1 000 MW機組引風機節能優化設計

關榕炆，田 斐

（南陽理工學院，河南 南陽 473004）

我國的大部分基礎產業都與電力密切相關，是經濟發展命脈的重要影響因素。目前，我國的經濟穩步發展，工業化也穩步推進。國民日常生活以及工業生產的電力需求增加。

我國的火力發電量占總發電量的70%以上，由于火力工業的高能耗、高污染，火力工業處于節能減排的主要開創性方向[1]。并且，未來解決我國用電缺口的主要方式仍然是火電建設，我國還在能源問題上確立了“節能與發展平衡”的政策。依靠技術進步節約能源，解決能源問題。

目前，我國的機電設備約占風力渦輪機電機的3/5。用電量約占我國總發電量的30%。其中，風機是耗能最大的電氣設備之一。本文以某電廠的項目為基礎，選用其電廠的1 000 MW機組為研究對象，進行風機節能優化設計，優化引風機參數，設計引風機節能改造方案，分析實際效果，最終驗證通過變頻調速來實現引風機節能的必要性和可行性。

1 變頻調速節能原理

采用調速控制裝置，通過改變風機水泵轉速，從而改變風機風量和水泵流量以適應生產工藝的需要，這種調節方式稱為風機水泵的調速控制[2]。風機、水泵以調速控制方式運行能耗最省，綜合效益最高。交流電機的調速方式有多種，變頻調速是最佳的調速方案，其可以實現風機水泵的無級調速，而且可以方便地組成閉環控制系統，實現恒壓或恒流量控制。

對于風機類負載來說，其輸出功率與正常運行時運轉速n之間呈現P=kn3的關系，電動機正常運行時的輸出功率與其轉子轉速的立方成正比[3]。因此，當風機轉速下降時，風機消耗的功率按立方成正比進行變化。根據異步電動機轉速公式可知，當改變電源頻率時，轉速n與頻率呈正相關關系，使運行轉速n發生變化，因此轉速可以隨著電源頻率的變化而變化。當異步電動機穩定的運行時，電源電壓不會發生改變，調速過程中，使頻率降低，因為電壓保持恒定，磁通增大，鐵芯內的磁電流也增大，磁路達到飽和，勵磁電流也隨之增大，磁芯和調速線圈過熱，使得功率因數降低，因此，通常通過改變電源電壓U1，并使U1和f1形成一定的相關性[4]。并且，僅靠改變電源的頻率，功率的變化率很低，所以要加入1個恒壓頻比系數，在改變頻率的同時，使電壓也成比例變化，使功率有明顯的降低，從而達到良好的節能效果。

2 變頻調速系統仿真及結果分析

2.1 變頻調速仿真研究

引風機變頻調速模塊框圖如圖1所示，本次引風機變頻調速的總體設計主要由以下3部分組成，即整流逆變部分、變頻部分及濾波部分。每一個部分在總體設計電路里發揮著不同的作用，缺一不可。

圖1 引風機變頻調速模塊框圖

根據變頻調速模塊框圖在MATLAB里搭建的仿真模型如圖2所示，并簡要說明重要模塊。

圖2 引風機變頻調速仿真模型

2.1.1 整流和逆變部分的設計

在三相電源的后面接入1個不可控整流橋，將電源中輸出的交流電輸入至整流器中，通過整流器將交流電轉變為直流電，之后再接入1個逆變器模塊，將輸入逆變器模塊的直流電再轉變為交流電，輸入到下1個模塊，即濾波器模塊。

2.1.2 變頻部分的設計

實現引風機節能改造，需要1種頻率與電壓協調控制的三相整流電，即改變電路的頻率，輸出的電壓也隨之改變。所以，需要在節能改造中加入變頻裝置。調頻模塊的作用是通過改變不同負載條件下的工況，即改變不同負載條件下的輸入頻率，電機的轉速會隨著頻率的變化而發生改變。本次設計采用恒壓頻比調頻，仿真時在SPWM模塊之前加1個恒壓頻比系數，在負載條件不同的情況下，頻率發生改變，電壓也隨之發生變化，確保電壓與頻率的比值是一個定值[5]。PWM模塊連接在整流器與逆變器之間，逆變橋交流側輸出為1組等幅而不等寬的矩形脈沖波形。

2.1.3 濾波部分的設計

電感與其并聯的電容共同構成濾波部分，電感起到通過直流隔離交流的作用，電容起到隔離直流通過交流的作用。濾波器接于變頻裝置和電機之間，可以濾除電壓波形中的諧波，使送到電機端的波形近似為標準的正弦波，從而減少誤差。

2.2 變頻調速仿真結果分析

2.2.1 變頻之前仿真結果分析

（1）100%工況（50 Hz）。電機的輸入功率、電機轉速、轉矩和電流的波形圖如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

