風機變頻改造節能技術在火電廠的應用研究

楊清 李連閣

1.平頂山姚孟發電有限責任公司熱工設備檢修部爐控班467031；2.海口中電環保發電有限公司571924

本文主要研究風機變頻改造技術在火電廠的應用，分析了風機能耗組成與變頻節能原理，并以某火電廠風機機組變頻改造工程實際為例，對變頻風機在火電廠中的應用進行了討論。

一、風機能耗

風機是火電廠非常重要的設備，耗電量超過廠用電的30%，現階段，火電廠風機多采用調節擋板、閥門開度的調節方式控制風量，這種調節方式下，驅動電機的輸出功率不隨著風量變化而變化，造成了大量的能耗損失，在火電廠風機中引入變頻技術，是降低火電廠風機能耗的有效措施。風機節能改造首先要了解風機能耗的實際情況。

（一）風機設計容量

為了保證動力源的安全性，火電廠風機設計容量往往都有著較大的富余，尤其是引風機和配套電機容量都很大，導致機組在低負荷運行狀態下，風機運行點遠離風機性能曲線高效率點，風機運行效率偏低。

（二）風機啟動

直接啟動風機電機，啟動瞬間電流會上升到額定電流的6-7倍，啟動過程中出現的機械沖擊以及電流沖擊都會影響電機設備，導致電機設備使用壽命下降，誘發故障，降低風機運行效率。

（三）運行調節

鍋爐負荷如果發生變化，則鍋爐給煤、水、風量均需要進行調整，傳統的風機進風量調整一般通過風門擋板的開度實現，通過調整靜葉角度改變風量。

這樣的運行調節方式存在著調節精準度不高，反應相對緩慢，風機運行調節跟不上機組負荷變化的問題，而且縮小風門開度，會增加風門的阻力損失，導致風機整體運行效率下降，但是輸入功率卻沒有隨之降低，增加了能耗。

（四）喘振

一些風機有著相對平穩的性能下降曲線，但是上升階段并不穩定，在一些工作區間會發生喘振，流量出現了大幅度的周期性變化，產生較大的振動與噪聲，留下了很大的安全隱患，同時也增加了風機能耗。

二、變頻調速節能原理

交流發電機輸出功率公式：

P=Mz·ω（1）

其中，Mz-電動機負荷轉矩；

ω-電動機旋轉角頻率；

風機變轉矩負載特性Mz∝kω2，也即P∝kω3，k是一定輔助設備條件下的常數。因此，交流異步電動機的變頻調速，可以通過改變輔助設備轉速實現，并進一步改變風量。

異步電動機轉速：

n=60f（1-s）/p（2）

其中，f-電源頻率；

S-電動機轉差率；

P-電動機極對數。

確定電動機之后，s與p均為常數，表示特定電動機轉速和電源頻率成正相關，因此電動機轉速可通過改變供電頻率來調整。

三、火電廠風機變頻節能改造

以某火電廠風機變頻技能改造工程實際問題，給出了一個火電廠風機變頻電機控制電路結構與改造方案，經過實際運行認為能夠大幅度降低風機電機能耗，同時提高了風量調節的靈敏度、速度與穩定度。

（一）電路結構

大容量傳動變頻風機技術中應用最為廣泛的是直接高壓交-直-交型變頻器，單元串聯多電平電壓源型變頻器使用幾個變頻功率單元串聯直接輸出高壓，電網電壓接入二次側多重化隔離變壓器，降壓之后作為工作電源，采用三相輸入，單相輸出的逆變方式，串接相鄰功率單元，構建Y型電路連接結構，直接輸出變壓變頻高壓給風機電動機。為了抑制諧波電流輸入，輸入變壓器采用十五繞組輸出多重化方案。因為電壓源型為二極管整流，因此需要加設濾波電容提供電動機所需無功功率，從而保持風機較高的功率因數，一般都在0.95以上，無需額外增加無功功率補償裝置。逆變器為多電平移相輸出，輸出接近正弦波，由于電平臺階尺度接近單元直流母線電壓，因此dv/dt很小，不會給電動機絕緣帶來很大的沖擊，而使用多電平移相PWM增加了輸出電平數，也提高了有效輸出開關頻率，改善了輸出波形，減少了對電網的諧波輻射，也有效緩解了電動機發熱、噪聲以及轉矩脈動等問題，降低了風機電機門檻，可以使用普通3kv、6kv電動機，甚至也可以使用原有電動機，無需限額。

（二）改造方案

1.變頻風機控制系統

某火電廠燃煤鍋爐正常運行狀態下爐膛負壓需控制在-20--50Pa范圍內，保持爐膛負壓穩定對鍋爐運行效率與安全性有著很大影響。負壓調節器接受負壓信號以及送風流量信號，根據內置算法調整執行部件輸出頻率，通過風機電動機供電電源變頻器改變風機電動機運轉速率從而調整風量。相比于原有的控制系統，在運行操作方式方面基本不變，但是風量變化的控制從改變風門擋板開度轉變為改變風機電動機轉速，降低了風機電機能耗。

2.吸風機控制系統

6kv電源母線連接輸入開關接入吸風機控制系統，隔離輸入側，減少給電網造成的諧波污染，工作電源變頻調制輸出驅動為單元串聯多電平PWM，通過該輸出驅動控制吸風量，為了進一步提高吸風機系統運行穩定性，配置了不間斷工作UPS電源，如果是變頻器出現故障，可投切全壓常速工頻備用線路，保證風機運行的可靠性。

火電廠許多單元都有多個輔助設備，一般都接在電源總線上，在如鍋爐給水泵等輔助開關的開閉瞬間電源總線電壓會大幅度下降，導致總線上的其他設備在短時間內都工作不正常，因此風機電機變頻驅動器應該具有足夠的抗電壓波動能力，要求±15%以內電壓波動要能夠滿負荷輸出，15%電網電壓跌落低于35%，不超過30s時間之內無欠壓保護，電網電壓正常之后能夠快速恢復到正常工作狀態。

（三）改造效果分析

引入風機變頻技術之后，該火電廠的引風機單能耗明顯下降，進一步提高了引風效率，風量控制響應速度更快，適應負載的變化，大幅度降低了風機能耗。變頻風機電機的啟動電流強度也小于原來方案，電機能夠軟啟動，啟動電流對電機以及其他設備的沖擊以及啟動力矩對電動機主軸的機械沖擊更小，獲得了更高的動態響應速度和更加優秀的調節線性度。變頻風機通過對速度的調節能夠及時避開喘振工作區間，從而降低了風道振動幅度，提高了鍋爐運行的穩定性與可靠性。

變頻調速技術在風機控制中的應用能夠顯著提高風量控制的精度和響應速度，同時在風量需求下降時，風機電機轉速下降，功率也隨之下降，從而大幅度減小了風機電機電能消耗，對國家電力事業發展有著重要意義。

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