火電廠變頻技術(shù)應(yīng)用分析

袁路路，楊緒義

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000；2.南陽鴨河口發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 南陽 473000)

由于能源供應(yīng)的日趨緊張，我國電力系統(tǒng)分階段實(shí)施電廠與電網(wǎng)分離、電能競價(jià)上網(wǎng)的政策，通過分階段實(shí)施，逐步實(shí)現(xiàn)同網(wǎng)、同質(zhì)、同價(jià)的公平競爭，從而促進(jìn)電力生產(chǎn)力的充分發(fā)揮。這就促使發(fā)電廠改造已有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)成本，節(jié)能減排降耗。火力發(fā)電廠中，廠用電率是影響電廠經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)。包括電動機(jī)、照明、超暖通風(fēng)等設(shè)備耗用的電能，電廠輔機(jī)中風(fēng)機(jī)、水泵類占廠用電率約75%。風(fēng)機(jī)水泵可能存在負(fù)載所需的功率遠(yuǎn)小于電動機(jī)的額定功率也就是常說的“大馬拉小車”的現(xiàn)象，機(jī)組人員滿負(fù)荷工作運(yùn)行時(shí)，風(fēng)門開啟程度只有25%～30%，風(fēng)機(jī)設(shè)備風(fēng)閥調(diào)節(jié)性能差，風(fēng)閥運(yùn)行在極小的開啟狀態(tài)，增加了風(fēng)阻。因此，選擇合適的高低壓廠用電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，使用變頻調(diào)速技術(shù)對一次風(fēng)機(jī)和凝結(jié)水泵等設(shè)備進(jìn)行改造，進(jìn)而達(dá)到降低廠用電率、提高經(jīng)濟(jì)效益、降低發(fā)電成本的目的。隨著我國經(jīng)濟(jì)的日益高速發(fā)展，發(fā)電廠的數(shù)量和裝機(jī)容量的持續(xù)增加，負(fù)荷變動情況錯綜復(fù)雜，發(fā)電機(jī)組必須適時(shí)調(diào)峰，根據(jù)實(shí)際的負(fù)荷變化而變化，這一點(diǎn)也越來越依賴于變頻調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)。

發(fā)電廠中廠用電動機(jī)的故障，15%左右是由電機(jī)硬啟動時(shí)產(chǎn)生的過大電流及大電流在電機(jī)繞組端部產(chǎn)生的過大電磁力引起的，電廠的調(diào)峰運(yùn)行會使得電機(jī)啟停次數(shù)的增多，從而導(dǎo)致了設(shè)備故障率的增加，縮短了電動機(jī)的使用壽命 ，使得設(shè)備的檢修費(fèi)用和運(yùn)行的人力成本大大增加。變頻調(diào)速裝置可以實(shí)現(xiàn)平滑無極調(diào)速，特別是高壓變頻器的使用能夠獲得更多的節(jié)能。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國火電廠中廠用電設(shè)備的一次風(fēng)機(jī)和凝結(jié)水泵類進(jìn)行變頻調(diào)速改造后，節(jié)電率可達(dá)到20%～50%。因此，為了在市場大環(huán)境下滑的情況下提高發(fā)電企業(yè)的市場競爭力，控制成本獲得更多的盈利，可以通過對發(fā)電廠的輔機(jī)設(shè)備，特別是一次風(fēng)機(jī)和凝結(jié)水泵的電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造，進(jìn)而最大程度地降低火力發(fā)電廠的生產(chǎn)成本。

1 變頻器的工作原理

作為一項(xiàng)新技術(shù)，交流變頻調(diào)速技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)無級平滑調(diào)速，能夠減小電機(jī)的啟動電流、起動轉(zhuǎn)矩大，具備調(diào)速精度高、容易實(shí)現(xiàn)自動化控制、效率高等特點(diǎn)，以顯著的節(jié)電效果和廣泛的適用性，成為電氣控制技術(shù)改造的主要方向[1]。交流變頻調(diào)速技術(shù)目前通過改變脈沖寬度調(diào)制電壓輸出波形進(jìn)行控制，即PWM方式。從工作原理上說目前最優(yōu)異方式為空間矢量控制變頻器，模擬直流電機(jī)的調(diào)節(jié)方式，是較為理想的一種調(diào)速方式[2]。

