高壓變頻技術(shù)在火電廠節(jié)能中的應(yīng)用

刁洪虎

（國家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225327）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，電力市場規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，各大發(fā)電企業(yè)高度重視自身的可持續(xù)發(fā)展，打造經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的雙贏局面已成為企業(yè)的共同追求。火力發(fā)電廠是我國的主要電力來源。近年來，高壓變頻器的應(yīng)用，為企業(yè)生產(chǎn)節(jié)能注入了新的動力，本文就高壓變頻技術(shù)在火電廠中的應(yīng)用展開論述。

1 研究背景及研究意義

1.1 研究背景

目前，我國的發(fā)電方式以火力發(fā)電為主，火力發(fā)電廠鍋爐生產(chǎn)依然以燃煤為主，將煤燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為蒸汽的熱能，再將高溫高壓的蒸汽經(jīng)過汽輪機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后由發(fā)電機(jī)將動能轉(zhuǎn)化為電能。在能量的轉(zhuǎn)化過程中，能耗消耗較為嚴(yán)重，同時燃煤會產(chǎn)生更多的二氧化碳和二氧化硫等有害氣體，最終引發(fā)溫室效應(yīng)和酸雨等一系列環(huán)境問題。我國的火力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用的變壓調(diào)頻技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)末，是通過改變電動機(jī)電源的頻率來改變速度。這種技術(shù)符合市場發(fā)展的要求，被廣泛認(rèn)可。其優(yōu)點(diǎn)是面對一些常規(guī)的能源（煤），在消耗時可以進(jìn)行機(jī)組調(diào)節(jié)，并在機(jī)組變化的基礎(chǔ)上完成設(shè)備泵和風(fēng)機(jī)流量的調(diào)節(jié)。對于火電廠，所有的泵和風(fēng)機(jī)類設(shè)備是通過閥門來控制節(jié)流的，但是這一步驟非常消耗電能。因此，為減少能源的消耗，實現(xiàn)火力發(fā)電廠的最大效益，就要對其進(jìn)行高壓改造。

1.2 研究意義

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，能源短缺問題越來越嚴(yán)重。電力行業(yè)雖然推動了社會的發(fā)展，但其污染性大，一直以來都是我國節(jié)能減排的主要對象。如今大型火力發(fā)電廠的鍋爐蒸發(fā)量高達(dá)100～200 t/h，各種設(shè)備對電量的需求非常大。假設(shè)電廠發(fā)電100 kW/h，其中約有8 kW/h左右的電會用于自身消耗，而風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)消耗占據(jù)了總消耗比重的大部分。高壓變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，正是針對風(fēng)機(jī)設(shè)備和泵類設(shè)備的變頻改造問題，對于推動和促進(jìn)我國相關(guān)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。該項技術(shù)的廣泛應(yīng)用不僅能夠降低火電廠的生產(chǎn)投資成本，還可以增強(qiáng)其市場競爭力。節(jié)能減排目標(biāo)的實現(xiàn)有助于企業(yè)樹立良好的社會形象。這與我國目前倡導(dǎo)的創(chuàng)造資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的目標(biāo)相符，對于社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極意義。

2 高壓變頻技術(shù)原理及其在火電廠節(jié)能中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 技術(shù)原理

