高壓變頻調速在火力發電廠中的應用

王維坤

摘 要：我國經濟發展進步以及城市化規模的逐漸擴大，使我國對電力需求量逐漸提升。火力發電是我國只主要發電形式，在電力生產中占有重要地位。在火力發電廠中，主要通過能源燃燒方式實現電力生產，因此隨著電力需求量不斷增加，能源消耗量也會逐漸提升，在加劇經濟發展與能源緊張間矛盾的同時，也給生態環境帶來極大破壞。高壓變頻調速技術的應用能夠有效實現火力發電過程中能耗的降低，使能源得到有效節約，是促進發電廠經濟效益提升、生態環境改善的有效措施。

關鍵詞：高壓變頻調速；火力發電廠；節能效果

社會經濟的發展使我國能源資源日益緊張，生態環境破壞嚴重。為了實現社會經濟的可持續發展，我國開始倡導節能減排。火力發電廠在運行過程中需要大量能源消耗，而在電力需求量越來越多的形勢下，實現火力發電廠的節能降耗具有必要性。在其發電過程中，水泵、風機等設備的應用是能源消耗主體，且在節能方面潛力較大，能夠實現較好節能效果。而火電廠發展水平不斷提升，其裝機容量得到較大提高，會使設備在相同參數下需要承擔更大負荷，為保證運行安全，促進運行效率提高，應用高壓變頻調速技術已經成為必然。

1 調速系統的應用優勢與不足

1.1 優勢

（1）效率高。在火電廠運行過程中，水泵、風機等的運轉要靠其電動機帶動，若在其中應用高壓變頻調速技術，當電動機出現頻率變化時，能夠始終維持原有轉差率，會使電動機在改變運行頻率后與其轉速數值基本相同。這種方式下，能夠使電動機中因頻率改變而出現的轉差損失得到保持，避免出現上升趨勢。另外，電動機運行頻率的改變會使能耗增強，但應用該調速技術，受高次諧波影響，只會使變頻裝置產生損耗，而電動機本身能耗反而會大大減少。

（2）調速范圍寬。高壓變頻調速系統的調速范圍可達10：1或20：1，可實現頻率在50～5Hz或50～2.5Hz范圍內的調節，同時在此調速范圍內仍能保持系統具有較高的效率，因此低轉速狀態下運行的負載應用效果更為顯著。

（3）安全性良好。若在運行過程中，變頻系統出現運行故障或要對火電系統進行其他改進時，可以令裝置停止運行，并由電網直接向變頻裝置提供電能。這種方式的應用可以在不影響水泵、風機正常運行的條件下實現對系統的改善以及故障的排除。若設備運行狀態是始終處于額定頻率，則在調頻系統下應用節流方式實現裝置的運作，能夠使其能耗得到有效降低，系統運行經濟性提升，為火電發電系統運行提供安全保障。

（4）變頻裝置的使用不僅能夠使能耗得到降低，流量得到有效調節，還能夠為水泵、風機等設備的電動機提供啟動功能，在運行中成為電機運行的軟啟動裝置。

1.2 缺點

（1）從理論上來講，高壓變頻調速技術具有廣泛的應用范圍，能夠在大部分設備改造中得到有效應用，但受技術設備等因素的影響，始終不能得到大范圍的普及。產生這種問題的主要原因是：一，變頻調速技術對技術水平要求較高，從設計、制作直到安裝并投入應用，都需要工作人員具有較高技術水平，且操作較復雜，應用成本過高。導致在對火電廠設備進行改造后，存在極高概率使火電廠不能獲得預期經濟效益，而節能效果得不到實現。

（2）在變頻調速系統中，所使用的變頻器通常有兩種類型，電壓型與電流型。不論哪種類型，其工作中產生的波形都是高次諧波，這種波形會影響到火電廠各個設備以及電源的運行。其中，受高次諧波影響，設備中電動機會出現溫度升高、損耗提升的現象，導致設備運行功率以及效率出現明顯下降，且設備運行噪音較大。不僅不利于節能降耗效果的實現，還有損耗電動機等設備使用壽命的危險。此外，電動機轉矩在高次諧波的影響下降發生脈動現象，脈動的頻率可用6kf（k=1，2，3…）表示，當次頻率與系統的固有頻率相近時，將引發變頻裝置與設備的共振現象。但采用一定的措施是可以使變頻器輸出的高次諧波有所降低的，如采用PWM變頻器或采用多重化技術的電流型和電壓型變頻器將大大改善裝置的輸出波形。

3 各種變頻調速方式的節能效果比較

風機、水泵的流量調節方式可分為非變速調節和變速調節兩大類，各種調速方式的差別主要表現在對轉差功率的處理上，即轉差功率消耗型（如液力耦合器調速、液力調速離合器調速、電磁轉差離合器調速、鼠籠式異步電動機定子調壓調速以及繞線式電動機轉子串電阻調速）、轉差功率回饋型（繞線式異步電動機的串級調速）以及轉差功率不變型（變級調速、變頻調速、直流電動機調速），第一種屬于低效調速方式，后兩種屬于高效調速方式。高效調速方式的節能效果相差不大，因此本文著重討論低效調速方式的節能效果的差異。

如上所述，目前我國采用的低效調速方式共有五種，其差別是采用的變頻器類型不同，但它們存在一個共同點，也就是各低效調速方式的調速效率等于轉速比（ηv=n2/n1=i），但其節能效果仍存在很大差別。

首先，裝配了液力耦合器調速和繞線式電動機轉子串電阻調速的風機和水泵等設備的電動機在運行時的轉速仍然可以達到未改造時的額定轉速，因此其節能效果也是最好的。這兩種調速方式下的電動機運行轉速為額定轉速的2/3時將產生最大的轉差損失，其值為0.148，也就是在實際運行中，改造設備達到最高轉速時所需的軸功率值。

其次，風機和水泵等設備在裝配了液力耦合器調速和電磁轉差離合器調速時，其電動機在運行時的轉速并不能達到額定轉速，因此這兩種調速方式的節能效果與上述兩種相比較低。在這種調速方式下，水泵和風機與變頻裝置相連接的主動部分與被動部分之間要存在一定的轉速差才能正常運行。風機和水泵的最高轉速比為，其中為設備運行時的最高轉速，液力耦合器的最高轉速比in范圍為0.97～0.98，以往的電磁轉差離合器最高轉速比in范圍為0.83～0.87，而目前新產品的范圍為in0.94～0.96。與上述兩種方式相同，采用這兩種方式改造的設備運行時的最大轉差損失也產生在2/3額定轉速下，此時轉差損失最大，可用計算，設備在非額定轉速下的轉差損失可用表示，由上式可知，在轉速比i一定的條件下，in越小則越大。

對于調壓調速裝置，調速線路的晶閘管要產生換流損失，晶閘管換流產生的高次諧波也會影響到電動機的性能。此外調速調壓裝置通常配置高轉子電阻的鼠籠式電動機，它的效率比普通的鼠籠式電動機要低。因此，它是上述低效調速方式中節能效果最差的。

結束語

在火力發電廠中應用高壓變頻調速技術，具有提高能源利用率，實現設備節能減排，改善生態環境的重要作用，是符合國家可持續發展理念的有效措施。因此在對火電廠進行節能減排時，應以高壓變頻技術為借鑒，不斷對其進行創新，從而使火電廠發電在保證效率的同時降低能耗，為環境保護提供有利條件。

參考文獻

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