高壓變頻技術在火電廠中的節能應用

張云飛

（江蘇大唐國際呂四港有限責任公司，江蘇 啟東226200）

1 概述

在火力發電過程中，用電率是對發電廠經濟效益有重大影響的一個經濟指標，降低發電廠發電用電率對降低發電成本有絕對的促進作用。在過去一段時間內，我國發電廠的用電率多數在6%至10%之間，近年來隨著大功率機組的大量使用，發電廠用電率得到了有效的控制，（舉例來說，300MW發電機組的用電率要遠高于600MW的發電機組），降低發電廠發電用電率一方面能夠對電能緊張情況加以緩解，另一方面能夠在一定程度上提升發電廠的經濟效益。通常來說，在火電廠中火電機組的一些主要輔機設備（泵和風機等）在發電過程中會消耗大量的電能，因此要想降低廠用電率應該重點從降低泵和風機等耗能較大的輔機設備入手，高壓變頻技術再此背景下應運而生，具有巨大的可開發性和可利用性。

2 高壓變頻器的運行原理

變頻器就是在電力半導體器件通斷的作用下將某一電源頻率轉換成為另一種頻率的控制裝置，變頻器主要可以分為交- 交變頻器和交- 直- 交變頻器兩種，本段將對高壓變頻器的基本組成和基本分類進行簡要的介紹。

2.1 高壓變頻器的基本組成

圖1

2.1.1 硬件組成。高壓變頻器的基本構成如圖1 所示，各組成結構的功能可以總結如下：整流電路：變頻器中的整流電路主要的作用是對工頻外部的電源進行整流，給整個體統提供一定的直流電壓和直流電源。逆變電路：逆變電路是高壓變頻器最重要的組成構件之一，逆變電路的主要作用是將電路中輸出的直流電壓轉換為交流電源，這種交流電源的電壓和頻率都可以根據實際需求進行調整。變頻器的輸出也就是逆變電路的輸出，逆變電路能夠對異步電動機的速度進行良好的控制。中間直流環節：中間直流環節的主要作用是對整流電路的輸出進行平滑，在中間直流環節的作用下，逆變電路和控制電源能夠獲得較高質量的直流電源。控制電路：高壓變頻器系統電路的核心部分就是控制電路，控制電路主要由主控制電路、信號檢測電路、門極驅動電路、外部接口電路和保護電路組成。高壓變頻器性能的好壞受控制電路控制效果的影響極大，如果控制電路良好的運行效果，檢測電路得到的各種信號就會被快速完整的輸送到運算電路中，進而為高壓變頻器的主電路提供相應的門極驅動信號，對高壓變頻器提供必要的保護措施。2.1.2 軟件組成。電機系統：電機系統是高壓變頻器最基本和最重要的組成部分，其中包括電機的啟制動功能、調速功能和轉向控制功能等。狀態監測：狀態監測軟件是高壓變頻器中必不可少的軟件系統，它對高壓變頻器的最終可用度具有絕對的影響。狀態監測軟件能夠對變頻器的電壓、電流等一些關鍵參數進行實時監控，相關人員能夠通過監測數據對整個系統的運行情況加以判斷。故障處理系統：在運行過程中如果狀態監測系統檢測到系統內部存在故障，我們應該及時的對故障部位和故障內容加以判斷，通常來說常見的故障包括過電流、過電壓、超負載、過熱和缺相等。故障處理系統的主要作用就是針對系統存在的不同故障進行不同的處理，使系統重新恢復正常使用狀態。

