高壓變頻器在火電廠風機上的應用

陳文峰　王傳軍

摘要：變頻改造對于節能有著極大的作用，鍋爐風機變頻改造節約了電能，取得了較大的經濟效益和社會效益。文章介紹了鍋爐引風機的改造過程以及變頻改造后產生的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：高壓變頻器；火電廠風機；鍋爐引風機；變頻改造；風機設備 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM621 文章編號：1009-2374（2015）11-0045-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.11.023

在火電廠的生產過程中，風機是一種較為常見的設備，在多個生產環節都發揮了積極作用，如鍋爐風機、二次風機等。這些設備一般多作為輔助設備存在，但是其耗電量卻非常大，若能夠對風機設備進行節能改進，勢必能夠大大降低火電廠的整體能耗，提高火電廠的發電效率。而風機設備的節能改造過程中，高壓變頻器能夠發揮非常積極的作用，也是節能改造技術的主要手段。焦煤集團馮營電廠在對本廠的2×50MW機組鍋爐引風機和二次風機電機進行節能改造時，就采用了這一技術。高壓變頻器安裝之后，風機設備的工作效率有了非常明顯的提升，且操作也更加簡便，更重要的是其大大降低了冷風機的能耗量，為電廠節省了大量的成本，經濟效益和環保效益良好。

1 風機變頻改造的必要性分析

現如今，工業科技水平不斷提升，各種先進科技的使用大大地促進了工業生產力水平的提升。其中變頻技術就是這樣一種技術，其主要的作用是通過電力電子技術來控制電機速度，從而實現電機運行效率的提升。目前，變頻調速技術已經被推廣應用到風機、水泵的節能改造上，用途廣泛。在焦煤集團馮營電廠的風機改造中，就是利用變頻技術，將高壓變頻器運用在風機控制系統中來達到節能改造的目的。

之所以要對火電廠的風機進行變頻改造，主要的原因是因為風機是火電廠最主要的輔助設備，其耗電量非常大，幾乎占鍋爐發電量的2%，且風機的耗電量會隨著發電機組容量的增大而不斷增大。在200MW及以下機組，風機的流量控制是通過調整入口導向葉片的角度，也就是風門開度的方式來實現的，這種調節的截流損耗一般為30%Pe（額定容量）。這種調節方式經濟效益差、能耗大，且還會對設備帶來一定的不利影響，增大設備故障發生率和維修難度。在此情況下，控制風機的能耗就勢在必行，這是提高電廠發電效益的關鍵。

2 高壓變頻器在風機變頻改造中的應用原理

高壓變頻器主要是利用高壓交流變頻調速技術來實現變頻控制的調速裝置，與其他調速器相比，高壓變頻器的整體效益更好，不但節能效益和調速精度較高，且調速的范圍更廣，運行更加安全可靠，維修起來也較為方便，為此馮營電廠在進行風機節能改造時首先確定的方案就是采用高壓變頻器進行改造。其在運行中的節能原理如下所示：

風機設備屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。根據風機（泵）工作特性：系統采用閥門調節時，風機（泵）工作點將由A沿曲線向B點移動；系統采用轉速調節時，風機（泵）轉速由n0調整為n'時負載設備工作點將由B點降至C點。

根據流體機械的特性而開發的風機專用型變頻器，通過調節風機拖動電機的輸入頻率，從而改變風機的轉速，調節氣體流量、流速和壓力，取代擋板、閥門等落后調節方式，可輕松實現25%～80%的節能量。

3 風機變頻改造方案

馮營電廠此次改造分別將兩臺爐的引風機和送風機各改造一臺，方案是一拖一手動旁路的典型方案，原理是由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成（見圖2，其中QF為原高壓開關柜內的斷路器）。要求QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。斷路器和高壓隔離開關互鎖，防止誤操作。優點是在檢修變頻器時，有明顯斷電點，能夠保證人身安全，同時也可手動使負載投入工頻電網運行，造價低等。

變頻裝置采用的是北京利德華福的HARSVERT高壓變頻裝置，該調速系統采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯多電平拓撲結構，主體結構由多組功率模塊串并聯而成，從而由各組低壓疊加而產生需要的高壓輸出，它對電網諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，500kW/6kV每個系統共有15個功率單元，每5個功率單元串連構成一相，其系統結構圖如圖3所示：