高壓變頻技術(shù)指的是通過改變機(jī)械轉(zhuǎn)速的方式來降低機(jī)器磨損率，能夠有效保護(hù)設(shè)備使用，同時改善了設(shè)備的消耗問題。高壓變頻通常用在一二次風(fēng)機(jī)、給水泵及循環(huán)水泵等設(shè)備上。高壓變頻器裝置主要由五部分組成，分別是移相變壓器、水冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、功率單元及旁路柜等，可根據(jù)自身需求選擇是否配置輸出LC濾波器。裝置的每一相可分為3個功率單元，九個功率單元串聯(lián)在一起，構(gòu)成了整體變頻裝置。此外，每個功率單元內(nèi)的主電路結(jié)構(gòu)都是相同的，電路呈現(xiàn)最基本的“交-直-交”逆變形式，主要包括橋式逆變電路、橋式整流電路以及直流濾波電容。在三相整流橋的作用下，移相變壓器二次側(cè)輸出的三相交流電被轉(zhuǎn)化為直流電，隨后將其輸入逆變橋，電路便會發(fā)生逆變。SPWM可以有效控制開關(guān)器件的通/斷狀態(tài)，輸入到逆變橋中的直流電可轉(zhuǎn)化為交流電，且其電壓和輸出頻率均可進(jìn)行調(diào)整。輸出LC濾波器主要用于輸出電壓，經(jīng)過濾波操作將其轉(zhuǎn)化為非常接近于正弦波的輸出波形。此外，高頻變壓裝置還具備旁路功能，其在檢修期過程中可對旁路進(jìn)行連接操作，并在電動機(jī)上連接6 kV/50 Hz的交流電源，接確保電動機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。因此，針對施加到高壓電動機(jī)的電源，該裝置可改變其頻率和電壓，不僅節(jié)約了電能，而且為電動機(jī)的調(diào)速運(yùn)行提供了可靠保障[1]。

2.2 應(yīng)用條件

變頻調(diào)速技術(shù)在實際應(yīng)用中，常用的調(diào)節(jié)方式主要有直流調(diào)速和交流調(diào)速兩種。隨著技術(shù)的發(fā)展與完善，高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)日益成熟，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在火電廠風(fēng)機(jī)和泵類設(shè)備節(jié)能改造中發(fā)揮了重要作用。但該項技術(shù)的應(yīng)用需要具備一定的條件。第一，交流電動機(jī)的能量傳遞要通過電機(jī)內(nèi)部磁場的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，但若是電機(jī)的氣隙磁通量過大，此時的鐵心過于飽和，便會產(chǎn)生較大的勵磁電流，情況嚴(yán)重時可能會燒毀電機(jī)繞組；反之，若是電機(jī)的氣隙磁通量過小，電機(jī)便會出現(xiàn)出力不足的問題。針對這一問題，火電廠必須在變頻改造前加入儀器檢測環(huán)節(jié)，保證電機(jī)氣隙磁通量的穩(wěn)定性。第二，異步電機(jī)的變頻調(diào)速控制具有一定的特性，當(dāng)電機(jī)的供電頻率超過額定頻率時，其電壓并不會隨之變化，此時開展提頻工作，反而會縮小轉(zhuǎn)矩，削弱電動機(jī)氣隙的磁通量。當(dāng)額定頻率高于供電頻率時，將其認(rèn)定為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，此時電動機(jī)的氣隙磁通量保持最大值；當(dāng)額定頻率低于電頻率時，被稱作是恒功率調(diào)速，此時的電壓輸出保持最大值[2]。

