淺析發電廠高壓電機變頻改造技術

牛波 沈瀅 劉治國

能源是經濟發展的物質基礎，2005年國務院提出建設節約型社會，中國華能集團提出到2010年公司所有企業達到資源節約型企業標準，按照要求，公司各發電單位制定了建設節約環保型企業的目標。以內蒙古烏拉山發電廠2×300MW直接空冷脫硫機組為例，年廠用電率為9.64%左右，其中高壓電機耗電電率為7.88%左右，因此在火力發電廠中高壓電動機采用變頻技術可以降低廠用電率，能夠取得良好的經濟效益和社會效益。

我廠也針對設備節能降耗做了大量的工作。其中，高壓輔機設備的節能降耗就是其中的重點。

眾所周知，速度調節是風機、泵類負載節能的主要方法。目前，我廠火力發電機組的大型風機主要是由6kV鼠籠異步電動機直接驅動的，其流量調節大多數是采用擋板或動葉的節流調節方式，造成大量節流損失，風機及電動機運行在低效率工作區，能源浪費嚴重，調峰時情況更為突出。此外，從歷年高壓廠用電動機缺陷的統計結果看，約有10%的電動機缺陷是由啟動時的大電流及對繞組的過大電磁力直接引起的。定子繞組接頭開焊、轉子鼠籠斷條等缺陷也都與直接啟動有關。

隨著電網對機組深調峰、大型風機將經常運行在低負荷區并頻繁啟停，對電機長期安全運行及節能有很高的要求。因此，在火力發電廠中高壓電動機采用變頻技術可以降低廠用電率，能夠取得良好的經濟效益和社會效益。

1 三相異步電動機的調速

1.1 從電機學理論

（其中n為電動機轉速，f為電動機電源頻率，p為電動機極對數，s為轉差率）可知：

要想改變電動機的轉速主要有：變頻調速、改變電動機的極對數、改變轉差率三種方法。

（1）變頻調速，從以上公式可知，三相異步電動機的同步轉速與頻率成正比，電動機在負載運行時，改變電源頻率，即改變了同步轉速，從而改變了電動機的轉速。

隨著大功率電子元件研制成功和計算機技術、自動控制技術的迅速發展，高壓變頻技術已經日益成熟。變頻調速由于其良好的控制性能、顯著的節能效果，已越來越廣泛地應用于大型風機和泵類的中高壓異步電動機的拖動系統中。它可以實現電動機隨負載的變化進行調節電動機的轉速；而且頻率可以連續調解，轉速也可平滑調節，效率高。有較強的系統保護和自診斷顯示功能。當系統出現斷線、缺相、電機過流及信號丟失，系統會自身保護或鎖定當前轉速，用顯示功能可迅速查找故障點和故障內容，方便處理。

（2）改變電動機的極對數調速，從以上公式可知，三相異步電動機的轉速與電動機的極對數成反比，在電源不變的情況下，改變電動機定子繞組極對數時，也可以改變電動機的轉速，當電動機的極對數增加一倍，轉速就下降一半，因此它可以調整轉速。

這種方法具有較硬的機械特性，穩定性良好；無轉差損耗，效率高；接線簡單、控制方便、價格低，容易接受。但是，此方法為有級調速，級差較大，不能獲得平滑調速；可以與調壓調速、電磁轉差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調速特性。

（3）改變轉差率調速。所謂改變轉差率調速，就是通過改變繞線式異步電機轉子電路串電阻的大小，從而改變電機的機械特性曲線，改變電機的轉速，這種方法在轉子繞線式異步電動機可以應用，但在鼠籠式電動機沒有適用價值。

2 在火力發電廠中如何選擇高壓電機的變頻改造

直接空冷、脫硫火力發電廠中，高壓電動機主要有引風機、送風機、一次風機、磨煤機、給水泵、凝結泵、輔機循環水泵、增壓風機、漿液循環泵等。機組投入運行后，如果所有高壓電動機進行高壓變頻改造會發生很高的費用，所以不可能所有的高壓電機都能進行變頻改造，這就需要我們對所要改造的高壓電動機進行經濟分析。表1是內蒙古烏拉山發電廠2×300MW直接空冷、脫硫發電機組部分高壓電機耗電率情況統計。

