高压交流变频调速技术在火力发电厂的应用
长春工程学院电气工程与自动化05级
卢斌
内容摘要：介绍变频调速的方法和节能原理，对高压变频调速同液力耦合器调速进行经济比较，分析了风机、水泵的节能情况，认为变频调速技术方案已经成熟，节电效果显著，一定会在各电厂得到广泛应用。
关键词：变频； 调速； 液力耦合器； 节能； 降低厂用电
高压交流变频调速是2O世纪9O年代迅速发展起来的一种新型调速技术，其性能胜过其它任何一种调速方式(如：降压调速、变极调速、滑差调速、内反馈串级调速和液力耦合调速)。它以显著的节能效益，高精度，宽范围，完善的电力电子保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利，使之成为国内外企业采用电机节能方式的首选。
1 变频调速的方法及节能原理通过流体力学的基本定律可知：风机、水泵类
设备均属平方转矩负载，其转速 与流量Q、压力(扬程)H 以及轴功率P具有如下关系： Q1／Q2一 1／ 2 (1)
Hl／H 2一( 1／ 2) (2)
Pl／P2一( 1／ 2) (3)
式中，Q、、P —— 风机(或水泵)在7\"／ 转速时的流量、压力(或扬程)、轴功率； Q、H、P ——。风机(或水泵)在 转速及相似工况下的流量、压力(或扬程)和轴功率。 由公式(1)、(2)、(3)可知，风机(或水泵)的流量与其转速成正比，压力(或扬程)与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。
由公式(3)可知，在其它运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速度，其节电效果是与转速降落成立方的关系，节电效果非常明显。例如若工况只需要5O 的风量或水量，则可以将电机的转速调节为额定的一半，此时电机消耗的功率仅为额定的12．5 ，即理论上节能可达87．5 。
2 高压变频调速系统与液力耦力器比较
2．1 液力耦合器存在的主要缺陷
火力发电厂一般采用液力耦合器进行风机调速，由于液力耦合器本身具有如下技术缺陷，在电厂中将无法较好地满足安全生产的要求。
(1)液力耦合器调速属耗能型调速方式，在调速范围较大时，产生机械损耗和转差损耗，消耗能量，效率较低，节能效果一般。
(2)液力耦合器是一种以液体为介质，靠液体动量矩的变化传递能量的装置，工作时是通过一导管调整工作腔的充液量，从而改变传递扭矩和输出转速来满足工况要求。因此，对工作
腔及供油系统需经常维护及检修。
(3)液力耦合器故障时，无法再用其它方式使其拖动的风机运行，必须停电检修。
(4)采用液力耦合器时，在低速向高速运行过程中，延迟性较明显，不能快速响应，同时这时候的电流较大，如整定不好会引起跳闸，影响系统
的安全稳定性。
(5)液力耦合器本身控制精度差，调速范围窄，通常在4O％～9O％之间。
(6)电机启动时，冲击电流较大，影响电网的稳定性。
(7)在高速运行时，液力耦合器有丢转现象，严重时会影响正常运行。从以上情况来看，如果继续使用液力耦合器，将会制约电厂节能降耗、降低生产成本、提高生产效率、增加企业竞争力的目的。
2．2 高压变频器的优点
同传统的液力耦合器比较，高压变频器具有以下优点：
(1)采用先进的拓扑结构与输入变压器副边多级绕组移相整流技术，减少了输出侧的电流谐波，提高了功率因数，解决了对电网的谐波污染，无需任何滤波或功率因数的补偿。
(2)电动机实现了真正的软启动、软停运，变频器提供给电机的无谐波干扰的正弦波电流，峰值电流和峰值时间大为减少，可消除对电网负载的冲击，避免产生操作过电压而损伤电机绝缘，延长了电动机和风机、水泵的使用寿命。同时，变频器设置共振点跳转频率，避免了风机、水泵会处于共振点运行的可能性，使风机、水泵工作平稳，轴承磨损减少，启动平滑，消除了机械的冲击力，提
高了设备的使用寿命。
(3)变频器自身保护功能完善，同原来继电保护比较，保护功能更多、更灵敏，瞬间过流保护(超过200 额定电流峰值)10 s动作，有效过流保护(15O％额定电流)3 S动作，过载保护(12O％额定电流)1 rain动作，大大加强了对电动机保护
的可靠性。
(4)调速工段内的设备调节和优化控制由机组DCS完成，DCS负责采集模拟量、开关量等信号，变频器输出的模拟量、开关量信号全部进入DCS系统，形成闭环控制，同时实现相关辅机联锁功能等。
(5)采用变频调节，实现了挡板、阀门全开，减少了挡板、阀门节流损失，且能均匀调速，满足调峰需要，节约了大量的电能，具有显著的节电效果。
(6)整机的运行噪音改善明显。采用液力耦合器时，无论低速高速，由于电机均处于工频运行，整机的噪音明显，达到9O dB左右；但是进行变频改造后，整机的运行频率下降至40 Hz左右，电机的运行噪音明显下降，低于8O dB，在低速运
行时基本上听不到噪音，达到65 dB以下，大大改善了现场的噪音污染。
