火力發(fā)電廠風(fēng)機(jī)在變頻調(diào)速技術(shù)方面應(yīng)用中的節(jié)能分析

郭劍

【摘要】變頻調(diào)速具有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平穩(wěn)、無(wú)級(jí)變速等優(yōu)點(diǎn)，因此采用變頻調(diào)速技術(shù)是解決上述問(wèn)題的好辦法，近年來(lái)已在發(fā)電廠中得到了廣泛應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】變頻調(diào)速

1風(fēng)機(jī)在發(fā)電廠中的應(yīng)用介紹

隨著電力市場(chǎng)改革的深化和燃料價(jià)格的不斷上漲，煤電價(jià)格倒掛現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，火電企業(yè)經(jīng)營(yíng)形勢(shì)日趨嚴(yán)峻的外部環(huán)境下，提高機(jī)組自動(dòng)化水平，降低廠用電率，降低發(fā)電成本，已成為各火電廠努力追求的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。受設(shè)計(jì)和制造技術(shù)條件的影響，電廠主要用電設(shè)備如送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)等高耗能設(shè)備。長(zhǎng)期以來(lái)，火電廠鍋爐離心式風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中存在著以下幾個(gè)問(wèn)題：電機(jī)按定速方式運(yùn)行，采用擋板來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，造成功率損耗大，浪費(fèi)電能；擋板調(diào)節(jié)品質(zhì)差，執(zhí)行機(jī)構(gòu)易出故障，自動(dòng)投入率低；電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流大，對(duì)電機(jī)沖擊大，嚴(yán)重影響電機(jī)的絕緣性能和使用壽命。而變頻調(diào)速具有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平穩(wěn)、無(wú)級(jí)變速等優(yōu)點(diǎn)，因此采用變頻調(diào)速技術(shù)是解決上述問(wèn)題的好辦法，近年來(lái)已在發(fā)電廠中得到了廣泛應(yīng)用。

火力發(fā)電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備主要用于鍋爐一、二次風(fēng)的燃燒系統(tǒng)、引風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等場(chǎng)合，根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)爐膛壓力、風(fēng)速、風(fēng)量、溫度等指標(biāo)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)以適應(yīng)工藝要求和運(yùn)行工況。而最常用的控制手段則是利用調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板的開度大小來(lái)調(diào)整風(fēng)量的大小。這樣，不論生產(chǎn)的需求風(fēng)量多少，風(fēng)機(jī)都要全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則使得能量以風(fēng)門、擋板的節(jié)流損耗消失掉了。

2風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備變頻調(diào)速節(jié)能原理

風(fēng)機(jī)是流體機(jī)械，由流體動(dòng)力學(xué)可知，流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速n2成正比，電機(jī)功耗P與轉(zhuǎn)速n3成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速ne降為時(shí)n，流量由額定值Qe降至Q，與額定功耗Pe相比較，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)的功耗為：

如果流量Qe由100％降到50％，則轉(zhuǎn)速ne由100％降到50％，而電機(jī)的功耗降到12.5％Pe，即節(jié)約電能87.5％。即使扣除擋板調(diào)節(jié)時(shí)的功耗與額定功耗的差、轉(zhuǎn)速下降可能會(huì)引起電機(jī)的效率下降等因素，節(jié)電效果也是非常顯著的。例如：火電廠風(fēng)機(jī)常用擋板來(lái)進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)。若用出口擋板來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，當(dāng)減小出口擋板開度時(shí)，阻力增大，不適宜大范圍調(diào)節(jié)風(fēng)量，在低速區(qū)域軸功率減少不多，節(jié)能效果不明顯；若采用入口擋板來(lái)控制風(fēng)量，雖然調(diào)節(jié)范圍廣，減少擋板開度時(shí)軸功率大體隨風(fēng)量下降而下降，但節(jié)能效果仍不及變頻調(diào)速。采用擋板控制風(fēng)量，雖然滿足了運(yùn)行要求，但嚴(yán)重浪費(fèi)了電能，而且設(shè)備磨損嚴(yán)重。

3高壓變頻器的選型

3.1高－低－高型方案

該方案通過(guò)低壓變頻器為核心，即在低壓變頻器的輸入側(cè)加一臺(tái)降壓變壓器，將6kV降至低壓變頻器的適配輸入電壓，在低壓變頻器的輸出側(cè)加一臺(tái)升壓變壓器，使輸出電壓與電動(dòng)機(jī)的額定電壓相匹配。

這種方案適用于改造項(xiàng)目其優(yōu)點(diǎn)：（1）方案成熟目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多；（2）原有電機(jī)電纜無(wú)須改動(dòng)；（3）便于實(shí)現(xiàn)切換功能；（4）投資較低。缺點(diǎn)：（1）由于兩次電壓轉(zhuǎn)換，增加了損耗，降低了效率；（2）產(chǎn)生大量的高次諧波，需加濾波裝置；（3）升壓變壓器存在諧波發(fā)熱；（4）長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較高。

3.2高－高方案

用額定電壓為6kV的高壓變頻器直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，此種方式整體效率高，技術(shù)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，適用于大容量電動(dòng)機(jī)，對(duì)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有特殊的要求，可用于任何普通的異步電動(dòng)機(jī)，不存在諧波引起的電動(dòng)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲，缺點(diǎn)是初期投資大。但這種方案效率較高，節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯，長(zhǎng)期運(yùn)行相對(duì)上一個(gè)方案費(fèi)用低很多，長(zhǎng)期使用經(jīng)濟(jì)效益很高，推薦使用方案。

