壓變頻調速技術在火電廠風機和泵類實踐中的節能研究[J].科技創新與應用，2014，（30）.

[2]范利文.高壓變頻調速技術在火電廠風機和泵類應用中的節能分析[J].山西科技，2013，（1）.

[3]周培建.火電廠引風機變頻節能改造的研究[D].青島理工大學，2014.

[4]王繼秀，阮琨.高壓變頻調速技術在風機、泵類應用中的節能分析[J].冶金動力，2008，（1）.

[5]相玲.變頻調速技術在風機、水泵節能改造中的應用[D].華北電力大學，2012.

（責任編輯：秦遜玉）