4 高壓變頻器的保護作用

本電廠改造所用高壓變頻器的功率單元是按照模塊化方式進行設計的，因此若在運行中某一單元出現了故障而不能繼續運行，其他備用單元可以立即將其替換掉，不會影響到整個系統的正常工作，因此起到了非常好的保護作用，具體可以體現在以下浪涌吸收保護、熔斷器保護、過載保護、過流保護、過壓保護、欠壓保護、過熱保護、缺相保護、光纖故障保護以及變壓器保護等多個方面。以下我們以過流保護、過熱保護、缺相保護和變壓器保護為例進行分析：

第一，過流保護的主要作用是當電機所通過的輸入電流超過了額定電流的1.5倍，且持續超過3s以上，則變頻器就會立即采取停機措施，而當其輸出電流超過額定電流的2倍且持續10s以上，就會立即采取停機措施，以保護設備。

第二，過熱保護的作用主要可以體現在兩個層面上，即其可以實現雙重保護。當然變頻調速系統柜體內的溫度超過預設溫度時，系統首先會發出信號，提示工作人員。若過熱問題沒有得到有效借鑒，主要的設備元件溫度已經超過了極限溫度，則變頻器就會采取停機措施。一般變壓器F級絕緣的極限溫度為130℃，而功率器件的極限溫度則為85℃。

第三，缺相保護的作用實現主要是利用功率模塊，也就是說，當變頻器輸入側出現了掉相的問題時，設置在功率模塊上的缺相保護設置就會自動發出報警信號，嚴重時將會采取停機保護措施。

第四，變壓器保護的作用主要體現在四點：（1）其接線端子非常大，能夠很好地和進線電纜連接在一起；（2）變壓器的各個分接頭即使出現了短路現象，也不會對線段端接頭產生損傷；（3）變壓器允許通過負荷的能力較強，噪音也一般控制在60dB的范圍內，負荷國家相關規定和要求；（4）變壓器繞組系統可以實現過熱保護功能，當繞組溫度超過120℃時會發出警報，超過130℃則會跳閘。

5 變頻改造后的效果

通過對焦煤集團馮營發電廠鍋爐輔機設備進行變頻改造，其風機設備的運行效率大大提升，取得非常顯著的節

能環保效益和良好的經濟效益，主要可以體現在以下五點：

第一，在采用高壓變頻器來控制風機系統后，風機系統的運行更加穩定，不但能夠根據負荷合理對風量大小進行有效調節，還可以有效地解決傳統風機系統運行中存在的風門調節線性度差的問題。

第二，安裝高壓變頻器后，引風機與電動機的服役期限都大大增加了，這是因為在發電機組的運行中，引風機作為一種離心電機，其在啟動時需要耗費較長時間，啟動時所需要的電流也非常大，幾乎是額定電流的6～8倍，這樣不但會耗費大量的電能，而且還會給機械設備造成非常大的沖擊力，從而縮短其使用壽命。而在安裝了高壓變頻器之后，就可以通過變頻調速的方法來使引風機實現軟啟動，這樣就不會對設備產生較大的沖擊力，因而在很大程度上保護了引風機設備和電動機，從而延長其服役期限。

第三，安裝高壓變頻器之后，節省了大量的電能，電廠的2臺引風機每年可節約電量500萬kWh。

第四，變頻改造后，風機系統的功率因數得到大大的提升，幾乎可以達到0.95，當然這也是因為本次改造中所使用的變頻器為電壓源型結構的變頻器。

第五，變頻改造后，不但節能效果顯著，而且還大大地降低了廠房的噪音污染程度，為操作人員提供了良好的工作環境。

6 結語

綜上所述，在火電廠的生產運行系統中，采取一定的節能措施來對生產設備進行改造是非常可行的，這也是未來火電廠實現持續發展的必經途徑。本文中介紹的高壓變頻器在應用到風機設備上之后取得了非常顯著的節能經濟效益，不但提升了系統的運行效率與安全可靠性，而且還在很大程度上改善了設備的運行工況，實現了設備的自動化，從本廠的實踐經驗可以證明，今后，高壓變頻器在火電廠的節能改造中會有更廣闊的應用

前景。

參考文獻

[1] 熊俊.高壓變頻器在火電廠的應用[D].南昌大學，2010.

[2] 唐修波.火力發電廠鍋爐風機變頻器改造及其自動化控制設計[D].南京理工大學，2010.

[3] 劉培忠，金新勝.高壓變頻器在電廠風機節能中的實踐與應用[J].變頻器世界，2006，（6）.

[4] 賈慶，李思宏，李玉山.高壓變頻器在熟料生產線高溫風機上的應用[J].中國水泥，2011，（1）.

（責任編輯：秦遜玉）