2.2 變頻器的分類

圖2

2.2.1 交- 交變頻器。如圖2 所示，為交- 交變頻器電路原理圖，這種變頻器輸出的每一相都是由兩組晶閘管整流裝置反向并聯起來的可逆電路，如果能夠讓兩組變流電路進行交替式工作，就能夠輸出給負載一定頻率的交流電。當正組在整流狀態下工作，反組在逆變狀態下工作時，異步定子繞組將會得到正向的電壓，反之異步定自繞組將會得到負電壓。交- 交變頻器的功率因數和輸出頻率都較低，因此這種變頻器主要適用于轉速在每分鐘600 轉以下，500KW 或1000KW以上的低轉速、大功率的交流調速裝置。2.2.2 交- 直- 交變頻器。交- 直- 交變頻器主要分為可控整流器調壓、逆變器調頻的交- 直- 交變頻器裝置，不可控整流器整流、斬波器調壓、再逆變器調頻的交- 直- 交變頻器裝置和不可控整流器整流、脈寬調制逆變器同時調壓調頻的交- 直- 交變頻器裝置。其中第一種裝置調壓和調頻是在兩個不同的環節上分別進行的，這種變頻器具有結構簡單、控制方便等特點，一些早期使用的變頻器都屬于此類結構。第二種變頻器裝置的整流環節采用的是二極管不可控整流器，這種整流器僅具有整流的作用而不具備調壓作用，因此需要單獨建立一個斬波器，運用脈寬進行調壓。對于這種變頻器裝置來說，運行過程中多了一個環節，但是在進行調壓時輸出功率的因數十分穩定，是一個較為明顯的優勢。第三種變頻器裝置采用的是不可控整流、輸出功率的因數不發生改變，且采用這種逆變器輸出電流的諧波較小，脈寬調制逆變器通常采用的是全控型器件，逆變器功率器件的開關頻率對其輸出諧波減少度有明顯的影響。

3 高壓變頻技術在火電廠節能中的具體應用

3.1 在風機中的節能分析

在火力發電廠中，風機是一個極其重要的輔助設備，鍋爐的風機具有極大的耗電量，近年來隨著發電廠火電機組容量的不斷增加，電站鍋爐中風機的容量也逐漸增大，因此如果能有效提升鍋爐風機的運行效率則能夠大大降低發電廠的用電率。當前，我國電站風機的運行效率受到風機調速性以及最高效率點的影響，其運行工況點與設計高效點存在一定的偏差，進而運行效率較為低下。對于采用調節門調節的風機來說，二者的偏離度越大，則運行效率下降越快，也就是說，如果風機的型號與管網系統的參數配合度不高，那么調節門就會消耗掉一大部分電量，因此改進離心風機的調節方式是減少風機耗電量的有效途徑。對于風機調速節能改造我們有以下方案：當風量裕度不高于10%時，不必使用變速調節，僅使用調節閥門調節即可。對于風量裕度大于10%的情況，可以采用安裝變頻器進行調節，安裝變頻器后風機在啟動時能夠降低其產生的瞬間沖擊力，能夠對電動機和風機同時發揮一定的保護作用。另外，經數據統計，在風機上安裝變頻器后，能夠節約近三成的電量，大大的降低了發電成本。

3.2 在水泵中的節能分析

給水泵：給水泵與風機情況類似，在設計中通常留有較大的富余量，造成一定的浪費現象，而如果能夠在給水泵設計中使用高壓變頻技術則能夠最大程度的降低這種浪費，有效提升資源的利用率。

循環水泵：火電機組中為凝汽器系統提供冷卻水的設備就是循環水泵，一臺發電機組配備兩個循環水泵，通常情況下在冬季啟用一臺水泵即可，而在夏季則需要啟用兩臺水泵。當前發電機組中大部分循環水泵都采用了軸流泵，其特點是動葉可調，但是這種軸流泵的缺點是只能進行定速運行，無法根據季節的變化而相應的進行速度變化，因此經常會造成大量循環水的流失浪費。如果在循環水泵中增加變頻調速器后，就能夠較好的克服這個缺點，在節約冷卻水的同時，降低了生產能耗。

4 高壓變頻器應用過程中應注意的問題

首先，從發電廠的性質方面考慮，決定了高壓變頻器必須具有一定的可靠性，從而保證發電廠的生產安全。其次應該盡量與電廠的運行條件相適應，高壓變頻器應該具有一定適應電壓變化的能力。最后需要注意的是，高壓變頻器的體積較大，通常長度可達到四至五米，因此在設計安裝時應該預留出足夠的安裝空間，另外空間內部通風散熱情況必須良好，因此對于布置優化方面要求相對較高。

總結來說，火電廠使用高壓變頻技術對輔機設備進行控制調節，能夠有效的降低生產能耗，增加生產經濟效益，因此在新建項目中應積極規劃設計高壓變頻器的安裝使用。相信在未來，如果高壓變頻技術能夠廣泛推廣，必然能夠在發電過程中節約大量能源，改善發電機組的運行性能，進而使火電廠擁有更大的經濟效益和社會效益。