1 000 MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

關(guān)榕炆，田 斐

（南陽理工學(xué)院，河南 南陽 473004）

我國的大部分基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)都與電力密切相關(guān)，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展命脈的重要影響因素。目前，我國的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展，工業(yè)化也穩(wěn)步推進(jìn)。國民日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)的電力需求增加。

我國的火力發(fā)電量占總發(fā)電量的70%以上，由于火力工業(yè)的高能耗、高污染，火力工業(yè)處于節(jié)能減排的主要開創(chuàng)性方向[1]。并且，未來解決我國用電缺口的主要方式仍然是火電建設(shè)，我國還在能源問題上確立了“節(jié)能與發(fā)展平衡”的政策。依靠技術(shù)進(jìn)步節(jié)約能源，解決能源問題。

目前，我國的機(jī)電設(shè)備約占風(fēng)力渦輪機(jī)電機(jī)的3/5。用電量約占我國總發(fā)電量的30%。其中，風(fēng)機(jī)是耗能最大的電氣設(shè)備之一。本文以某電廠的項(xiàng)目為基礎(chǔ)，選用其電廠的1 000 MW機(jī)組為研究對(duì)象，進(jìn)行風(fēng)機(jī)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化引風(fēng)機(jī)參數(shù)，設(shè)計(jì)引風(fēng)機(jī)節(jié)能改造方案，分析實(shí)際效果，最終驗(yàn)證通過變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)節(jié)能的必要性和可行性。

1 變頻調(diào)速節(jié)能原理

采用調(diào)速控制裝置，通過改變風(fēng)機(jī)水泵轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量和水泵流量以適應(yīng)生產(chǎn)工藝的需要，這種調(diào)節(jié)方式稱為風(fēng)機(jī)水泵的調(diào)速控制[2]。風(fēng)機(jī)、水泵以調(diào)速控制方式運(yùn)行能耗最省，綜合效益最高。交流電機(jī)的調(diào)速方式有多種，變頻調(diào)速是最佳的調(diào)速方案，其可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)水泵的無級(jí)調(diào)速，而且可以方便地組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流量控制。

對(duì)于風(fēng)機(jī)類負(fù)載來說，其輸出功率與正常運(yùn)行時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)速n之間呈現(xiàn)P=kn3的關(guān)系，電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的輸出功率與其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的立方成正比[3]。因此，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，風(fēng)機(jī)消耗的功率按立方成正比進(jìn)行變化。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式可知，當(dāng)改變電源頻率時(shí)，轉(zhuǎn)速n與頻率呈正相關(guān)關(guān)系，使運(yùn)行轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化，因此轉(zhuǎn)速可以隨著電源頻率的變化而變化。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定的運(yùn)行時(shí)，電源電壓不會(huì)發(fā)生改變，調(diào)速過程中，使頻率降低，因?yàn)殡妷罕３趾愣?，磁通增大，鐵芯內(nèi)的磁電流也增大，磁路達(dá)到飽和，勵(lì)磁電流也隨之增大，磁芯和調(diào)速線圈過熱，使得功率因數(shù)降低，因此，通常通過改變電源電壓U1，并使U1和f1形成一定的相關(guān)性[4]。并且，僅靠改變電源的頻率，功率的變化率很低，所以要加入1個(gè)恒壓頻比系數(shù)，在改變頻率的同時(shí)，使電壓也成比例變化，使功率有明顯的降低，從而達(dá)到良好的節(jié)能效果。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

2.1 變頻調(diào)速仿真研究

引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速模塊框圖如圖1所示，本次引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的總體設(shè)計(jì)主要由以下3部分組成，即整流逆變部分、變頻部分及濾波部分。每一個(gè)部分在總體設(shè)計(jì)電路里發(fā)揮著不同的作用，缺一不可。

圖1 引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速模塊框圖

根據(jù)變頻調(diào)速模塊框圖在MATLAB里搭建的仿真模型如圖2所示，并簡要說明重要模塊。

圖2 引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速仿真模型

2.1.1 整流和逆變部分的設(shè)計(jì)

