600 MW 機組引風機高壓變頻改造

彭 勇，黃思源，張 志

（1.中國華能集團有限公司湖南分公司，湖南 長沙 410000；2.華能湖南岳陽發電有限責任公司，湖南 岳陽 414000）

1 引風機改造的可行性與必要性

隨著我國工業的快速發展，我國在資源使用上存在嚴重的浪費現象，且環境污染日益加劇。近些年，世界各國對環境污染問題愈發重視，出臺了一系列環境保護和資源節約政策，并不斷進行技術攻關，但資源浪費問題和環境污染問題依然十分嚴峻。在我國電力系統中，火力發電依舊是最主要的發電方式，發電量約占總發電量的80%，裝機容量約占電源結構中總裝機容量的75%。煤是火電廠的主要燃料。燃煤會產生大量的煙塵和有害氣體，嚴重污染環境。我國電網雖然發展迅猛，但居高不下的生產成本依舊在一定程度上制約了電力企業的發展。只有努力降低生產成本，電力企業才能在激烈的市場競爭中占據優勢，實現可持續發展。因此，改善火電廠的資源浪費問題和環境污染問題是大勢所趨，且迫在眉睫[1]。

火電廠發電過程中，風機、水泵等輔機設備的用電量約占火電廠用電總量的70%。所以，火電廠節能減排的工作重心是解決風機、水泵等輔機設備的能源消耗問題。火電廠對風機嘗試了各種節能改造措施，主要有節流擋板調解、動靜葉調節和轉速調節。從效果上來說，節流擋板調節資源浪費嚴重；動靜葉調節雖然能達到節能效果，但是結構復雜，并且對風機的磨損較為嚴重；相對來說，轉速調節具有更好的節能效果。變頻調速技術的不斷發展，使火電廠風機實現轉速調節成為可能。變頻調速技術的關鍵是變頻器。國外在20世紀80年代就實現了變頻技術的突破，經過多年的發展，變頻調速技術已經相當成熟。西門子公司、阿爾斯通公司、ABB公司、通用公司是國外十分知名的變頻器生產商。與國外相比，國內變頻器在研發方面還比較落后，尤其是在大功率變頻器方面，與國外存在不小的差距。隨著變頻器行業資源的不斷投入，國內也出現了北京利德華福、哈爾濱九州電氣、廣州智光、上海上廣電等變頻器知名企業。所以，對火電廠引風機進行高頻改造的技術條件已經較為成熟。

2 引風機的作用和工作原理

2.1 引風機的作用

火電廠常用的風機種類主要有引風機、送風機、脫硫增壓風機以及一次風機等。這里主要探討引風機，其他風機不做討論。煤粉在爐膛內充分燃燒，使熱能轉化為電能，這一過程會產生大量煙塵，需要一種設備把爐膛內的煙塵排出去，而引風機就是這樣一種設備。引風機通過增大氣壓克服系統阻力，從尾部煙道吸出爐膛內的煙氣和粉塵，經過脫硫處理后由煙囪排至大氣。爐膛內煤粉的持續燃燒需要一定的負壓環境。引風機在排除燃燒產生的煙塵的同時，還能保證爐膛內一直處于負壓狀態[2]。

2.2 引風機的工作原理

引風機的作用對象是氣體。由流體力學可知，功率和氣體流量、壓力有密切關系。壓力和氣體流量的增大或減小，產生的功率也會隨之發生變化。減少火電廠的能源消耗，具體就是減少電動機的電能消耗，就是要減小引風機的軸功率。用P表示引風機的軸功率，H表示引風機的出口壓力，Q表示引風機出口的氣體流量，K為常數，η1表示內效率，η2表示機械效率，引風機的工作特性可以表示為：

可知，引風機出口的氣體流量Q、引風機的出口壓力H與引風機的軸功率成正比關系，引風機出口的氣體流量Q與引風機的出口壓力H的乘積和引風機的軸功率也成正比關系。因此，要減少引風機的軸功率P，只需要減少引風機出口壓力H或減少引風機出口氣體流量Q。減少引風機出口氣體流量的控制方法，以前主要是利用節流擋板進行流量調節，通過關小節流擋板實現對氣體流量Q的控制。利用該方法雖然控制了引風機出口的氣體流量Q，但是在風機轉速保持恒定的情況下，減少引風機出口的氣體流量Q，會相應增加風道阻力，從而增大引風機出口壓力H。盡管達到了降低Q和H乘積的目的，但降低的幅度很小，并不能顯著降低引風機的軸功率P。所以，這種調節方式并不能很好地實現節能效果。

