淺談火電廠中變頻調速技術的節能分析

【摘要】本文首先分析了火電廠風機類設備與泵類設備的現狀，然后結合變頻調速技術的相關理論對火電廠中廣泛應用的高壓交流變頻調速技術進行了介紹，最后淺要指出了應用變頻調速技術需要注意的要點。

【關鍵詞】變頻調速技術；火電廠

1.前言

能源短缺是限制我國經濟社會發展的重要因素，火電廠作為資源消耗大戶，推行節能技術，提高能源利用率具有重大的現實意義。隨著微電子技術的發展，變頻調速技術以其運行穩定、故障率低、噪音污染小、節能效果顯著等優點被不斷的運用到火電廠節能降耗改造中。

2.火電廠變頻調速技術的優勢

2.1 火電廠風機及泵類設備現狀

大型現代火力發電電廠中的風機類設備與泵類設備通常由定速電機驅動，負載轉矩和轉速平方成正比，采用擋板門的方式進行節流調控，雖然高效風機及水泵的額定效率已經能達到80%以上，但是為了滿足汽輪機出力大于發電機出力、燃燒鍋爐出力大于汽輪機出力，鍋爐輔機設備出力大于燃燒鍋爐出力的設計原則，電廠配置的風機和水泵設備容量遠大實際值，大型風機和泵類設備處于低負荷、變負荷的運行狀態。

據統計，大型水泵和風機的用電量約占到廠用電量的30%，再加上火電廠所用燃料與設計類型偏差較大，火電廠現有的風機、水泵、磨煤機等用電設備普遍存在著能耗高，機組負荷率偏低的問題。另一方面，為了應對電網負荷變化，參加調峰運行的機組必須能夠隨時調整器發電能力，而風機閥門節流調節方式缺乏可靠性，耗能過大，隨著變頻技術的日益完善，采用變頻技術改造大型風機、泵類設備等大容量電動機被應用到火電廠中并且取得了良好的效果。

2.2 變頻調速技術原理分析

三相感應電機的轉速如關系如下：

式中：n為電機轉速；f為交流電源頻率；p為電機的極對數；s為異步電機的轉差率。根據此公式可知，可以通過變頻調速、變極調速、變差率調速幾種方式改變電機轉速，其中變差率調速是變頻調速技術產生之前的主要調速方式，調節效率較低且調節范圍窄，對電網的影響較大。除以上幾種電氣調速方式之外，還有液力耦合器調速、液粘離合器調速等機械調速方式。

典型的變頻調速系統由變頻器、控制裝置、傳動機和負載組成，變頻器可以利用半導體器件的開關作用將電網工頻變成可調頻率輸送給電機，從而調節電機速度，屬于無級變速。變頻調速技術的調節方式包括直流調速與交流調速兩種，其中高壓交流變頻調速技術比較成熟，在電廠風機和泵類設備應用效果顯著，是火電廠大型風機節能改造的主要手段。據統計，采用高壓交流變頻調速技術改造大型設備后，至少可以減少20%的廠用電量。高壓變頻器技術中以AC/DC/AC變頻器應用最為廣泛，根據直流段使用電器元件的不同，AC/DC/AC變頻器又可以分為電流源型變頻器和電壓源型變頻器，其中級聯電壓源型高壓變頻器的應用前景較好，級聯多電平電壓源型變頻器由多個功率單元串聯而成，每個功率單元都是一個低壓變頻器，通過三相不可控橋式整流將交流轉化為直流，直流經電容器濾波后進入逆變器，逆變器采用H橋拓撲結構，輸出電壓為電平，再通過載波脈寬調直技術輸出所需的電壓階梯波。

級聯多平電壓源型變頻器技術的各器件du/dt較低，調節過程中功率因素高，不需均壓電路，發熱低，而且多重化配置的變頻器通常采用IGBT控制，輸出的電壓電流波形諧波較少，電動機噪音相對較小，是高壓變頻技術的研究重點。

3.火電廠變頻調速技術的應用要點

3.1 火電廠變頻調速技術的應用條件

交流電動機的工作原理是通過內部磁場的旋轉傳遞能量，如果電機的氣隙磁通量過大，會導致鐵心飽和，從而使勵磁電流過大，燒壞電機繞組。如果電機氣隙磁通量較小，電機出力不足，因此進行電機變頻改造前必須保證電機的氣隙磁通量恒定。另一方面，根據異步電機的變頻調速的控制特性，如果電動機額定頻率比供電頻率低，那么電動機的電壓只能保持額定電壓而不能隨之升高，而且此時提高頻率會導致電動機氣隙磁通量減弱，轉矩減小。所以，電動機供電頻率低于基頻時為恒轉矩調速，保持氣隙磁通量最大值，供電頻率高于基頻時為恒功率調速，保持最大電壓輸出值。

3.2 火電廠變頻調速裝置的配制

火電廠變頻裝置配制需要注意的問題如下：

第一，火電廠的大型輔機多成對配制，一臺機器基本能夠滿足大部分符合的要求。另外，輔機滿負荷運行時采用變頻技術可能增加耗損，因此可以對一臺輔機進行變頻改造，當機組負荷較高時，采用兩機并列運行的方式，當機組負荷較低時，可以使用變頻輔機單獨運行，通過監測爐膛的壓力自動調節風機轉速；

第二，對異步電動機進行變頻改造后，必然會影響電動機的運行狀態，比如對鼠籠式異步電動機改造后，電動機定子電流中會含有高次諧波，增加電動機的耗損，造成電動機升溫程度變大，效率和功率因素降低，另一方面，高壓變頻器電容容量衰減小，降低了電動機啟動電流，延長了設備壽命。因此設計時應綜合考慮系統的安全性、可靠性，必要時增設變頻器旁路系統并且保證通風效果；

第三，風機、水泵設備的轉矩與轉速平方正相關，進行變頻改造后，電機電流隨之下降，發熱量下降，為避免單側風機變頻運行后兩側風路的排煙溫度相差過大，可以將兩路送風配置設為母管送風運行[1]；

第四，電動機鐵心的固有頻率與變頻器的載波頻率可能會發生諧振，從而產生較大的噪音，對此工作人員可以適當調整載波頻率；第五，風機調速時必須迅速避開設備的臨界共振轉速區，以避免在調速過程中與風機繞性轉子產生機械共振而損壞設備。電動機的電磁轉矩含有脈動分量，普通的電流源型變頻器與三平或多電平變頻器相比轉矩脈動分量較大，也更容易引起電動機與機械負載共振，因此變頻器的選型十分重要。

4.結語

降低電廠能耗不僅是降低運營成本，提高電廠競爭力的有效手段，而且也符合國家建設“兩型”社會的要求，通過對大型風機、泵類設備的變頻調速節能改造，可以直接降低電廠廠用電，節約煤炭資源，具有十分明顯的經濟效益和市場潛力，值得在火電廠中進一步推廣。

參考文獻

[1]范利文.高壓變頻調速技術在火電廠風機和泵類應用中的節能分析[J].山西科技，2013（28）：45-46.