異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為

(1)

式中：n為電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；p為電動機(jī)的磁極對數(shù)；s為電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率；f為電源頻率，Hz。

從式(1)中可以看出，磁極對數(shù)一定，轉(zhuǎn)差率不變時(shí)，通過改變同步轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變電源頻率，同時(shí)，頻率的降低會導(dǎo)致磁通量的增加，所以降頻的同時(shí)還要降壓，這應(yīng)由電機(jī)的工作頻率和不同的電壓大小來進(jìn)行協(xié)調(diào)管理控制，所以稱之為一個(gè)可變頻率可變電壓調(diào)速系統(tǒng)，即變頻調(diào)速[3]。

泵的功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

(2)

式中：N為功率，kW；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

從式(2)中已知，功率的三通方形和速度，并且減速速度可以大大降低功率。對于一個(gè)水泵，流量與轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)流量從100%降低到75%時(shí)，速度降低到75%，電機(jī)功耗降低到30.4%，即節(jié)省69.6%的電能。考慮到調(diào)節(jié)閥門時(shí)功耗，實(shí)際功耗與額定功耗的差值，以及轉(zhuǎn)速下降引起電機(jī)的效率下降等因素，節(jié)電效果還是相當(dāng)顯著的。

2 變頻調(diào)速技術(shù)在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用

2.1 節(jié)能應(yīng)用

變頻器可以依據(jù)負(fù)載的變化情況自動調(diào)節(jié)電機(jī)的頻率，這樣既滿足負(fù)載的需要又能起到節(jié)能的作用[4]。電機(jī)的能耗與轉(zhuǎn)速成3次方關(guān)系，假設(shè)電機(jī)在85%額定轉(zhuǎn)速工作，其功耗可降至61.4%。將變頻器應(yīng)用于凝結(jié)泵的電流做出以下比較(見表1)：

表1 凝結(jié)泵改造前后電流比較

依據(jù)表1，估算對凝結(jié)泵進(jìn)行變頻改造后的情況：

按平均每年190 MW估算，年利用率按300天計(jì)算，有

以電價(jià)0.21元/kW·h-1計(jì)算，每臺凝結(jié)泵可節(jié)約20.3萬元/年。

2.2 軟起動應(yīng)用

電機(jī)直接起動時(shí)的沖擊電流最大值能夠達(dá)到額定電流的5～7倍，星三角啟動也能達(dá)到額定電流的4～5倍，在短暫的啟動過程中，電機(jī)的繞組會承受很大的應(yīng)力，超過端環(huán)的承受能力時(shí)就會出現(xiàn)斷裂。電機(jī)啟動時(shí)的大電流還會產(chǎn)生過大的沖擊轉(zhuǎn)矩，造成電動機(jī)端環(huán)斷裂，定子端部繞組絕緣的機(jī)械磨損，導(dǎo)致繞組發(fā)熱，使得電機(jī)絕緣老化導(dǎo)致?lián)舸龣C(jī)。啟動時(shí)的大電流還會造成電機(jī)鐵心振動，使得鐵心松弛進(jìn)而可以引起電動機(jī)發(fā)熱。凝結(jié)泵改造為變頻運(yùn)行之后，從啟動的負(fù)荷曲線可以看出，啟動時(shí)沒有出現(xiàn)大電流沖擊，電流平穩(wěn)地隨著轉(zhuǎn)速的上升而增大，不會超過額定電流，解決了硬啟動時(shí)大電流帶來的一系列問題。使得電機(jī)帶動負(fù)載后能更好地適應(yīng)負(fù)荷的變化，不會產(chǎn)生沖擊電流，不會引起電網(wǎng)電壓的波動，使電網(wǎng)進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。另外直接啟動可能造成的電動機(jī)繞組發(fā)熱絕緣老化甚至燒毀等事故，給發(fā)電廠主機(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行帶來威脅，因此鍋爐和汽機(jī)類輔機(jī)的電動機(jī)采用變頻調(diào)速軟起動方式，對于電機(jī)的安全運(yùn)行、延長檢修周期，提高調(diào)節(jié)效率，降低了設(shè)備的損壞幾率，節(jié)約了日常維護(hù)的費(fèi)用。另外，變頻調(diào)速系統(tǒng)本身能夠?qū)崿F(xiàn)過壓保護(hù)，過流、過載保護(hù)等完善的電氣保護(hù)功能，能夠確保設(shè)備安全工作。