轉速調節。將引風機的轉速用n表示，n1表示變化后的轉速。相應地，Q1、H1、P1分別表示變化后的流量、出口壓力和軸功率。由流體力學的知識可得：

可知，引風機的出口流量與轉速成正比，引風機的出口壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。所以，只要降低引風機的轉速，就可以顯著降低軸功率。低引風機的轉速可以大幅度降低功率，從而達到良好的節能減排效果。

3 高壓變頻器的工作原理

引風機的轉速調節主要通過變頻器實現。電源頻率和引風機轉速可以用式（5）表示，其中F表示電源頻率，N表示引風機轉速，P表示軸功率：

由式（5）可以看出，引風機轉速與電源頻率成正比關系，所以調節電源頻率可以實現對引風機轉速的控制。這種調速方式具有較強的穩定性，調速范圍也較大，屬于無級調速，既可以恒功率調速，也可以恒轉矩調速。變頻調速轉速與頻率成正比例線性關系。

3.1 變頻器的電路組成

變頻器由主電路和控制電路兩部分組成。

3.1.1 變頻器主電路

變頻器主電路是電動機實現高壓變頻的電力設備，主要由整流器、逆變器和平波回路組成。電動機在運轉過程中，整流器把工頻電源轉換為直流電源。二極管整流器是目前比較常用的一種整流器，但其過載能力不佳，在使用過程中容易出現過電流現象。逆變器與整流作用相反，是把直流電源轉換為交流電源。在整流過程和逆變過程中，直流電壓和脈沖電流中經常會伴有諧波產生，而直流電壓會在諧波影響下發生波動。平波回路的作用是為了吸收整流和逆變過程中產生的諧波。

3.1.2 變頻器控制電路

變頻器控制電路的主要作用是通過一系列的運算、檢測、驅動、放大等過程，為電動機主電路提供所需控制信號的電氣回路。它主要包括運算電路、電動機速度檢測電路、驅動電路以及電壓電流檢測電路等。變頻器工作原理如圖1所示。

圖1 變頻器系統

3.2 變頻器的控制方式

變頻器有多種控制方式：（1）可控整流器變壓、變頻器變頻，這種變頻模式通過不同的控制單元相互配合，調壓和調頻分步完成，雖然易于實現，但是不能很好地抑制諧波的產生；（2）直流斬波器調壓、變頻器變頻，這種控制方式對諧波有一定的抑制作用，但是增加了斬波器對能量轉換的步驟，會額外增加能量消耗，且會增加系統的故障率；（3）變頻器自身調壓、變頻，在這種控制方式下，變頻器自帶的電子開關可以實現對電壓的調整，逆變器開關的頻率可以影響脈寬調制頻率進而實現逆變，很好地降低了諧波的比例。第三種調節方式中間環節較少，原理簡單，在火電廠風機調速中得到了廣泛應用。

4 引風機高壓變頻改造注意事項

4.1 做好變頻器的選型工作

目前，市場上的變頻器主要有電流型變頻器和電壓源型變頻器兩種。實證分析證明，電壓源型變頻器能夠更好地處理諧波現象，其輸出側采用多電平技術，可大范圍適用于多種電機，有效解決了低壓電機調速難的問題。該類型的變頻器多模塊的表現形式使得各個元件比較獨立，某個模塊出現問題并不影響其他模塊的正常運行，使得該變頻器的市場占有率很高，同時采購和維修也比較方便。所以，在變頻器選型上，電壓源型變頻器是更好的選擇。

另外，國外變頻器生產商雖然在技術上比國內生產商更有優勢，但是具體選擇時要具體問題具體分析。國外變頻器技術性能好，但是成本較高，備貨周期較長，同時具有較高的操作難度，對我國的技術人員提出了更高要求。對于國內技術人員解決不了的問題，還需要國外技術員的遠程支持。國內變頻器雖然性能較差，但是價格便宜，售后服務更方便。具體選用何種變頻器，要根據實際需要，經過大量調研，選擇合適的變頻器[3]。

4.2 加強技能培訓，解決引風機高頻改造過程中的技術難題

引風機的高頻改造是一項技術含量非常高的工作，在實際改造中不可避免地會遇到大量的技術難題，如低頻強風問題、共振問題、電極低頻發熱問題、電器差動保護問題等，都是引風機高頻改造過程中的常見問題。這些問題可以通過技術改進得以解決。例如，低頻搶風問題，控制引風機的流量使其大于極限流量就可順利解決；對于低頻發熱問題，需要對冷卻系統進行升級改造，增加冷卻風量。此外，要加強對技術人員的技能培訓，使其在實際操作過程中能夠及時發現問題并加以解決，以免造成設備損壞和能源浪費。

5 結 論

引風機高壓變頻改造是當前火電廠解決能源浪費問題和環境污染問題的一項新技術。大量的調研和實踐證明，這是一種可行的、經濟性能良好的手段，未來必定在實際應用中得到普及和推廣。