變頻電機在火力發電廠一次風機中的應用探析

林　武

(中國聯合工程公司，浙江 杭州 310052)

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變頻電機在火力發電廠一次風機中的應用探析

林武

(中國聯合工程公司，浙江 杭州 310052)

摘要:如何將火力燃煤發電機組在現有基礎上進行技術改造以降低電力消耗和煤炭資源消耗是一個非常值得研究的問題。風機、水泵采用變頻調速技術是我國電力系統實施節能技術改造的一項重要內容。目前高壓變頻調速技術在火力發電節能領域得到了廣泛的應用。文中主要介紹了火電廠變頻電機的節能原理和運行過程，探討了一次風機的變頻改造方案選定，以及其實際應用效果。

關鍵詞：變頻電機；火力發電；一次風機；應用探析

1　一次風機變頻調速節能的意義

1.1　一次風機在火力發電廠的作用

一次風機是火力發電廠的重要動力設備，其主要工作原理是通過風機轉動的機械能轉換為葉輪輸送風流的動能，將干燥的煤粉利用風壓經過磨煤機送入燃燒的爐膛。在整個火力發電設備系統中，一次風機是重要的組成部分，在動力循環、輔助發電機械工作等方面具有重要的作用，其安全性和經濟性對火電廠的發電效益有著重要的影響。

1.2　風機變頻調速節能的意義

將風機進行變頻調速后可以節約大量的電力消耗。火電廠中的一次風機等設備的使用時間比較長，電力資源消耗比較大，研究一次風機的變頻調速技術和風機節能措施具有非常重要的現實意義。通過風機運行原理分析可知，合理的調節風機的轉速可以實現風機節能的目的，因為火電廠中的發電機組的電力負載是隨著電網中用電設備的負荷大小變化而相應變化的，如果電力系統中的負荷隨時間發生了變化，那么發電機組的功率也必須進行相應的調整，為發電機組服務的風機等輔機也應相應變化，以保持供電系統的供需平衡。通常情況下采用擋板或者閥門的調節技術不僅不能有效節約電能，而且還會影響發電機的功率和系統的平衡，這種情況下風機變頻改造就有非常重要的意義。

2　一次風機變頻改造設計方案

2.1　一次風機節能改造原理

在火力發電中傳統上對一次風機進行流量調控的手段是利用風機擋板或者流量閥門，但是這種方法會造成大量的能量浪費。比較好的風機節能方式是轉速調節方法，其有多種形式。目前公認的效果最好的是高壓變頻調節方式，即利用高壓控制下的變頻電機進行轉速調節，進而控制風量和流量。對于風機而言，其主要的定義參數是流量Q、風機的出口壓力H、功率P、有效靜壓Hg，效率η等，表示風機的特性曲線有H-Q曲線、P-Q曲線、η-Q曲線、管路風阻特性曲線。風機有效負載的轉矩和轉速的二次方成正比，而風機的軸功率與其轉速的三次方成正比，所以可以通過不斷控制風機的轉動速度來達到節能的目標。根據H-Q―S―P狀態圖(如圖1)可以看出，采用變頻轉速是一種比較好的節能方法。

圖1 H-Q―S―P狀態圖

2.2　變頻調速方案面臨的技術問題

就目前的情況來說，變頻調速技術已經廣泛應用在電壓低于380 V的風機，但是控制電壓比較高的風機卻一直沒有得到廣泛的應用，其主要技術障礙在于所使用的功率電子器件的電壓承受能力和開關頻率受到了一定技術限制。高壓變頻電機主要研究內容在于：高壓、大電流技術；新型電力電子器件的應用技術；全數字自動化控制技術；現代控制技術等。

就目前的技術產品來看，高壓變頻電機的實現方案主要有：采用 Y-Δ變換法、高—低—高變頻調速系統、直接高壓變頻調速系統。以第二種為例，這種調解方案主要是將輸入的高電壓通過降壓變壓器變為低電壓，然后輸入給變頻器，將變頻器輸出的低電壓通過升壓變壓器輸出為高電壓，以滿足電機的交變電流要求。其原理結構圖如圖2。但是這種方案有一定的局限性，節能效果并不是很理想。

