發(fā)電廠中風(fēng)機(jī)與水泵的高壓變頻節(jié)能

0 引言

在火力發(fā)電廠中，風(fēng)機(jī)和水泵容量大、耗電多，是主要的耗電設(shè)備。由于電力生產(chǎn)的特殊性，這些設(shè)備長期連續(xù)運(yùn)行或經(jīng)常處于低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，能量損失巨大。這些設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對于降低廠用電率、降低發(fā)電成本、提高企業(yè)競爭力有著重要作用，同時也是積極響應(yīng)政府節(jié)能降耗、努力實現(xiàn)“十一五”節(jié)能降耗指標(biāo)的重要措施。

1 電力生產(chǎn)的特殊性

電力作為一種產(chǎn)品，與其它產(chǎn)品相比具有它自身的特殊性。一般來說普通產(chǎn)品的生產(chǎn)與用戶的使用消費(fèi)不是同時進(jìn)行的，而電力的生產(chǎn)與用戶的消費(fèi)是同時進(jìn)行的，電力幾乎不能存儲，因此電力生產(chǎn)必須是連續(xù)的。另外，電力生產(chǎn)的多少是根據(jù)用戶的使用情況決定的，因此電力生產(chǎn)的負(fù)荷是變化的。電力產(chǎn)品的這種特點決定了電力生產(chǎn)系統(tǒng)中各種設(shè)備容量須根據(jù)最大生產(chǎn)能力來進(jìn)行配置，而不能根據(jù)平均的電力需求配置。在電廠中，最大生產(chǎn)能力是根據(jù)主機(jī)(鍋爐、汽機(jī)和發(fā)電機(jī))的出力決定的，輔機(jī)(各種風(fēng)機(jī)、泵及其驅(qū)動電動機(jī)、電氣控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)等)是根據(jù)主機(jī)的情況配置的，一般情況下，在設(shè)計過程中均考慮一定的余量，因此造成在實際的運(yùn)行過程中，多數(shù)風(fēng)機(jī)和泵的流量需要調(diào)節(jié)。為了達(dá)到系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，理想的情況是輔機(jī)的運(yùn)行能夠跟隨主機(jī)的工況進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)方式是節(jié)流調(diào)節(jié)，即通過調(diào)節(jié)擋板、閥門等的開度以改變管道系統(tǒng)的阻力而調(diào)節(jié)流量的，這種調(diào)節(jié)方式反應(yīng)慢、調(diào)節(jié)精度低、能耗大;高壓變頻調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)或水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的，這種調(diào)節(jié)方式反應(yīng)快、調(diào)節(jié)精度高、整體耗能小，正逐漸被應(yīng)用在電廠中風(fēng)機(jī)、水泵等的流量調(diào)節(jié)中。

2 變頻節(jié)能在電力生產(chǎn)中的綜合效果

從原理上講，電動機(jī)本身的節(jié)能是很有限的，所謂節(jié)能主要是指電動機(jī)所驅(qū)動的負(fù)載的節(jié)能。根據(jù)流體力學(xué)原理，風(fēng)機(jī)或泵類設(shè)備的輸出流量與其轉(zhuǎn)速成正比，輸出壓力與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，其消耗的功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比。采用變頻調(diào)速改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)機(jī)或泵的轉(zhuǎn)速，以此來調(diào)節(jié)流量，這樣便可以將節(jié)流調(diào)節(jié)的閥門或擋板等開度調(diào)至最大，減小管道系統(tǒng)的阻力，節(jié)約因克服調(diào)節(jié)阻力而引起的能耗。同時，采用變頻調(diào)節(jié)后，管道系統(tǒng)的阻力能保持在使風(fēng)機(jī)或泵工作的高效率點，減少因風(fēng)機(jī)或泵的效率降低而造成的能耗損失。

從節(jié)能的效果來看，對節(jié)流調(diào)節(jié)的變頻改造，產(chǎn)生的節(jié)能效果并非僅僅是當(dāng)前所改造的電動機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能效果，而是并行工作的多臺電動機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能效果。如果兩臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，一臺運(yùn)行風(fēng)量不足，兩臺運(yùn)行時則需要進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，往往是兩臺風(fēng)機(jī)同時都進(jìn)行風(fēng)門調(diào)節(jié)，對其中一臺進(jìn)行變頻改造后，則兩臺風(fēng)機(jī)都可以運(yùn)行在風(fēng)門全開的狀態(tài)下，這樣產(chǎn)生的節(jié)能效果即為節(jié)流調(diào)節(jié)時兩臺風(fēng)門的能耗。