2.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

對于火力發(fā)電廠，高壓變頻器的作用具體體現(xiàn)在兩方面。（1）降低風(fēng)機(jī)設(shè)備的耗能，減少阻力；（2）平衡水泵設(shè)備的功率，實現(xiàn)減荷目的。與以往的風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方式相比，應(yīng)用高壓變頻調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)的節(jié)能降耗水平在30%～50%；而水泵應(yīng)用高壓變頻調(diào)節(jié)，則可以實現(xiàn)20%～30%的節(jié)能水平。但是電力生產(chǎn)受自身重要、特殊性質(zhì)所影響，對高壓變頻技術(shù)要求十分高，在電力生產(chǎn)中使用高壓變頻技術(shù)面臨著許多難點(diǎn)。（1）電力生產(chǎn)所涉及的電網(wǎng)電壓波動對高壓變頻技術(shù)適應(yīng)能力提出了高要求，要求其能夠在-20%～+10%的電網(wǎng)電壓波動范圍內(nèi)正常運(yùn)行[3]。（2）變頻器雖然具備通用性能，但面對不同的組合設(shè)備，其仍然無法滿足設(shè)備的特殊要求，導(dǎo)致部分產(chǎn)品在投入使用后始終無法達(dá)到預(yù)期效果。設(shè)備運(yùn)行的安全性不高，對企業(yè)發(fā)展帶來了直接或間接的威脅。據(jù)了解，部分企業(yè)通常會選擇自行安裝變頻器，但由于安裝操作不規(guī)范，未達(dá)到產(chǎn)品環(huán)境條件，設(shè)備在使用過程中很有可能會出現(xiàn)散熱不佳、穩(wěn)定性差及控制效果不明顯等問題，使得設(shè)備的配合性和協(xié)調(diào)性降低。如果高壓變頻器出現(xiàn)障礙，則會導(dǎo)致整體電力生產(chǎn)系統(tǒng)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，如何在高壓變頻器出現(xiàn)故障時展開更近保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行對策，是使用高壓變頻技術(shù)面臨的難題。（3）高壓電纜安裝還不夠便捷，控制接口繁多，難以進(jìn)行集散操作。

2.4 需要注意的問題

當(dāng)代火電廠運(yùn)行所需的大型輔機(jī)設(shè)備，通常都是主機(jī)輔機(jī)成對存在的，設(shè)備性能較為全面，基本可以滿足機(jī)組的大部分需求。當(dāng)輔機(jī)處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時，變頻技術(shù)的應(yīng)用可能會適得其反，大大增加設(shè)備的耗電量。因此，首先選擇改造其中一臺輔機(jī)設(shè)備、另一臺設(shè)備保持不變的方式，使兩臺輔機(jī)在負(fù)荷較高或者較低的情況下都能夠?qū)崿F(xiàn)合理運(yùn)行，再加以相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備，用以調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。其次，異步電動機(jī)的變頻改造會對電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)造成一定影響。例如，鼠籠式異步電動機(jī)在變頻改造后，高次諧波出現(xiàn)，在定子電流中，設(shè)備的能耗增加，溫升也隨之變大，而運(yùn)行功率反而會降低。同時，高壓變頻器電容容量不會過度衰減，所以可以有效降低電動機(jī)的啟動電流，為設(shè)備的使用壽命延長創(chuàng)造有利條件。因此，火電廠設(shè)備應(yīng)用高壓變頻調(diào)速技術(shù)改造，必須綜合考慮多方因素，必要情況下應(yīng)當(dāng)增加變頻器旁路系統(tǒng)，提高生產(chǎn)的安全性和可靠性。最后，風(fēng)機(jī)和泵類設(shè)備的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方之間的關(guān)系呈正相關(guān)，變頻改造后往往會出現(xiàn)電機(jī)發(fā)熱量和電流下降的情況，說明不需要再進(jìn)行散熱處理。需注意，面對運(yùn)行頻率較低的場合，可以考慮強(qiáng)制性通風(fēng)冷卻，防止電動機(jī)過熱[4]。

3 結(jié) 論

高壓變頻技術(shù)日趨成熟，且生產(chǎn)技術(shù)水平不斷提高，對于企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營具有積極意義。現(xiàn)階段，高壓變頻技術(shù)憑借其環(huán)保、調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)勢，已被廣泛使用到各類生產(chǎn)制造行業(yè)的高容量電壓電機(jī)內(nèi)。高壓變頻調(diào)速技術(shù)的實際應(yīng)用，為火電廠泵與風(fēng)機(jī)設(shè)備提供了科學(xué)的技術(shù)支撐，節(jié)能減排工作取得了良好成效。其中，高壓變頻器在電動機(jī)的泵和風(fēng)機(jī)設(shè)備中的應(yīng)用，更是發(fā)揮了顯著的節(jié)能降耗效果。