4給水泵變頻調(diào)速改造后的優(yōu)點(diǎn)

（1）高壓變頻器特點(diǎn)：1）可以從0到50Hz無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)節(jié)精度0.01Hz；2）輸入功率因數(shù)高（大于0.96），不需要無(wú)功補(bǔ)償；3）電流諧波少（小于2%），無(wú)須諧波抑制裝置；4）輸出電壓波形為正弦波，無(wú)須加裝濾波裝置，可直接驅(qū)動(dòng)普通電機(jī)，對(duì)電纜、電機(jī)絕緣無(wú)損害；5）幾乎完美無(wú)諧波的輸出，從而不存在由諧波引起的電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)（軸承、葉片的機(jī)械振動(dòng)）等問(wèn)題，并抑制浪涌電壓，輸出電纜長(zhǎng)度不受限制；6）功率電路模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，維護(hù)簡(jiǎn)單；7）功率單元與控制器之間為光纖連接，安全可靠；8）具有完整的故障監(jiān)測(cè)電路和可靠的保護(hù)功能，包括單元缺相、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱、變壓器過(guò)熱、柜門連鎖報(bào)警和UPS電源失電報(bào)警等；9）內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場(chǎng)需求；10）具有完整的通用變頻器參數(shù)設(shè)定功能，全中文視窗界面，參數(shù)設(shè)定、調(diào)試簡(jiǎn)便。

（2）給水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)改造后的優(yōu)點(diǎn)：1）電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流從零開始平滑上升，避免了改造前工頻啟動(dòng)時(shí)大電流對(duì)電動(dòng)機(jī)、電纜及開關(guān)等設(shè)備的不利沖擊，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的使用壽命，減少電機(jī)的維護(hù)工作量，節(jié)約檢修維護(hù)費(fèi)用；2）運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠。變頻器具有免維護(hù)的特點(diǎn)，只需定期清理柜門上的通風(fēng)濾網(wǎng)，不用停機(jī)，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性；消除了喘振現(xiàn)象，減輕了給水泵葉輪及軸承等部件的磨損；3）節(jié)能效果較為顯著，大大降低了電；4）對(duì)于容量大的電動(dòng)機(jī)，節(jié)省了啟動(dòng)裝置的費(fèi)用，可以通過(guò)變頻驅(qū)動(dòng)直接起動(dòng)；5）由于功率因數(shù)得以提高，電流減小，可以省去功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，充分利用變壓器系統(tǒng)的容量；6）設(shè)備適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)，當(dāng)電網(wǎng)電壓高達(dá)6.6kV，或者電壓低至5.4kV變頻器仍能正常運(yùn)行；7）在加速期間大大減小了噪聲，削弱了噪聲污染。由于不用定期拆換軸承或者進(jìn)行維修，避免了機(jī)油對(duì)環(huán)境的污染，使給水泵房的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有了極大改善；8）由于電機(jī)降低速度運(yùn)行以及工作在高效率區(qū)，因此電機(jī)和軸承的溫升都很低，這樣可以延長(zhǎng)給水泵系統(tǒng)的使用壽命。

5針對(duì)風(fēng)機(jī)變頻改造的效益進(jìn)行分析

黃陵煤矸石發(fā)電公司1#、2＃爐一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)如表1所示（改造前）。

黃陵煤矸石發(fā)電公司1#、2＃爐一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)如表2所示（改造后）。

由表1知，1＃爐一次風(fēng)機(jī)擋板平均開度為49.2%，2＃爐一次風(fēng)機(jī)擋板平均開度為66.7%，風(fēng)機(jī)拖動(dòng)電機(jī)全速運(yùn)行，能耗大。

采用變頻調(diào)速后，擋板開度為100％，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，節(jié)電潛力較大。一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)如表2所示（改造后）。

利用變頻器根據(jù)鍋爐實(shí)際需要對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，滿足了負(fù)荷調(diào)整需要，既保證和改善了工藝，又達(dá)到節(jié)能降耗的目的。以1＃爐一次風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，電動(dòng)機(jī)的效率＝98%；

變頻器的效率=96%（含變壓器）；額定風(fēng)量時(shí)的風(fēng)機(jī)軸動(dòng)力：500kW。

未采用變頻調(diào)速系統(tǒng)前耗電量：

（KW）

采用變頻調(diào)速后，電機(jī)輸出頻率為35Hz時(shí)，轉(zhuǎn)速1000rpm風(fēng)機(jī)能夠達(dá)到相同負(fù)荷的需風(fēng)量，電機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，則：

（KW）

按照年運(yùn)行時(shí)間為7000小時(shí)計(jì)算，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻改造后每年節(jié)電366.8萬(wàn)度電，以合同基本電量電價(jià)0.315元/度計(jì)算，一年可節(jié)約費(fèi)用115.5萬(wàn)元，同時(shí)廠用電率下降1.3%，一次風(fēng)機(jī)變頻改造的經(jīng)濟(jì)性是十分明顯的。

6結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，變頻器用于風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制場(chǎng)合取得了顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且因此而大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，還降低了停產(chǎn)周期。直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分明顯，設(shè)備初期投資在短期內(nèi)可以收回。