電廠的節(jié)能，更重要的是體現(xiàn)在系統(tǒng)效率的提高。在沒有進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)時，電廠的循環(huán)水泵一般采用多極電機(jī)根據(jù)季節(jié)調(diào)整電機(jī)接線，改變電機(jī)的極對數(shù)來改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，或者是根據(jù)季節(jié)調(diào)整并聯(lián)運(yùn)行的電動機(jī)和泵的運(yùn)行臺數(shù)來調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，這種調(diào)節(jié)操作簡單，但調(diào)節(jié)精度低。采用變頻調(diào)節(jié)時，利用變頻調(diào)節(jié)精度高，操作方便的特點，根據(jù)循環(huán)水的實時出水溫度調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，將凝汽器的過冷度調(diào)節(jié)在一個最優(yōu)的范圍內(nèi)，以提高鍋爐運(yùn)行的整體效率，這樣節(jié)能效果更加突出。

3 電力生產(chǎn)對高壓變頻的要求

由于電力生產(chǎn)的特殊性，電力生產(chǎn)對應(yīng)用高壓變頻有很高的要求。

首先要求高壓變頻具有很高的可靠性，主要包含幾方面的內(nèi)容：

1)對電網(wǎng)電壓波動的適應(yīng)能力，即能夠在較大的電網(wǎng)電壓波動范圍內(nèi)正常工作，這個范圍一般是-20%～+10%;

2)電網(wǎng)重合閘后繼續(xù)運(yùn)行的能力，即在電網(wǎng)瞬時失電，恢復(fù)供電后變頻器不能停止運(yùn)行，要能夠記憶并快速恢復(fù)至失電前的運(yùn)行狀態(tài);

3)具備冗余設(shè)計，即允許變頻裝置局部故障，不影響其它部分的運(yùn)行，能夠在局部故障的狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)行;

4)能夠在線維護(hù)，即在變頻裝置連續(xù)運(yùn)行的情況下排除局部故障;

5)諧波小，這包括變頻器對電網(wǎng)的影響即輸入

電流諧波和變頻器對電動機(jī)的影響即輸出的電壓、電流諧波。

其次要求高壓變頻裝置使用方便，主要是指：

1)尺寸較小，可靠墻安裝，對安裝場地的要求比較低;

2)高壓電纜安裝方便，控制接口齊全，易于實現(xiàn)集散控制;

3)維護(hù)簡單，使用壽命長。

在滿足上述要求的前提下，還要求高壓變頻裝置具有高的性能價格比。

4 電力生產(chǎn)中變頻節(jié)能的各個環(huán)節(jié)及節(jié)能效果

電力生產(chǎn)的設(shè)備中可以進(jìn)行變頻改造的設(shè)備是很多的，例如1 臺300 MW 火力發(fā)電機(jī)組一般配置引風(fēng)機(jī)2 臺，單臺功率2 500 kW;送風(fēng)機(jī)2 臺，單臺功率1 600 kW;排粉風(fēng)機(jī)4臺，單臺功率850 kW;再循環(huán)風(fēng)機(jī)2臺，單臺功率475kW;鍋爐給水泵2臺，單臺功率5 600 kW;循環(huán)水泵3臺，單臺功率1 100 kW;凝結(jié)水泵2臺，單臺功率1 000 kW 等。這些風(fēng)機(jī)水泵都需要根據(jù)運(yùn)行的負(fù)荷情況進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，因此都有節(jié)能的空間，只是不同的情況下節(jié)能的效果有差異而已。

一般來說，對節(jié)流調(diào)節(jié)方式進(jìn)行變頻改造，風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果比泵的節(jié)能效果好，這主要是因為風(fēng)機(jī)基本上是無靜壓系統(tǒng)，流量基本上和轉(zhuǎn)速成比例，因此功率就是和流量的三次方成比例;泵類系統(tǒng)靜壓較高，不適用流量和轉(zhuǎn)速成比例的原則，在低轉(zhuǎn)速的情況下，流量為零，功率的計算應(yīng)為流量乘以壓力，而不能使用功率和流量的三次方成比例的關(guān)系。

根據(jù)高壓變頻在國內(nèi)的使用情況來看，進(jìn)行凝結(jié)水泵高壓變頻改造的情況最多，這主要是因為凝結(jié)水泵的運(yùn)行可靠性要求較低，短時停止運(yùn)行不會影響整個機(jī)組的正常運(yùn)行，同時凝結(jié)水泵一般為一開一備，即使變頻故障需要停機(jī)維修也不會對機(jī)組運(yùn)行造成大的影響。從節(jié)能的角度講，因為凝結(jié)水隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化較大，因此從節(jié)流調(diào)節(jié)改為變頻調(diào)節(jié)，節(jié)能效果比較明顯，從實際使用的效果來看，節(jié)電率甚至可達(dá)50%。其次引風(fēng)機(jī)的變頻改造較多，節(jié)能效果也很明顯，一般節(jié)電率為30%～50%。