從下表中分析：

A. 給水泵電機功率5800 kw，正常4臺泵運行，耗電率為3%，由于給水泵采用液力偶合器來調整泵的轉速來達到降低耗電率的目的，故而給水泵的電耗率并不是最高；

B. 引風機電機功率為2000kw，正常4臺風機運行，耗電率為1.15%；由于引風機采用靜葉調節引導空氣流向，故而使電耗率有所降低；

C. 送風機800kw，正常4臺風機運行，耗電率為0.37%。，送風機采用動葉調節式引導空氣流向，它們是通過調整風機風量來降低耗電率；

D. 一次風機電機功率1600 kw，正常4臺風機運行，但耗電率為1.11%；

E. 增壓風機3450 kw，2臺運行，耗電率為1.16%；

F. 凝結水泵1000 kw，2臺運行，耗電率0.17%；

表1直接空冷、脫硫發電機組高壓電機耗電率情況統計

因此，在設備進行高壓變頻改造時，由于受資金等方面的影響，保證有限資金的科學利用來達到降低廠用電率的目的，在進行高壓變頻改造中，應該優先考慮一次風機、凝結水泵、增壓風機等。

3. 進行高壓電機變頻改造的意義

3.1變頻改造后，實現電機軟啟動。啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。因為電動機在直接啟動過程中，籠條和端環將流過很大的啟動電流，其值可達到額定電流的4-7倍（雙鼠籠式電動機啟動過程中，外籠條和外端環將流過很大的啟動電流）。由此而產生的損耗可是籠條和端環產生200—300℃的溫度，從而使端環產生相當大的熱變形，端環的熱變形將使籠條受到一個彎曲應力，造成電動機籠條的開焊和斷裂。軟啟動將會使此類威脅降至最低。

3.2電機以及負載轉速下降，系統效率得到提高，取得節能效果。

在火力發電廠中，為滿足各種運行方式的需要，引風機、送風機、一次風機、增壓風機、給水泵、凝結水泵、循環泵等設備都是按最大運行方式要求配置的。機組在低負荷運行時，這些設備只能靠調入口擋板的開度、泵的出口門來調節風量、水的流量，用擋板、出口門調節風量、水的流量會有大量的電能浪費在克服擋板、出口門的阻力上，造成廠用電率高，影響機組的經濟運行。

通過流體力學的基本定律可知：風機（或水泵）的流量與其轉速成正比，壓力與其轉速的平方成正比，軸功率與其轉速的立方成正比。因此，在火力發電廠中，機組在不同負荷運行時，風機、水泵通過調整高壓電動機的轉速來調整風量、水的流量可以得到明顯的節電效果。

3.3大大減少了對設備的維護量，節約了人力物力資源。

3.4由于電機以及負載采用轉速調節后，工作特性改變，設備工況得到改善，延長設備使用壽命。

3.5 功率因數由原來的0.85左右提高到0.95以上，不僅省去了功率因數補償裝置，而且減少了線路損耗。

3.6廠房設備噪聲污染將降低。

3.7能提高整個系統的自動化水平和工藝水平。

3.8節能減排、減少了溫室氣體的排放，保護了環境。

3.9負載改變頻后，由于變頻器采用單，元串聯移相技術，因此在理論上可以消除35次以下諧波。由于實際制造工藝的限制。網側電壓諧波總含量可以控制在2%以內，電流諧波總含量小于2%。

3.10延長了電機的使用壽命。變頻輸出采用PWN技術控制，輸出電壓波形基本接近正弦波，諧波總含量小于2%.

參考文獻

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[2]祁杰. 有關發電廠高壓電機節能變頻改造的思考[J]. 科技與企業，2013，（18）：364-365.