在三相電源的后面接入1個(gè)不可控整流橋，將電源中輸出的交流電輸入至整流器中，通過整流器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，之后再接?個(gè)逆變器模塊，將輸入逆變器模塊的直流電再轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，輸入到?個(gè)模塊，即濾波器模塊。

2.1.2 變頻部分的設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)節(jié)能改造，需要1種頻率與電壓協(xié)調(diào)控制的三相整流電，即改變電路的頻率，輸出的電壓也隨之改變。所以，需要在節(jié)能改造中加入變頻裝置。調(diào)頻模塊的作用是通過改變不同負(fù)載條件下的工況，即改變不同負(fù)載條件下的輸入頻率，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著頻率的變化而發(fā)生改變。本次設(shè)計(jì)采用恒壓頻比調(diào)頻，仿真時(shí)在SPWM模塊之前加1個(gè)恒壓頻比系數(shù)，在負(fù)載條件不同的情況下，頻率發(fā)生改變，電壓也隨之發(fā)生變化，確保電壓與頻率的比值是一個(gè)定值[5]。PWM模塊連接在整流器與逆變器之間，逆變橋交流側(cè)輸出為1組等幅而不等寬的矩形脈沖波形。

2.1.3 濾波部分的設(shè)計(jì)

電感與其并聯(lián)的電容共同構(gòu)成濾波部分，電感起到通過直流隔離交流的作用，電容起到隔離直流通過交流的作用。濾波器接于變頻裝置和電機(jī)之間，可以濾除電壓波形中的諧波，使送到電機(jī)端的波形近似為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，從而減少誤差。

2.2 變頻調(diào)速仿真結(jié)果分析

2.2.1 變頻之前仿真結(jié)果分析

（1）100%工況（50 Hz）。電機(jī)的輸入功率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流的波形圖如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

圖3 100%工況下變頻前輸入功率波形圖

圖4 100%工況下變頻前轉(zhuǎn)速波形圖

圖5 100%工況下變頻前轉(zhuǎn)矩波形圖

圖6 100%工況下變頻前電流波形圖

（2）75%工況（37.5 Hz）。電機(jī)的輸入功率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流的波形圖如圖7、圖8、圖9和圖10所示。

圖7 75%工況下變頻前輸入功率波形圖

圖8 75%工況下變頻前轉(zhuǎn)速波形圖

圖9 75%工況下變頻前轉(zhuǎn)矩波形圖

圖10 75%工況下變頻前電流波形圖

（3）50%工況（25 Hz）。電機(jī)的輸入功率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流的波形圖如圖11、圖12、圖13和圖14所示。

圖11 50%工況下變頻前輸入功率波形圖

圖12 50%工況下變頻前轉(zhuǎn)速波形圖

圖13 50%工況下變頻前轉(zhuǎn)矩波形圖

圖14 50%工況下變頻前電流波形圖

從波形圖中可看出，在未經(jīng)變頻調(diào)速節(jié)能之前的電機(jī)運(yùn)行在3種工況下，隨著工況的降低，輸入功率有降低趨勢(shì)但仍然較大，轉(zhuǎn)速隨頻率降低而降低，電流稍有減少，但仍然很大，轉(zhuǎn)矩也很大，耗能有所減少，但是耗能情況仍就比較嚴(yán)重。

2.2.2 變頻之后仿真結(jié)果分析

對(duì)電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造之后，通過改變輸入的電壓頻率來實(shí)現(xiàn)負(fù)載條件的改變。所以在改變輸入頻率的情況下，乘上恒壓頻比系數(shù)，即電機(jī)的額定電壓與額定頻率的比值，讓不同工況下的輸入電壓也隨之發(fā)生改變，最終達(dá)到變頻調(diào)速的目的。

（1）100%工況（50 Hz）。電機(jī)的輸入功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流的波形如圖15、圖16、圖17和圖18所示。

圖15 100%工況下變頻后輸入功率波形圖

圖16 100%工況下變頻后轉(zhuǎn)速波形圖

圖17 100%工況下變頻后轉(zhuǎn)矩波形圖

圖18 100%工況下變頻后電流波形圖

（2）75%工況（37.5 Hz）。電機(jī)的輸入功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入電流的波形如圖19、圖20、圖21和圖22所示。

