高壓變頻器在火電廠應(yīng)用中對(duì)電氣設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響

摘 要 火力發(fā)電廠采用高壓變頻器后對(duì)電氣專業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響，提示電氣設(shè)計(jì)人員在高壓變頻器使用中，應(yīng)注意的變頻器安裝問(wèn)題、保護(hù)配置問(wèn)題、廠用電切換問(wèn)題等。

【關(guān)鍵詞】高壓變頻器 保護(hù)配置 廠用電切

目前，我國(guó)火力機(jī)組的平均煤耗為350g/kWh，比發(fā)達(dá)國(guó)家高30-50g/ kWh，而廠用電率的高低是影響供電煤耗和發(fā)電成本的主要因素之一。按照現(xiàn)在的火力發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力進(jìn)行分析，三百兆瓦機(jī)組的主力發(fā)電廠，廠用電占其年發(fā)電量的7%。風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載的用電量占比例則達(dá)到了30%多，而6kV以上風(fēng)機(jī)的耗電量還會(huì)進(jìn)一步增加。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和水泵系統(tǒng)運(yùn)行效率的節(jié)電率大約在30%以上。至少可以降低20%的廠用電量，廠用電率下降1～2%。隨著科學(xué)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，高壓變頻技術(shù)日趨成熟，發(fā)電企業(yè)為了節(jié)能降耗，減少發(fā)電成本，高壓電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速應(yīng)用日趨廣泛。

火電廠中，主要的耗能設(shè)備為風(fēng)機(jī)和水泵。在非智能控制模式下，其一般處于連續(xù)低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，而且多采用定速驅(qū)動(dòng)，水泵通過(guò)出口閥門調(diào)節(jié)流量，風(fēng)機(jī)通過(guò)進(jìn)口風(fēng)門（靜葉）調(diào)節(jié)能量，都存在著嚴(yán)重的節(jié)流損耗。而在機(jī)組處于調(diào)峰變負(fù)荷模式下，由于二者的運(yùn)行偏離高效率運(yùn)行點(diǎn)，存在嚴(yán)重的資源浪費(fèi)問(wèn)題。相關(guān)調(diào)查結(jié)果表明，我國(guó)兆瓦以上機(jī)組鍋爐高壓輔機(jī)大部分的運(yùn)行效率都不高于70%。低于50%的占20%左右，在發(fā)電利用小時(shí)不足的地區(qū)，此現(xiàn)象更為明顯。由于目前的機(jī)組負(fù)荷普遍偏低，輔機(jī)設(shè)備效率就更低了，大量能源白白浪費(fèi)。因而很有必要對(duì)電廠高壓輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行降耗節(jié)能改造，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)節(jié)能降耗的目的，且對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)起到一定的促進(jìn)作用，合理的轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式。

當(dāng)前，為了適應(yīng)節(jié)能的號(hào)召，進(jìn)一步降低廠用電，火力發(fā)電廠的凝結(jié)水泵、一吃風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等高壓電機(jī)廣泛加裝高壓變頻器，高壓電動(dòng)機(jī)加裝變頻器后，對(duì)火電廠的電氣設(shè)計(jì)中，包括對(duì)所接母線電壓、廠用二次保護(hù)、高壓廠用電源切換、高壓變頻器的安裝等帶來(lái)影響。下面以某電廠一、二次風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻改造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析總結(jié)，避免由于采用高壓變頻器后，對(duì)廠內(nèi)電氣部分帶來(lái)的技術(shù)問(wèn)題。

1 變頻調(diào)速和節(jié)能的原理

對(duì)風(fēng)機(jī)采用擋板控制進(jìn)行風(fēng)量控制的效率較低，容易導(dǎo)致能源浪費(fèi)問(wèn)題。因而一些火電廠開(kāi)始采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式進(jìn)行節(jié)能，這種調(diào)節(jié)方式有多種，其中變頻調(diào)速方式應(yīng)用頻率最高。

采用變頻器進(jìn)行控制風(fēng)量有多方面的優(yōu)點(diǎn)，其也是一種常用的變頻節(jié)能技術(shù)，以下對(duì)其原理進(jìn)行具體論述。

