火電機(jī)組高壓電機(jī)變頻技術(shù)的應(yīng)用潛力分析

康劍南

摘 要：目前，我國一部分大功率火電機(jī)組配備輔助電機(jī)還處于恒頻運(yùn)行方式，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性還存在一定的潛力可挖。本文首先150MW級(jí)別機(jī)組為例，針對(duì)恒頻運(yùn)行方式的電機(jī)設(shè)備進(jìn)行變頻改造情況潛力分析并對(duì)高壓電機(jī)變頻改造前后的預(yù)期效果進(jìn)行對(duì)比和總結(jié)。最后，針對(duì)典型4高調(diào)門和6高調(diào)門配置300MW機(jī)組進(jìn)行技術(shù)移植可行性的探索應(yīng)用及分析。這為國內(nèi)同等級(jí)別機(jī)組的高壓電機(jī)變頻改造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：火電機(jī)組 高壓電機(jī) 變頻改造 節(jié)能潛力

中圖分類號(hào)：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（a）-0112-02

目前，150MW～300MW級(jí)別機(jī)組在我國還占有一定的比例，考慮到許多因素該級(jí)別范圍機(jī)組在未來不會(huì)快速退出歷史的舞臺(tái)。因此，機(jī)組的全方位節(jié)能潛力挖掘及改造就顯得尤其為重要。

為了降低廠用電率和能耗，節(jié)約成本和費(fèi)用，提高機(jī)組整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)能效果，廣泛的適用范圍及其他許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式[1-4]。雖然一些安全性問題在變頻技術(shù)中也存在[5]，但是綜合考慮其卓越調(diào)節(jié)性能，尤其是在機(jī)組常年低負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)的顯著節(jié)電效果，現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行工況改善、安全可靠性和利用率提高，使用壽命延長等優(yōu)點(diǎn)得到充分的體現(xiàn)，所以一部分研究人員已經(jīng)在不同類型大功率機(jī)組輔機(jī)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的探索研究，也取得了相應(yīng)的良好效果[6]。

本文通過到同類型機(jī)組電廠進(jìn)行實(shí)地考察，經(jīng)過多方論證、比較，采用增加變頻器的改造方案，對(duì)兩臺(tái)150MW機(jī)組的16臺(tái)的高壓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造。結(jié)合在多臺(tái)300MW級(jí)別機(jī)組上的技術(shù)移植應(yīng)用改造及潛力分析的效果，由于實(shí)際機(jī)組控制系統(tǒng)及自身調(diào)節(jié)特性的差異性，相應(yīng)控制策略及控制參數(shù)也需要進(jìn)行專門優(yōu)化改造，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 案例機(jī)組概況及存在問題分析

案例研究機(jī)組包括：兩臺(tái)CFB機(jī)組與150MW等級(jí)汽輪機(jī)配套，采用一機(jī)一爐單元制運(yùn)行方式；兩臺(tái)300MW機(jī)組為配置4高調(diào)門N330汽輪機(jī)；此外，還有兩臺(tái)330MW機(jī)組，高調(diào)門配置6噴嘴組。

每臺(tái)150MW機(jī)組一次高壓風(fēng)機(jī)、二次高壓風(fēng)機(jī)、高壓引風(fēng)機(jī)，凝結(jié)水泵等共配置16臺(tái)高壓電機(jī)。一次風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵采用節(jié)流調(diào)節(jié)；二次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)采用液力耦合器變速/節(jié)流調(diào)節(jié)。由于機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行頻繁，雖然部分風(fēng)機(jī)采用了液力耦合器調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)性能較差、節(jié)能效果差，從而造成了廠用電率非常之高。風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵以定速方式運(yùn)行；然而，在機(jī)組滿負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，通過進(jìn)口擋板調(diào)節(jié)流量和壓力時(shí)的節(jié)流損失非常大。

兩臺(tái)4調(diào)門300MW機(jī)組的凝結(jié)泵為一運(yùn)一備，正常其中一臺(tái)凝結(jié)泵工頻運(yùn)行就能滿足機(jī)組帶滿負(fù)荷。隨著單臺(tái)機(jī)組利用小時(shí)數(shù)降低、負(fù)荷率下降，凝結(jié)泵工頻運(yùn)行耗電偏大。兩臺(tái)配置6調(diào)門亞臨界空冷機(jī)組也存在此類問題，需要進(jìn)行運(yùn)行方式優(yōu)化。

2 優(yōu)化潛力分析

選取兩種基本調(diào)節(jié)方式變頻調(diào)節(jié)與液力偶合器變速調(diào)節(jié)，兩者具有如下特點(diǎn)。

2.1 有功率損耗及節(jié)能潛力

（1）除電動(dòng)機(jī)本身功耗損損失之外，無論是變頻調(diào)速還是液力耦合器調(diào)速，均存在額外功耗。而且，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，兩種效率曲線也不同。隨著轉(zhuǎn)速降低，液力耦合器效率降低；而變頻器則不同，轉(zhuǎn)速75%以上時(shí)效率大于0.95。

（2）當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速降低時(shí)，液力耦合器的效率比變頻調(diào)速的效率下降快得多，所以，變頻調(diào)速的低速特性要好一些。當(dāng)其用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載時(shí)，即便在轉(zhuǎn)速下降時(shí)也能起到節(jié)能作用。

（3）變頻調(diào)速本身消耗能量小，可在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持較高效率運(yùn)行。而液力耦合器在低速時(shí)的泵和渦輪的效率均下降，綜合效率下降。

（4）理論計(jì)算，二次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)風(fēng)量從100%降低到70%，變頻調(diào)速每年節(jié)能19.16%。

2.2 變頻調(diào)速的其他方面特點(diǎn)