送風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、灰漿泵的變頻改造也較多，給水泵的高壓變頻改造很少，幾乎沒有，這可能是因為給水泵功率大、可靠性要求極高，節(jié)能效果不太明顯幾方面的原因。

5 高壓變頻應(yīng)用時應(yīng)注意的問題

一般可以根據(jù)電動機(jī)的額定功率或額定電流來配置相應(yīng)的變頻裝置，但在選用變頻器時根據(jù)估算的使用功率來選配變頻器是不合適的。這是因為采用變頻器以后所消耗的電功率是在轉(zhuǎn)速降低的情況下得出的，根據(jù)變頻器設(shè)計的原則，為了維持氣隙磁通量基本不變，應(yīng)使定子端電壓和頻率成比例地調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速(即頻率)降低的情況下，變頻器的輸出電壓也相應(yīng)地降低，定子電流變化較小。按照使用功率選的變頻器額定電流是在50 Hz、額定電壓時的功率，其額定電流較小。這樣選用的變頻器在實際使用過程中容易出現(xiàn)過電流故障，因此不建議這種選配方法。

高壓變頻器選用的功率器件都是半導(dǎo)體器件，使用時的溫度限制很嚴(yán)格，過熱的情況下很容易損壞器件，因此使用環(huán)境要求充分考慮通風(fēng)和降溫措施，采用室外循環(huán)通風(fēng)時尤其要考慮進(jìn)風(fēng)通道的設(shè)計。在使用過程中，維護(hù)好通風(fēng)和降溫設(shè)備是保證變頻器正常工作的一項重要工作。

6 高壓變頻技術(shù)現(xiàn)狀

高壓變頻技術(shù)主要有元器件直接串聯(lián)方式、三電平方式和單元串聯(lián)多電平方式等電路拓?fù)湫褪健?/p>

單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻技術(shù)因其諸多特點而在國內(nèi)得到快速發(fā)展并得到用戶的普遍認(rèn)可。當(dāng)前國內(nèi)的單元串聯(lián)多電平高壓變頻技術(shù)從控制方式的實現(xiàn)形式上來說主要有兩種：采用智能化單元的多處理器方式和集中控制的單處理器方式。

多處理器方式的變頻器中，每個功率單元均為智能化單元，單元擁有自己的處理器，實現(xiàn)單元中的逆變控制、單元中各種狀態(tài)量的檢測和保護(hù)、接收外部指令和輸出狀態(tài)等任務(wù)。主控制器中的處理器主要完成和用戶的人機(jī)接口以及協(xié)調(diào)所有功率單元的一致工作。整套裝置為多處理器共同工作，功能模塊化，容錯能力強(qiáng)，技術(shù)先進(jìn)，可靠性高。目前上?？七_(dá)機(jī)電控制有限公司生產(chǎn)這類變頻裝置。

單處理器方式的變頻器中主控制器實現(xiàn)并協(xié)調(diào)所有單元的逆變工作，完成與其它系統(tǒng)的接口，工作量大，對單元來說僅僅作為主控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，容錯能力差，單元的測量和保護(hù)動作較慢。目前國內(nèi)有較多廠家可以提供這類變頻裝置。

這兩種方式的高壓變頻技術(shù)在國內(nèi)均有廠家推出產(chǎn)品，應(yīng)用的情況也不錯。采用智能化單元的廠家實現(xiàn)了單元的主動投切和單元在線更換功能，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)連續(xù)可靠運(yùn)行的能力。

7 結(jié)語

高壓變頻經(jīng)過十多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)成熟，尤其是單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻裝置，具備冗余功能，單元模塊化設(shè)計，單元內(nèi)變頻技術(shù)和功率器件成熟，輸入輸出諧波小等優(yōu)點，在國內(nèi)迅速發(fā)展，有些供應(yīng)商甚至可以供應(yīng)具備單元在線更換功能的產(chǎn)品，可靠性有了很大地提高。我國能源緊張，單位GDP能耗高，電力生產(chǎn)和使用負(fù)荷變化較大，電廠中風(fēng)機(jī)和水泵的節(jié)能空間很大，采用高壓變頻調(diào)節(jié)取代傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)節(jié)，節(jié)能降耗大有可為。