1.1 風(fēng)機(jī)的參數(shù)和特征

1.1.1 風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)

風(fēng)量Q：其表示一定時(shí)間內(nèi)流過(guò)風(fēng)機(jī)的空氣量（立方米每秒）；

風(fēng)壓H：其表示空氣流過(guò)時(shí)產(chǎn)生的壓力，每立方米空氣接受的風(fēng)機(jī)的總能量就是風(fēng)機(jī)的全壓，其主要包括靜壓Hg和動(dòng)壓Hd兩部分；

功率P：其含義為風(fēng)機(jī)工作有效總功率；

效率η：也就是風(fēng)機(jī)的有用功和額定功率的比值，其主要和風(fēng)機(jī)的軸功率損耗有關(guān)，可以通過(guò)此參數(shù)來(lái)衡量風(fēng)機(jī)工作的優(yōu)劣，風(fēng)機(jī)效率有多種，可以依據(jù)其工作方式及參數(shù)，而劃分為如下幾種：

全壓效率ηt=QHt/P

靜壓效率ηg=QHg/P

1.1.2 風(fēng)機(jī)的特性曲線

和風(fēng)機(jī)性能有關(guān)的曲線有多種，主要包括：

H-Q曲線：其具體表示在轉(zhuǎn)速一定情況下，風(fēng)壓與風(fēng)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系；P-Q曲線：表示在轉(zhuǎn)速不變情況下，功率與風(fēng)量的關(guān)系；η-Q曲線：其表示在同樣條件下，風(fēng)機(jī)的效率特性

各種類型的風(fēng)機(jī)，在轉(zhuǎn)速不同情況下，相應(yīng)的H-Q曲線存在一定的差異，

根據(jù)風(fēng)機(jī)相似方程：

風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，如果轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了變化，且轉(zhuǎn)速?gòu)膎變到n，則存在如下關(guān)系：

根據(jù)以上關(guān)系可知，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比；軸功率與轉(zhuǎn)速之間存在正相關(guān)關(guān)系。

1.1.3 管網(wǎng)風(fēng)阻特性曲線

當(dāng)管網(wǎng)的風(fēng)阻R固定情況下，若風(fēng)量與通風(fēng)阻力的關(guān)系是固定的，則風(fēng)量與通風(fēng)阻力K的關(guān)系可以通過(guò)下式描述

K=RQ2

式中：

K-表示通風(fēng)阻力，Pa；

R-風(fēng)阻，（kg/m2）

Q-風(fēng)量，（m3/s）

K-Q的關(guān)系也就是風(fēng)阻特性曲線，可以通過(guò)其對(duì)風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行描述。

進(jìn)一步分析可知風(fēng)阻的K-Q曲線與管網(wǎng)阻力曲線存在一個(gè)交點(diǎn)，其也就是風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)M。而風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速n、n時(shí)的K-Q曲線與R風(fēng)阻特性曲線相交的工況點(diǎn)分別為M及M，與R1風(fēng)阻曲線相交的工況點(diǎn)為M1及M1。

1.1.4 電動(dòng)機(jī)容量計(jì)算

風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，其相應(yīng)的電機(jī)輸出軸功率可以表示如下：

P=QP/（ηTηF）

式中：

ηT-風(fēng)機(jī)的效率

ηF-傳動(dòng)裝置的效率。

1.2 風(fēng)機(jī)的節(jié)電方法及節(jié)能原理

分析以上關(guān)系可知，風(fēng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方存在正相關(guān)關(guān)系，而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方也存在同樣的關(guān)系，因而可以通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而起到調(diào)節(jié)能耗。

以下主要是采用擋板閥門及變頻調(diào)速方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，且分析對(duì)應(yīng)的能耗變化情況，從而幫助理論上理解變頻調(diào)速方式下的節(jié)能原理。

（1）當(dāng)流量Q=1情況下，通過(guò)風(fēng)機(jī)擋板和變頻器進(jìn)行調(diào)速時(shí)用到的功率將會(huì)一致，這兩種方式可以根據(jù)需要選擇。