變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速除了節(jié)能方面的優(yōu)勢外，還在多方面有較大優(yōu)勢。

（1）在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，變頻調(diào)速可以保持高功率因素運(yùn)行；而低速運(yùn)行時(shí)，液力耦合器功率因數(shù)低于電動(dòng)機(jī)額定功率因數(shù)。所以，如液力耦合器需提高功率因數(shù)，則得另加補(bǔ)償裝置。

（2）采用變頻調(diào)速時(shí)，如起動(dòng)時(shí)保持電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，不僅起動(dòng)電流更小，而且起動(dòng)全程可控、起動(dòng)點(diǎn)和爬坡時(shí)間可設(shè)置；而液力耦合器則無法做到。不僅起動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)的沖擊相當(dāng)大，會(huì)造成轉(zhuǎn)子和定子故障；而且，直接起動(dòng)會(huì)造成電網(wǎng)電壓短時(shí)下降，干擾其他設(shè)備。

（3）由于復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和管路系統(tǒng)，為了保證液力耦合器長期可靠運(yùn)行，需要工程量極大的系統(tǒng)維護(hù)來。因此，故障時(shí)只能停機(jī)檢修。雖然高壓變頻裝置電子線路比較復(fù)雜，但鑒于目前已趨于成熟的技術(shù)，另外，單元自動(dòng)切換和冗余運(yùn)行特性，使得單元故障時(shí)的高壓變頻裝置可不停機(jī)連續(xù)運(yùn)行；不僅可靠性得以保證，而且檢修維護(hù)相對(duì)容易。

（4）液力耦合器在改變輸出轉(zhuǎn)速大小時(shí)依靠的是工作腔油量大小的調(diào)節(jié)，因此，較慢的響應(yīng)特性很有可能跟不上整體控制的需要，而具有快速響應(yīng)特性的變頻調(diào)速則完全可以在系統(tǒng)允許的最高速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足機(jī)組深調(diào)快調(diào)的需求。速度調(diào)節(jié)精度較低也是液力耦合器的一個(gè)缺陷，而數(shù)字式控制變頻調(diào)速則可達(dá)到0.1%以上控制精度，因此可實(shí)現(xiàn)精確條件下的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化改造。

（5）液力耦合器初期投資比變頻調(diào)速低，雖然變頻調(diào)速需多投資400萬元，然而兩年即可收回。因此，總體投資回報(bào)效果更佳。

綜上所述，采用變頻調(diào)速綜合節(jié)能效果更好等，該變頻改造方案是可行的、必要的。

3 預(yù)期效果及應(yīng)用推廣

3.1 兩臺(tái)150MW機(jī)組改造效果

通過多臺(tái)高壓電機(jī)變頻改造后，所有設(shè)備不僅均能可靠穩(wěn)定正常運(yùn)行，而且還能滿足CFB機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)所需要的風(fēng)量等調(diào)節(jié)要求。通過實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算，改造后的年節(jié)約電費(fèi)約588萬元。

3.2 兩臺(tái)300MW機(jī)組應(yīng)用推廣

配置4高調(diào)門的兩臺(tái)300MW機(jī)組采用一拖二方式進(jìn)行凝結(jié)泵變頻改造。在變頻方式下，除氧器水位是通過改變變頻器指令來控制的，凝結(jié)水壓力是通過改變調(diào)節(jié)閥指令來控制的。工頻方式下，除氧器水位通過改變調(diào)節(jié)閥指令來控制的。當(dāng)凝結(jié)泵在變頻方式下出現(xiàn)跳閘時(shí)，另一臺(tái)凝結(jié)泵聯(lián)啟并轉(zhuǎn)為工頻方式運(yùn)行。此時(shí)，除氧器水位控制模式為：先超持到負(fù)荷指令經(jīng)函數(shù)，再轉(zhuǎn)換成調(diào)節(jié)閥開度，最后通過調(diào)節(jié)閥指令的改變來控制。實(shí)際應(yīng)用效果如下。

（1）控制指標(biāo)優(yōu)良：在變頻方式下運(yùn)行時(shí)，機(jī)組在320MW至200MW負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，除氧器水位最大偏差值20mm，凝結(jié)水壓力最大偏差值0.05MPa。

（2）節(jié)能效果良好：按一臺(tái)機(jī)組的72.5%負(fù)荷率計(jì)算，日節(jié)約電能資金2801.16元。

實(shí)際配置6高調(diào)門的2臺(tái)330MW機(jī)組的應(yīng)用潛力分析，預(yù)期效果也非常顯著。

4 結(jié)語

針對(duì)國內(nèi)許多有一定的比例大功率火電機(jī)組配備的輔助電機(jī)設(shè)備還屬于恒頻運(yùn)行方式，進(jìn)行運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性潛力挖掘分析研究。首先，以其中的150MW級(jí)別機(jī)組為例，針對(duì)此類機(jī)組恒頻運(yùn)行方式的電機(jī)設(shè)備進(jìn)行高壓電機(jī)變頻改造情況潛力分析并對(duì)高壓電機(jī)變頻改造前后的預(yù)期效果進(jìn)行對(duì)比和總結(jié)。然后，針對(duì)300MW級(jí)別機(jī)組進(jìn)行技術(shù)移植可行探索，包括2臺(tái)配置4高調(diào)門和2臺(tái)配置6高調(diào)門的機(jī)組，由于實(shí)際機(jī)組控制系統(tǒng)及自身調(diào)節(jié)特性的差異性，相應(yīng)控制策略及控制參數(shù)也需要進(jìn)行專門優(yōu)化改造，實(shí)踐應(yīng)用及潛力分析的改造效果良好。希望本文對(duì)實(shí)際機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性提升改善起到借鑒作用。

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