高壓變頻技術在火電廠節能中的應用

刁洪虎

（國家能源集團泰州發電有限公司，江蘇 泰州 225327）

0 引 言

隨著經濟社會的快速發展，電力市場規模進一步擴大，各大發電企業高度重視自身的可持續發展，打造經濟效益和社會效益的雙贏局面已成為企業的共同追求。火力發電廠是我國的主要電力來源。近年來，高壓變頻器的應用，為企業生產節能注入了新的動力，本文就高壓變頻技術在火電廠中的應用展開論述。

1 研究背景及研究意義

1.1 研究背景

目前，我國的發電方式以火力發電為主，火力發電廠鍋爐生產依然以燃煤為主，將煤燃燒產生的化學能轉化為蒸汽的熱能，再將高溫高壓的蒸汽經過汽輪機轉化為機械能，最后由發電機將動能轉化為電能。在能量的轉化過程中，能耗消耗較為嚴重，同時燃煤會產生更多的二氧化碳和二氧化硫等有害氣體，最終引發溫室效應和酸雨等一系列環境問題。我國的火力發電機組應用的變壓調頻技術出現于20世紀末，是通過改變電動機電源的頻率來改變速度。這種技術符合市場發展的要求，被廣泛認可。其優點是面對一些常規的能源（煤），在消耗時可以進行機組調節，并在機組變化的基礎上完成設備泵和風機流量的調節。對于火電廠，所有的泵和風機類設備是通過閥門來控制節流的，但是這一步驟非常消耗電能。因此，為減少能源的消耗，實現火力發電廠的最大效益，就要對其進行高壓改造。

1.2 研究意義

隨著現代工業的不斷發展，能源短缺問題越來越嚴重。電力行業雖然推動了社會的發展，但其污染性大，一直以來都是我國節能減排的主要對象。如今大型火力發電廠的鍋爐蒸發量高達100～200 t/h，各種設備對電量的需求非常大。假設電廠發電100 kW/h，其中約有8 kW/h左右的電會用于自身消耗，而風機運轉消耗占據了總消耗比重的大部分。高壓變頻調速技術的應用，正是針對風機設備和泵類設備的變頻改造問題，對于推動和促進我國相關高技術產業的發展具有非常重要的意義。該項技術的廣泛應用不僅能夠降低火電廠的生產投資成本，還可以增強其市場競爭力。節能減排目標的實現有助于企業樹立良好的社會形象。這與我國目前倡導的創造資源節約型和環境友好型社會的目標相符，對于社會和經濟發展具有積極意義。

2 高壓變頻技術原理及其在火電廠節能中的應用現狀

2.1 技術原理

高壓變頻技術指的是通過改變機械轉速的方式來降低機器磨損率，能夠有效保護設備使用，同時改善了設備的消耗問題。高壓變頻通常用在一二次風機、給水泵及循環水泵等設備上。高壓變頻器裝置主要由五部分組成，分別是移相變壓器、水冷卻系統、控制系統、功率單元及旁路柜等，可根據自身需求選擇是否配置輸出LC濾波器。裝置的每一相可分為3個功率單元，九個功率單元串聯在一起，構成了整體變頻裝置。此外，每個功率單元內的主電路結構都是相同的，電路呈現最基本的“交-直-交”逆變形式，主要包括橋式逆變電路、橋式整流電路以及直流濾波電容。在三相整流橋的作用下，移相變壓器二次側輸出的三相交流電被轉化為直流電，隨后將其輸入逆變橋，電路便會發生逆變。SPWM可以有效控制開關器件的通/斷狀態，輸入到逆變橋中的直流電可轉化為交流電，且其電壓和輸出頻率均可進行調整。輸出LC濾波器主要用于輸出電壓，經過濾波操作將其轉化為非常接近于正弦波的輸出波形。此外，高頻變壓裝置還具備旁路功能，其在檢修期過程中可對旁路進行連接操作，并在電動機上連接6 kV/50 Hz的交流電源，接確保電動機的連續運行。因此，針對施加到高壓電動機的電源，該裝置可改變其頻率和電壓，不僅節約了電能，而且為電動機的調速運行提供了可靠保障[1]。