(7)由于电机降速运行及工作在高效区，电合器时的59℃下降至44 C，电机前后轴承的温度都有相应的下降，延长了风机系统的使用寿命。
(8)低负荷下转速降低，减少了机械部分的磨损和振动，延长了风机大修周期，可节省大量的检修费用。
(9)日常维护保养工作量和费用下降。采用液力耦合器估计每年的维护费用在5万元左右，采用变频器后，这项费用下降为数千元左右。
(10)采用液力耦合器时的调速范围具有很大限制，而用变频器可实现智能调速，调频范围0～ 50 Hz，大大地增强了工艺调节能力。
2．3 高压变频调速同液力耦合器调速经济比较为了检测高压变频装置的节能情况，某电厂在风机上采用液力耦合器与某公司的Harsvert—A高压变频装置调速做对比试验，数据如下。
(1)采用变频器拖动风机时高速状态：
P1= ~／r Ulcos~=1．732×6．3×40．2×0．96= 419．01(kW )
低速状态：
P2=、／r Ulcos~=1．732X 6．3X18×0．95— 186．59 (kW )
平均功率P=P X 0．8+P。X 0．2—372．52(kW)(高速状态约8O ，低速状态约2O％)。
(2)采用液力耦合器时
高速状态：P L =、／r Ulcos~=1．732X 6．3X 52X 0．93=527．68(kW )
低速状态：
P2 一~／3 Ulcos~=1．732X 6．3×44×0．9—432．1(kW )
平均功率P 一P1 ×0。8+P2 ×0。2—508．56(kW)(高速状态约8O ，低速状态约2O )。
(3)节能率对比
F 一(P 一P)／P一(508．56—375．52)／508．56— 26．17
由此得出结论：变频改造后，风机运行效率明显提高，比液力耦合器调速节电26．17 。
3 变频器节能分析
火力发电企业消耗的厂用电量中，75 以上的负荷为水泵与风机，这些水泵与风机都是经过调整门挡板来实现的，不但调节质量差、响应慢，而且存在着浪费电能的问题。
3．1 风机节能分析
3．1．1 风机风量控制
送风机和引风机是火电厂中的耗电大户，其耗电量约占厂用电量的3O ，占机组发电量的2 ～4 。因此，正确选择送风机和引风机的调风方式，对火电厂的安全和经济运行有着重要意义。电机以定速运转，调节风机风量典型的方法是采用挡板控制。根据挡板在风道中的安装位置可分为出口挡板控制和入口挡板控制，采用挡板控制时，当挡板关小则增加风阻，且不能在宽范围调节风量。例如，要求风量在8O 的情况下，电机消耗的功率约为9O ，能量损失严重。风机在变速状态下运行，保持挡板全开，通过改变风机转速来调整风量，采用变频控制时，电动 机消耗的功率为(80 )。≈50 ，与其他控制方式相比，转速控制的节电效果十分明显。电厂风机的各种调速装置的比较如图1所示。
3．1．2 送风机变频改造后的节能分析
某电厂使用某公司的Harsvert—A高压变频器，选定在机组带5O％、75、1OO 负荷3种工况下，对4号炉2台送风机进行工频和变频2种运行方式下的对比试验，机组运行工况和测试计算结果见表1。
从表1可以看出，送风机变频调节方式运行效率基本在75 ～8O ，而工频调节方式运行效率为55 左右(见图2)；机组在100 kWh、15OMW、200 MW 负荷时，2台送风机变频运行比工频运行每小时分别节电750 kWh、602．5 kWh、733．6 kWh。变频改造后，送风机运行效率明显提高，节电效果显著。
图2 送风机运行效率比较4号炉2台送风机变频改造后以年运行7 000 h计算，全年可节约电量492．9万kWh。按该公司上网电价0．30元／kwh计算，直接经济效
益约为148万元。
3．2 水泵节能分析
3．2．1 水泵流量控制水泵是由恒速电机驱动出口阀及调节阀控制水的流量和压力，通过人为增加阻力和回流的办法以达到调节流量的目的，因而在运行中产生了大量的能量损失。水泵的转速在某一范围内变化时，流量、总扬程、轴功率依次有线性、平方、立方关系。但对于实际的水泵负载，通常存在一个与高低差有关的实际扬程，扬程越小，轴功率越接近于同转速成立方关系的定常特性，而且转速控制产生的节电效果也越大。根据实际调查表明，一般老电厂大型水泵平均流量的余量大于2o％ ，即有多于2o％的流量损耗在节流阀和回流调节上，若所需要的流量减少2O ，则相应的电动机转速也应降低2O％ ，即实际转速为8O％ ，则根据流