（2）當(dāng)流量從Q=1變?yōu)?.7情況下，通過(guò)風(fēng)機(jī)擋板進(jìn)調(diào)速對(duì)應(yīng)的輸入功率可通過(guò)BI0L所包圍的面積進(jìn)行描述，而在變頻模式下則通過(guò)DG0L包圍的面積表示，前者明顯大于后者的。

（3）當(dāng)流量變?yōu)镼=0.5時(shí)，則通過(guò)風(fēng)機(jī)擋板調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的功率通過(guò)CJ0P包圍的面積進(jìn)行描述，而變頻模式下對(duì)應(yīng)的為EF0P包圍的面積，前者也明顯大于后者的。

根據(jù)以上分析可知變頻調(diào)速技術(shù)時(shí)比采用風(fēng)門擋板調(diào)速用到的能量也明顯少很多，因而可以看出變頻調(diào)速的節(jié)能效果更好。

根據(jù)風(fēng)機(jī)理論，風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，其流量可通過(guò)閥門或者擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，而起到節(jié)能的目的，其輸入功率的計(jì)算公式為：

Pnn=P*Hnn*Qnn

其中：Hnn=U-（U-1）Q2nn

U為系統(tǒng)流量為零時(shí)壓力極值

據(jù)此可以看出，風(fēng)門擋板時(shí)的風(fēng)機(jī)輸入功率可以通過(guò)下式表示：

Pnn=P*Hnn*Qnn=P*[U-（U-1）Q2nn]*Qnn

式中：Pnn為某個(gè)狀態(tài)下的輸入功率標(biāo)么值；Qnn為某個(gè)狀態(tài)下的流量標(biāo)么值；P為額定狀態(tài)下的輸入功率。

1.3 采用變頻調(diào)速時(shí)的功率計(jì)算

接著對(duì)異步電機(jī)功率進(jìn)行分析，這種電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)可表示為n=60f（1-s）/p

這幾個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系如下：

流量和轉(zhuǎn)速正相關(guān)；壓力和轉(zhuǎn)速平方正比例功率和轉(zhuǎn)速立方正比例

假設(shè)：額定流量為Q0，額定功耗為P0；功耗為Pg.in；則可以在以上分析基礎(chǔ)上確定出如下關(guān)系：

P0：n03=Pg.in：n13

所以采用變頻器調(diào)速后，變頻器的輸入功率為：

考慮變頻器和電機(jī)效率后，輸入功率為：

式中：

P0-被拖動(dòng)的電機(jī)的軸功率

η1-被拖動(dòng)的電機(jī)效率

η2-變頻器效率

綜上所述，引風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速越低、節(jié)電功率成3次方的增加，也就是說(shuō)節(jié)能的空間越顯著、效益越高。

2 高壓變頻器容量的選擇

變頻器容量的選擇，主要以電動(dòng)機(jī)容量及所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載進(jìn)行核定，技術(shù)指標(biāo)主要是電機(jī)功率（kW）、輸出容量（kVA或kW）、額定輸出電流（A）、輸入、輸出電壓（kV），一般輸出電壓以電機(jī)額定電壓選擇，額定輸出電流為變頻器可以連續(xù)輸出的最大交流電流有效值，輸出頻率對(duì)于不同的負(fù)載有不同的要求，一般大容量變頻器調(diào)整范圍在0～50HZ，即轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍在0～額定轉(zhuǎn)速之間。

3 使用高壓變頻器后電動(dòng)機(jī)保護(hù)的新問(wèn)題

3.1 裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

根據(jù)《火力發(fā)電廠廠用電技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)定DL-T 5153-2002》， 2MW及以上的高壓異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)該進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)，在出現(xiàn)相間短路故障情況下起到保護(hù)繞組的目的；對(duì)2MVA及以上的變壓器應(yīng)進(jìn)行縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，且在保護(hù)裝置接線時(shí)選擇三相三繼電器式接線模式，以滿足響應(yīng)速度要求。如圖1所示。

說(shuō)明：QF1：10KV高壓斷路器；QF2：變頻器旁路斷路器；QF3：變頻器高壓輸入斷路器；QF4：變頻器輸出斷路器。

目前，此種電機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中一般都設(shè)置了繼電保護(hù)裝置，且大部分的電機(jī)都選擇了微機(jī)型綜合保護(hù)裝置，這些裝置都安裝在電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)柜中，而保護(hù)電流分別取自互感器和開(kāi)關(guān)柜。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)加裝變頻器所采用的改造方式