2.2 應用條件

變頻調速技術在實際應用中，常用的調節方式主要有直流調速和交流調速兩種。隨著技術的發展與完善，高壓交流變頻調速技術日益成熟，其應用范圍不斷擴大，在火電廠風機和泵類設備節能改造中發揮了重要作用。但該項技術的應用需要具備一定的條件。第一，交流電動機的能量傳遞要通過電機內部磁場的旋轉來實現，但若是電機的氣隙磁通量過大，此時的鐵心過于飽和，便會產生較大的勵磁電流，情況嚴重時可能會燒毀電機繞組；反之，若是電機的氣隙磁通量過小，電機便會出現出力不足的問題。針對這一問題，火電廠必須在變頻改造前加入儀器檢測環節，保證電機氣隙磁通量的穩定性。第二，異步電機的變頻調速控制具有一定的特性，當電機的供電頻率超過額定頻率時，其電壓并不會隨之變化，此時開展提頻工作，反而會縮小轉矩，削弱電動機氣隙的磁通量。當額定頻率高于供電頻率時，將其認定為恒轉矩調速，此時電動機的氣隙磁通量保持最大值；當額定頻率低于電頻率時，被稱作是恒功率調速，此時的電壓輸出保持最大值[2]。

2.3 應用現狀

對于火力發電廠，高壓變頻器的作用具體體現在兩方面。（1）降低風機設備的耗能，減少阻力；（2）平衡水泵設備的功率，實現減荷目的。與以往的風機調節方式相比，應用高壓變頻調節，風機的節能降耗水平在30%～50%；而水泵應用高壓變頻調節，則可以實現20%～30%的節能水平。但是電力生產受自身重要、特殊性質所影響，對高壓變頻技術要求十分高，在電力生產中使用高壓變頻技術面臨著許多難點。（1）電力生產所涉及的電網電壓波動對高壓變頻技術適應能力提出了高要求，要求其能夠在-20%～+10%的電網電壓波動范圍內正常運行[3]。（2）變頻器雖然具備通用性能，但面對不同的組合設備，其仍然無法滿足設備的特殊要求，導致部分產品在投入使用后始終無法達到預期效果。設備運行的安全性不高，對企業發展帶來了直接或間接的威脅。據了解，部分企業通常會選擇自行安裝變頻器，但由于安裝操作不規范，未達到產品環境條件，設備在使用過程中很有可能會出現散熱不佳、穩定性差及控制效果不明顯等問題，使得設備的配合性和協調性降低。如果高壓變頻器出現障礙，則會導致整體電力生產系統無法正常運轉，如何在高壓變頻器出現故障時展開更近保障系統穩定運行對策，是使用高壓變頻技術面臨的難題。（3）高壓電纜安裝還不夠便捷，控制接口繁多，難以進行集散操作。

2.4 需要注意的問題

當代火電廠運行所需的大型輔機設備，通常都是主機輔機成對存在的，設備性能較為全面，基本可以滿足機組的大部分需求。當輔機處于滿負荷運行狀態時，變頻技術的應用可能會適得其反，大大增加設備的耗電量。因此，首先選擇改造其中一臺輔機設備、另一臺設備保持不變的方式，使兩臺輔機在負荷較高或者較低的情況下都能夠實現合理運行，再加以相應的監測設備，用以調節風機的轉速。其次，異步電動機的變頻改造會對電動機的運行狀態造成一定影響。例如，鼠籠式異步電動機在變頻改造后，高次諧波出現，在定子電流中，設備的能耗增加，溫升也隨之變大，而運行功率反而會降低。同時，高壓變頻器電容容量不會過度衰減，所以可以有效降低電動機的啟動電流，為設備的使用壽命延長創造有利條件。因此，火電廠設備應用高壓變頻調速技術改造，必須綜合考慮多方因素，必要情況下應當增加變頻器旁路系統，提高生產的安全性和可靠性。最后，風機和泵類設備的轉矩與轉速平方之間的關系呈正相關，變頻改造后往往會出現電機發熱量和電流下降的情況，說明不需要再進行散熱處理。需注意，面對運行頻率較低的場合，可以考慮強制性通風冷卻，防止電動機過熱[4]。

3 結 論

高壓變頻技術日趨成熟，且生產技術水平不斷提高，對于企業生產經營具有積極意義。現階段，高壓變頻技術憑借其環保、調節性能好等優勢，已被廣泛使用到各類生產制造行業的高容量電壓電機內。高壓變頻調速技術的實際應用，為火電廠泵與風機設備提供了科學的技術支撐，節能減排工作取得了良好成效。其中，高壓變頻器在電動機的泵和風機設備中的應用，更是發揮了顯著的節能降耗效果。