圖3 100%工況下變頻前輸入功率波形圖

圖4 100%工況下變頻前轉速波形圖

圖5 100%工況下變頻前轉矩波形圖

圖6 100%工況下變頻前電流波形圖

（2）75%工況（37.5 Hz）。電機的輸入功率、電機轉速、轉矩和電流的波形圖如圖7、圖8、圖9和圖10所示。

圖7 75%工況下變頻前輸入功率波形圖

圖8 75%工況下變頻前轉速波形圖

圖9 75%工況下變頻前轉矩波形圖

圖10 75%工況下變頻前電流波形圖

（3）50%工況（25 Hz）。電機的輸入功率、電機轉速、轉矩和電流的波形圖如圖11、圖12、圖13和圖14所示。

圖11 50%工況下變頻前輸入功率波形圖

圖12 50%工況下變頻前轉速波形圖

圖13 50%工況下變頻前轉矩波形圖

圖14 50%工況下變頻前電流波形圖

從波形圖中可看出，在未經變頻調速節能之前的電機運行在3種工況下，隨著工況的降低，輸入功率有降低趨勢但仍然較大，轉速隨頻率降低而降低，電流稍有減少，但仍然很大，轉矩也很大，耗能有所減少，但是耗能情況仍就比較嚴重。

2.2.2 變頻之后仿真結果分析

對電機變頻調速節能改造之后，通過改變輸入的電壓頻率來實現負載條件的改變。所以在改變輸入頻率的情況下，乘上恒壓頻比系數，即電機的額定電壓與額定頻率的比值，讓不同工況下的輸入電壓也隨之發生改變，最終達到變頻調速的目的。

（1）100%工況（50 Hz）。電機的輸入功率、轉速、轉矩和電流的波形如圖15、圖16、圖17和圖18所示。

圖15 100%工況下變頻后輸入功率波形圖

圖16 100%工況下變頻后轉速波形圖

圖17 100%工況下變頻后轉矩波形圖

圖18 100%工況下變頻后電流波形圖

（2）75%工況（37.5 Hz）。電機的輸入功率、轉速、轉矩和輸入電流的波形如圖19、圖20、圖21和圖22所示。

圖19 75%工況下變頻后輸入功率波形圖

圖20 75%工況下變頻后轉速波形圖

圖21 75%工況下變頻后轉矩波形圖

圖22 75%工況下變頻后電流波形圖

（3）50%工況（25 Hz）。電機的輸入功率、電機轉速、電機轉矩和電機電流的波形如圖23、圖24、圖25和圖26所示。

圖23 50%工況下變頻后輸入功率波形圖

圖24 50%工況下變頻后轉速波形圖

圖25 50%工況下變頻后轉矩波形圖

圖26 50%工況下變頻后電流波形圖

從波形圖可以看出，經變頻調速改造之后，電機運行在100%工況下，需要耗費較大的輸入功率，電流也很大，電機的轉矩也很大，轉速近似等于額定轉速并逐漸趨于平穩。與變頻調速之前的100%工況相比，輸入功率略微降低但并沒有明顯的變化，75%工況下，輸入功率也比變頻前的75%工況下有所減小，達到了一定的節能效果。在50%工況下，數據都低于其余2個負載工況下的結果。與變頻調速節能前的50%工況下相比，輸入功率明顯降低。節能效果十分顯著。

3 節能計算

3.1 節能量計算

對在3種工況下的變頻調速節能改造前、后的輸入功率進行計算，分別比較同種工況下的輸入功率，然后算出節能量。最終驗證變頻調速可以得到良好節能效果。

3.1.1 變頻節能之前

3.1.2 變頻節能之后

3.1.3 節能量計算

從仿真和計算中可以看出，在100%工況下，即滿載條件下，節能效果不明顯，但隨著頻率的降低，節能量越來越大，節能效率也逐漸增大，節能效果越來越明顯，充分驗證了變頻調速可以達到良好節能效果這一結論，驗證了通過變頻調速來實現引風機節能的必要性和可行性。

3.2 節能效益計算

以75%工況下的節能量為例，假設火力發電廠機組每年運行7 000 h，那么1臺風機1 a就可節約536.2×7 000=375.34萬度電。假設一度電0.5元，那么1臺引風機1 a就可節約375.34×0.5=187.67萬元，數據非常可觀，說明了變頻調速可以達到良好的節能效果。

4 結論

風機是我國大型火力發電廠中最為耗電的電氣設備。本文針對風機的節能問題進行研究。通過變頻器來進行調速，改變電機的輸入頻率，使電機運行在不同的工況下，從而使不同工況下的電機的轉速發生改變，通過比較節能前后輸入功率的大小來驗證不同工況條件下的節能效果，降低能耗，降低火力發電生產成本。為了滿足我國風力電廠日益增加的風力節能環保技術要求，對風力變頻器節能改造生產工藝的改進需要越來越明顯。變頻節能改造不僅使某1 000 MW的引風機得到良好的節能效果，同時，引風機電機設備的變頻節能改造對于如冷凝泵、一次式高壓風機等風力發電廠中其他重要的電力輔機的節能具有借鑒作用[6]，值得去將此技術推廣。