量与转速的关系式我主蒸汽温度(甲／L)／c 534／540 529／538 531／534 535／537 538／537 530／532主蒸汽压力／MPa 11．8O 12．1O 13．43 13．66 13．37 13〃41风机入VI挡板开度(甲／乙)／ 25／20 lOO／lOO 30／30 lOO／lOO 38／36 94／90风机电流(甲／乙)／A 80／79 41／21 81／80 43／36 90／87 50／49电动机输入功率(甲／乙)／kW 729．0／720．0 452．8／246．2 778．4／743．2 476．0／443．1 886．2／822．9 470．2／505．3风机设备运行效率／ 58．47／50．14 75．53／75．33 52．34／49．73 87．oo／79．53 56．73／58．42 52．34／49．73平均运行时间／ 6O 3O 1O们可得出：(8O％)。≈51％ ，即按此工况水泵节电近5O％ 。由此可见，节能潜力之大，效益之高。电
厂水泵的各种调速装置的比较，如图3所示。
1—— 排出霄路阀门控制时电动机输入功率；
2—— 转差功率调节控制(转差电动机或液力耦合器)时的电动机输入功率；3—— 变频器调速控制时电动机的输入功率；4—— 调速控制时电动机轴功率
图3 泵的输入功率一流量特性当采用变频调速时，5O Hz满载时功率因数接近1，工作电流比电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电厂节约容量2O 左右。
3．2．2 凝结水泵变频改造后的节能分析某电厂使用某公司的Harsvert—A高压变频器，选定在机组带350 MW、315 MW、280 MW、240 MW、210 MW、175 MW 负荷6种工况下对某电厂1号机1台凝结水泵进行工频和变频2种运行方式下的对比试验，机组运行工况和测试计算结果见表2。
凝结水泵改造为变频无级调节运行后，一方面减少了运行中的节流损失，凝结水泵电流下降，起到节能作用，另一方面由于凝结水泵出口水压的下降，大大改善了低压加热器的工作条件，减少了低压加热器泄漏，降低了检修工作量，取得了较为明显的安全和经济效益。
(1)耗电量计算
工频运行时，累计年耗电量为：Cd一7 000× (652．55×10 + 633．38×5％
+617．61×2O％+609．0×5 +564．38×10 +539．24×5O％)一4 038 675．23(kWh) 因此，采用变频运行时，每年凝结泵耗电量约为403．9万kW h。
变频运行时，累计年耗电量为：
Cb一7 000× (573．58×10％+454．18×5％+384．14×2O 9／5+349．95×5％ +44．09×10％+193．92×5O )一2 070 343．93 (kW h)因此，采用变频运行时，每年凝结泵耗电量约为207．0万kW h。
1号机组2号机组 3号机组4号机组
图3 1号机组改造前后4台机组的真空度比较大约降低了2 g／kWh，由此而产生的经济效益约157万元／a。
(2)网板由原来的平板状改为半弧形状，可以使进入滤网的垃圾从底部被带到地面，然后被冲洗水冲至专用垃圾笼里，有效地防止了垃圾附在滤网正面，造成滤网前后压差大而压弯滤网的情况发生。从而使1号机组的1号和2号一次滤网更换率由2O块／a降为0块／a，既节省了材料，又节约了人工费用。
(3)一次滤网冲洗水喷嘴改为在滤网外清洗，不用再像以前那样，要钻进湿滑的滤网里面，骑在离水面12 m 高的管道上清理喷嘴，为检修人员提供了安全保障。
(4)网板、链板、导轨及密封装置均采用不锈钢制成，提高了部件的防腐性能，延长了使用寿命。
(5)网板与导轨紧贴在一起，密封性能好，使未过滤的水和过滤过的水完全分开，净水质量得到了保证。
(6)1号机组二次滤网维修量由21次／a降为1次／a，凝汽器、主机冷油器、小汽机冷油器、
闭式水冷却器、发电机定子冷却水冷却器、发电机密封油冷却器、励磁机空气冷却器的钛管检修率都下降了8O 以上，节约了大量人力、物力，初步计算节约成本达36万元／a。
(7)新型一次滤网结构简单，操作方便，并可实现程控操作。
4 结论
（1）经过一年的试运行证明，1号机的一次滤网改造是成功的，由此产生的直接经济效益约500万元／a。
(2)节能计算：
年节电量：AC—Cd—Cb一403．9—207．0—196．9万kWh节电率：(△c／cd)×1OO 一(1 96．9／403．9)× 1O0 一48．75按该公司上网电价0．334元／kWh计算，则每年直接经济效益为65．77万元。
（3）随着厂网分开，竟价上网改革的深入，节能已成为各发电企业的重要工作，只有降低厂用电率，降低发电成本，才能提高上网电价的竞争力，因此，采用变频技术对电厂辅机进行节能改造，是各电厂的当务之急。经现场运行证明，采用高压大功率变频器性能好，可靠性高，其节能效果明显优于其他任何一种调速方式，特别是在低负荷时更为显著。电厂辅机采用变频调速后，提高了机组自动装置的稳定性，大大改善了电机的启动性能，延长了电机的寿命，在老电厂的大功率风机、水泵系统上实现变频调速，是理想的节能项目，一般1～3年即可收回设备改造投资成本。
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