這種類型的改造方式多為工變頻互切方式，當(dāng)變頻器故障時(shí)，自動(dòng)檢同期切換為旁路帶電機(jī)的工頻運(yùn)行方式；在工頻運(yùn)行方式下，合環(huán)切換為變頻運(yùn)行方式，達(dá)到不停風(fēng)機(jī)切換的方式。保護(hù)配置：當(dāng)電機(jī)在工頻模式下，常規(guī)高壓保護(hù)能夠滿足電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的保護(hù)配置使用要求；當(dāng)電動(dòng)機(jī)在變頻模式下，則考慮到線路中設(shè)置的變頻器裝置，而變頻器的輸入電流和頻率不存在直接關(guān)系，而如果依據(jù)常規(guī)高壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置，則可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)相關(guān)保護(hù)功能。因而對(duì)變頻模式下的電機(jī)而言，不可以將變頻器納入差動(dòng)保護(hù)的范圍，主要是對(duì)電機(jī)單獨(dú)保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)模式下，相應(yīng)起始端電流互感器應(yīng)置于變頻器的輸出端。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)解決方案

正常變頻運(yùn)行時(shí)，高壓變頻器后的電氣設(shè)備由變頻器的保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)，10kV開(kāi)關(guān)柜到高壓變頻器之間的高壓設(shè)備，包括高壓電纜和變頻器中的變壓器，由10kV高壓開(kāi)關(guān)柜的變壓器保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)。變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行后，變頻器的保護(hù)裝置退出，由10kV高壓開(kāi)關(guān)柜的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置和電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置保護(hù)高壓電纜及電機(jī)等電氣一次設(shè)備，因此，整定保護(hù)定值的時(shí)候要注意保護(hù)范圍的問(wèn)題。

4 高壓變頻器接入高壓廠用，對(duì)母線電壓的影響

當(dāng)高壓變頻器未接入廠用母線時(shí)，母線電壓計(jì)算方法：

Um：電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)的母線電壓

U0：廠用母線的空載電壓

X：變壓器的電抗

S：合成負(fù)荷

其中：S=S1+Sq

S1為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，廠用母線上的負(fù)荷，Sq為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)容量。

其中：Kq為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流倍數(shù)；Pe為電機(jī)的額定功率；η為電機(jī)額定效率；cosα為電機(jī)的功率因數(shù)。

高壓變頻器接入廠用母線之前，電機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)，一般電機(jī)啟動(dòng)電流為額定電流5～7倍；當(dāng)啟用變頻器啟動(dòng)時(shí)，高壓變頻器具備軟啟動(dòng)的功能特性，一般啟動(dòng)電流為額定電流的1.5～2倍。因此，可以理解為電機(jī)工頻啟動(dòng)電流是變頻啟動(dòng)電流的3～5倍。

目前國(guó)內(nèi)主流高壓變頻器設(shè)計(jì)裝有移相變壓器，一般，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，移相變壓器會(huì)產(chǎn)生4～6倍的過(guò)電流，因此，可以理解為電機(jī)變頻啟動(dòng)電流是工頻啟動(dòng)電流的4～6倍。

綜上所述，在高變頻器軟啟動(dòng)和移相變壓器的共同作用下，對(duì)母線沖擊的電機(jī)啟動(dòng)電流基本不變，對(duì)廠用母線電壓影響不大，對(duì)高廠變的容量設(shè)計(jì)影響可忽略不計(jì)。

5 控制邏輯的研究

風(fēng)機(jī)采用高壓變頻器控制，主要考慮的是風(fēng)機(jī)變頻器故障，退出運(yùn)行，切換至工頻運(yùn)行，或某一臺(tái)風(fēng)機(jī)故障，切換至另一臺(tái)備用風(fēng)機(jī)運(yùn)行等各種對(duì)機(jī)組風(fēng)量的影響，一般設(shè)計(jì)中，每臺(tái)鍋爐的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)各配備一臺(tái)高壓變頻器，并在就地配置風(fēng)機(jī)變頻操作控制單元；為此外為了確保相關(guān)粉塵和室溫的指標(biāo)滿足要求，還在風(fēng)機(jī)的空隙間設(shè)置了相應(yīng)的變頻器設(shè)備間；