圖19 75%工況下變頻后輸入功率波形圖

圖20 75%工況下變頻后轉(zhuǎn)速波形圖

圖21 75%工況下變頻后轉(zhuǎn)矩波形圖

圖22 75%工況下變頻后電流波形圖

（3）50%工況（25 Hz）。電機(jī)的輸入功率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)電流的波形如圖23、圖24、圖25和圖26所示。

圖23 50%工況下變頻后輸入功率波形圖

圖24 50%工況下變頻后轉(zhuǎn)速波形圖

圖25 50%工況下變頻后轉(zhuǎn)矩波形圖

圖26 50%工況下變頻后電流波形圖

從波形圖可以看出，經(jīng)變頻調(diào)速改造之后，電機(jī)運(yùn)行在100%工況下，需要耗費(fèi)較大的輸入功率，電流也很大，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也很大，轉(zhuǎn)速近似等于額定轉(zhuǎn)速并逐漸趨于平穩(wěn)。與變頻調(diào)速之前的100%工況相比，輸入功率略微降低但并沒有明顯的變化，75%工況下，輸入功率也比變頻前的75%工況下有所減小，達(dá)到了一定的節(jié)能效果。在50%工況下，數(shù)據(jù)都低于其余2個(gè)負(fù)載工況下的結(jié)果。與變頻調(diào)速節(jié)能前的50%工況下相比，輸入功率明顯降低。節(jié)能效果十分顯著。

3 節(jié)能計(jì)算

3.1 節(jié)能量計(jì)算

對(duì)在3種工況下的變頻調(diào)速節(jié)能改造前、后的輸入功率進(jìn)行計(jì)算，分別比較同種工況下的輸入功率，然后算出節(jié)能量。最終驗(yàn)證變頻調(diào)速可以得到良好節(jié)能效果。

3.1.1 變頻節(jié)能之前

3.1.2 變頻節(jié)能之后

3.1.3 節(jié)能量計(jì)算

從仿真和計(jì)算中可以看出，在100%工況下，即滿載條件下，節(jié)能效果不明顯，但隨著頻率的降低，節(jié)能量越來越大，節(jié)能效率也逐漸增大，節(jié)能效果越來越明顯，充分驗(yàn)證了變頻調(diào)速可以達(dá)到良好節(jié)能效果這一結(jié)論，驗(yàn)證了通過變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)節(jié)能的必要性和可行性。

3.2 節(jié)能效益計(jì)算

以75%工況下的節(jié)能量為例，假設(shè)火力發(fā)電廠機(jī)組每年運(yùn)行7 000 h，那么1臺(tái)風(fēng)機(jī)1 a就可節(jié)約536.2×7 000=375.34萬度電。假設(shè)一度電0.5元，那么1臺(tái)引風(fēng)機(jī)1 a就可節(jié)約375.34×0.5=187.67萬元，數(shù)據(jù)非?？捎^，說明了變頻調(diào)速可以達(dá)到良好的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

風(fēng)機(jī)是我國大型火力發(fā)電廠中最為耗電的電氣設(shè)備。本文針對(duì)風(fēng)機(jī)的節(jié)能問題進(jìn)行研究。通過變頻器來進(jìn)行調(diào)速，改變電機(jī)的輸入頻率，使電機(jī)運(yùn)行在不同的工況下，從而使不同工況下的電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，通過比較節(jié)能前后輸入功率的大小來驗(yàn)證不同工況條件下的節(jié)能效果，降低能耗，降低火力發(fā)電生產(chǎn)成本。為了滿足我國風(fēng)力電廠日益增加的風(fēng)力節(jié)能環(huán)保技術(shù)要求，對(duì)風(fēng)力變頻器節(jié)能改造生產(chǎn)工藝的改進(jìn)需要越來越明顯。變頻節(jié)能改造不僅使某1 000 MW的引風(fēng)機(jī)得到良好的節(jié)能效果，同時(shí)，引風(fēng)機(jī)電機(jī)設(shè)備的變頻節(jié)能改造對(duì)于如冷凝泵、一次式高壓風(fēng)機(jī)等風(fēng)力發(fā)電廠中其他重要的電力輔機(jī)的節(jié)能具有借鑒作用[6]，值得去將此技術(shù)推廣。