圖2 高—低—高變頻調速系統

2.3　一次風機進行變頻改造的設計要點

一次風機變頻改造的技術原理如圖3，變頻電機帶動下的風機旁路方案采用一臺高壓變頻器控制一臺一次風機運行的方式。為了保證系統安全可靠的運行，變頻器必須和工頻旁路裝置協調工作。變頻器出現工作狀態異常時，就會停止運行，在特殊情況下，可以利用手動裝置進行旁路裝置的切換。同時，變頻器與系統連接采用兩種控制方式：一是現場就地控制方式，二是利用可編程的邏輯控制器與DCS 的連接，實現對系統的遠程控制。對變頻器的保護方案可以采用：過載保護、過流保護、過壓保護、欠壓保護、變頻裝置和隔離變壓器的溫度過熱保護等。

圖3 一次風機變頻改造的技術原理圖

3　一次風機變頻改造的實際應用效果

3.1　一次風機變頻改造后的節能效果

利用該設計原理對中國聯合工程公司的#1 機組實行變頻調速改造后，系統的工作狀態比較穩定，節能效果顯著，筆者將改造的#1 機組 A、B一次風機與未進行改造的#2 機組 A、B 一次風機同時運行一段時間后進行相關參數的統計和對比分析，制作了電機參數對照分析如表1，可以看出，經過改造后的風機節能效果比較理想，為企業節約了大量的經濟成本，具有顯著的經濟效益。

表1　#1、#2 機組一次風機變頻電機參數對比表

3.2　一次風機進行變頻改造后的優缺點

變頻改造后的優缺點如下。

(1)改造后的風機減少了風機啟動時的電流沖擊。一次風機的電機在啟動時最大啟動電流約為額定電流的7倍，其他啟動方式也有好幾倍，但是從技術改造后的風機啟動時的負載曲線可以看出，改造后的風機啟動時基本上沒有電流沖擊，即使電流隨著轉速的提高而增加，但是仍然不會超過電機的額定電流，一定程度上大大減輕了系統的維護保養的費用。

(2)改造后的變頻電機相對于沒有改造的電機壽命大大延長。改造后的電機的轉動速度具有一定的變化規律，減少了軸承的使用負載，延長了電機的使用壽命。

(3)筆者在實際工作中發現，經過改造后的電機在啟動時會出現一定的振動現象，這對系統的安全運行造成了一定的威脅。經過研究得出：這種振動是由于風機的振動頻率和自有頻率有關聯變化，會使風機進入共振狀態。結合實際為了保證系統的安全運行，采取調整電機的轉動速度，使風機在工作時的振動頻率發生變化，避免進入共振區的頻率范圍。

(4)在實際的發電應用中，當兩臺處于正常狀態的變頻器進入工作狀態時，如果其中的一臺發生了系統故障或者引發系統跳閘操作，將會使另一臺風機也引發跳閘操作。如果系統觸發不當，將會造成嚴重后果，其改進措施是不斷提高功率元件及阻容保護。

4　結束語

變頻電機改造和變頻調速技術是當今火力發電中節約電能、改進工藝技術的重要手段，以其較好的啟動狀態和優質的調速能力、較高的節能效率、較高的工作性能等優點在諸多領域都有廣泛的應用。為了提高火電廠的經濟效益，減少工作時的電力能源消耗，有必要對大量使用的一次風機進行技術改造，提高變頻電機的應用范圍。

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[4]胡紀明.風機變頻調速裝置實現關鍵技術分析[J]. 科技資訊,2009,(18):32.

運營探討

Exploration of Application of Inverter-fed Motor in Primary Air Fan of

Thermal Power Plant

LIN Wu

(China United Engineering Corporation, Hangzhou 310052, China)

Abstract:How to conduct technological transformation of existing coal-fired generator set in order to reduce power consumption and coal consumption is a very worthwhile research issue. Applying variable frequency control technology in fan and water pump is an important part of China's energy-saving technological transformation of power system. Currently high voltage variable frequency control technology has been widely used in energy conservation of thermal power generation. This paper mainly introduces the energy-saving principle and operation of variable frequency inverter-fed motor of thermal power plant, and explores variable frequency transformation program selection of primary air fan, as well as its practical application effects.

Key words:inverter-fed motor; thermal power generation; primary air fan; application exploration

中圖分類號：TN86，TM464

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0114-02

作者簡介：林武(1980-)，男, 浙江龍泉人,工程師,2004年重慶大學電氣工程學院專業畢業，主要從事電氣設計工作。

收稿日期：2015-02-08