在主控制室DCS上設(shè)置了切換操作端，且通過(guò)其對(duì)變頻器進(jìn)進(jìn)行各種控制操作。與此同時(shí)還設(shè)置了獨(dú)立的變頻器調(diào)節(jié)操作端，在運(yùn)行過(guò)程中可以通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)操作端而起到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)目的。DCS系統(tǒng)根據(jù)鍋爐爐膛壓力、風(fēng)量相關(guān)信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制，并據(jù)此來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的控制和對(duì)鍋爐爐膛壓力調(diào)節(jié)的目的；

鍋爐風(fēng)機(jī)加裝變頻器以后，風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式也發(fā)生改變，而變?yōu)橄鄳?yīng)變頻轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，這樣可以顯著的降低節(jié)流損失，且在一定程度上改善了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的特性曲線，避免了一些低壓壓頭差相關(guān)的問(wèn)題，且有利于避免節(jié)流調(diào)節(jié)方式下系統(tǒng)阻力線不合理的問(wèn)題。風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性也明顯提高，且風(fēng)機(jī)在非穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)葉片激振的缺陷也避免，這樣還可以消除失速搶風(fēng)現(xiàn)象，有利于提高設(shè)備的安全性。

為了適應(yīng)電力生產(chǎn)的特殊需要，在變頻調(diào)節(jié)過(guò)程風(fēng)機(jī)變頻器設(shè)置了“工頻-變頻”和“變頻-工頻”之類的功能，這樣可以方便的切換，。而在也導(dǎo)致很大的波動(dòng)。而通過(guò)450兆瓦負(fù)荷下的熱態(tài)試驗(yàn)表明，在此種切換過(guò)程中還出現(xiàn)一定的正壓，在不進(jìn)行人為干預(yù)的情況下，相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)節(jié)可以滿足；工頻切變頻操作中，也不會(huì)對(duì)爐膛壓力造成明顯的影響。

6 變頻器安裝應(yīng)注意的事項(xiàng)

高壓變頻器重點(diǎn)考慮變頻器中電解電容及其他功率器件的散熱問(wèn)題，從節(jié)能的角度，一般采用水冷式散熱，從變頻器出來(lái)的熱風(fēng)，經(jīng)過(guò)通風(fēng)管道排放到散熱器中，溫度會(huì)有一定降低，而散熱器中通過(guò)較低溫度的水，熱風(fēng)經(jīng)過(guò)散熱片后，熱量通過(guò)冷風(fēng)從散熱片吹出，這樣就可以實(shí)現(xiàn)熱量散出的目的，從而保證變頻器控制室內(nèi)是溫度在合理的范圍內(nèi)。安裝空冷器要求必須在密閉環(huán)境中，避免出現(xiàn)泄漏情況。流入空冷器的水應(yīng)該滿足一定要求，主要為酸堿度為7.0左右，無(wú)腐蝕性質(zhì)的雜質(zhì)，進(jìn)水水壓為0.3兆帕。但為防止因冷卻水故障導(dǎo)致變頻器退出運(yùn)行，因此，一般建議，在變頻器室中裝設(shè)空調(diào)等降溫設(shè)備，作為極熱天氣下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)溫度較高的輔助手段。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高壓變頻器改造，需要將前期的數(shù)據(jù)分析充分，并進(jìn)行大量的調(diào)研和論證，綜合考慮采用變頻器對(duì)機(jī)組風(fēng)量、爐膛壓力及電氣、熱工的影響。隨著高壓變頻技術(shù)的發(fā)展， 以及國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的支持，變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷的擴(kuò)大，變頻技術(shù)在電力行業(yè)重要輔機(jī)設(shè)備上的推廣，收到了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，也代表了今后更多行業(yè)節(jié)能技術(shù)的方向。

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作者簡(jiǎn)介

杜振海（1974-），男，四川省內(nèi)江市人。工程師，四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限責(zé)任公司檢修部電氣專責(zé)工程師。

作者單位

四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限責(zé)任公司 四川省內(nèi)江市 641005