2.3 控制應(yīng)用

火力發(fā)電廠汽機(jī)和鍋爐等各種輔機(jī)設(shè)備中，各類風(fēng)機(jī)和水泵類設(shè)備占80%以上。結(jié)合輔機(jī)運(yùn)行工況，隨著電廠調(diào)峰力度的增大，需要對風(fēng)機(jī)水泵進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，可以在風(fēng)機(jī)水泵電機(jī)上設(shè)置電氣旁路，正常情況下電動機(jī)變頻運(yùn)行，當(dāng)變頻控制器有故障時(shí)，自動選擇到工頻工作。如圖1所示，進(jìn)行如下改造：

圖1 加裝變頻器的電氣主回路

(1)對電動機(jī)進(jìn)行可調(diào)頻率可調(diào)電壓控制，原來連接的動力電纜不變，但為防止高頻信號干擾，影響其他儀表及保護(hù)回路，將原電纜使用鋼帶接地，變頻器控制線使用屏蔽電纜。

(2)電廠重要輔機(jī)使用工頻運(yùn)行與變頻器運(yùn)行回路并聯(lián)的方式，在變頻調(diào)速系統(tǒng)不能正常工作時(shí)，自動調(diào)整為工頻運(yùn)行，做到安全第一，節(jié)能第二；每臺發(fā)電機(jī)組配備兩臺凝結(jié)水泵，采用明備用方式。使用一拖二模式的自動工/變頻切換，使用一拖二的控制方式可以提高變頻調(diào)速設(shè)備的利用率，達(dá)到最優(yōu)的節(jié)能效果。

(3)變頻器使用控制就地控制和遠(yuǎn)方調(diào)度中心控制，這里重點(diǎn)介紹遠(yuǎn)方控制，監(jiān)控中心通過操作面板，既可以遠(yuǎn)程調(diào)控，又可以實(shí)時(shí)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，加上聲光報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備可靠運(yùn)行調(diào)整，記錄并處理突發(fā)事件。

(4)電源主回路改造使用微機(jī)型保護(hù)元件作為設(shè)備的后備保護(hù)，調(diào)整變頻器的頻率上下限，防止因故障而造成電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降至零點(diǎn)造成停機(jī)等嚴(yán)重故障，使電廠重要輔機(jī)工作的安全性得到保障。

(5)加裝電氣連鎖回路，變頻器一旦發(fā)生故障，啟動備用電機(jī)或旁路開關(guān)冗余備份，避免電廠發(fā)生重特大事故，造成重大損失[5]。

如圖2所示，某火電廠進(jìn)行凝水泵和風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速改造，改造總?cè)萘繛? 900 kW。改造后凝結(jié)水泵出口閥門始終處于全開位置，通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率改變水泵轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵流量，調(diào)節(jié)除氧器水位的目的，機(jī)組所帶負(fù)荷是不斷變化的，變頻器的輸出也隨之調(diào)整，變頻器運(yùn)行穩(wěn)[6]，調(diào)整性能良好。

圖2 電動機(jī)變頻改造前后性能對比

3 結(jié) 論

火力發(fā)電采用變頻調(diào)速技術(shù)，已充分顯示出其優(yōu)越性，并逐步替代了傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式，是目前電廠電機(jī)節(jié)能改造、保障主機(jī)安全運(yùn)行的最為有效的方式。變頻調(diào)速系統(tǒng)可以進(jìn)行定制的設(shè)定、控制器的投停、主機(jī)保護(hù)、調(diào)速系統(tǒng)自檢、事件記錄等功能[7]，并且減少了發(fā)電廠的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)、檢修費(fèi)用，縮短了停產(chǎn)周期，節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)效益十分突出。在新電廠建設(shè)和老舊電廠改造中， 變頻器將在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，節(jié)能降耗和調(diào)速方面具有更為廣闊的應(yīng)用前景。