变频调速在电厂中的节能应用

摘要：节能降耗是促进节约型社会建设、发展循环经济、实现经济社会全面协调可持续发展的必然要求。近几年来，随着经济的快速发展，电力需求增长较快，电厂节能显得尤为重要。文章介绍了高压变频器的结构、工作原理及节能原理，分析了松藻电厂风机改造后的节能效益。

关键词：变频装置；节能应用；电厂节能；高压变频器；变频调速

中图分类号：TU856 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2009）01-0057-03

一、概述

在火力发电厂中，风机是最主要的耗能设备，其容量大耗电多。通常在电厂设计中，风机类负载是根据满负荷用量来设计的，然而实际应用中大部分时间并非处于满负荷工作状态，而是常常处于低负荷及变负荷运行状态。在火力发电厂锅炉中主要有以下几类风机：引风机，一次风机，二次风机，据统计其用电量占发电量的3%左右。可见，电厂内风机的耗能较大，是电厂自用电的主要设备。

松藻电力有限公司2×480t/h东方锅炉（集团）股份有限公司生产的超高压循环流化床锅炉各配置两台50%容量的引风机、两台50%容量的一次风机和两台50%容量的二次风机，公司自2006年4月建成投运以来，经过几年的实际运行，逐渐暴露出自用电率较高，耗能较大。锅炉所配风机配套电机参数见表1：

以上风机调节方式采用了挡板调节方式，正常时运行开度为50%左右，形成挡板两侧风压差，造成节流损失；同时风机挡板执行机构为大力矩电动执行机构，故障较高，自动率较低。为此松藻电厂去年对锅炉风机进行了节电改造。

二、方案比选

针对锅炉风机的负荷波动大、低负荷工况运行时间较长、效率较低、电耗大的运行情况，电厂决定将电动机的常规定速传动改为高效节能的调速传动。高效节能的调速方式有变极调速、串级调速和变频调速三类，三类调速方案的比较见表2：

从上表分析和目前各方案在企业内的应用业绩来看，由固定磁极型鼠笼交流电动机拖动的工艺设备要作节能改造，选择变频调速方案较好，虽然此方案投资略高，但节电潜力更大、可以很快从节电效益来收回初期投资。

高压交流变频调速技术是20世纪90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，主要用于交流电动机的变频调速，其技术和性能胜过其他任何一种调速方式（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）。变频调速以其显著的节能效益，高精确的调速精度，宽范围的调速范围，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和市场的确认，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和快捷的服务，使之成为高压电机节能技术改造的首选方案。

对于高压变频器，按控制结构主要分电压型和电流型变频器两大类，电压型变频器按电路结构可分为IGBT直接型、单元多重化型、多电平型等类型。这几类变频器从技术安全可靠、运行效率、整机性能、价格等多方面进行比较，尤以IGBT直接型高压变频器的性价比最高。

因此，电厂选用了IGBT直接型高压变频器控制对现有锅炉风机的电动机进行技术改造。

三、高压变频器技术介绍

（一）高压变频器的结构及工作原理

高压变频调速系统采用直接“高—高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串并联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，总体谐波畸变THD小于4%，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，其工作原理如下：

1．电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM电压源型逆变结构，相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。6kV电压等级的高压变频调速系统，其每相由几个功率单元串联而成。

2．每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。给功率单元供电的二次绕组每3个一组，分为几个不同的相位组。输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真小于1%，输入的综合功率因数可达0.95以上。

3．逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定的电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波，输出电压每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt很小，功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，提高效率。

6kV高压变频调速系统的结构见图1，由移相变压器、功率单元和控制器组成。图1以15个功率模块为例。

（二）风机高压变频器节能的原理

根据异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为：

n₁=60f₁/p（1）

式中：n₁为同步转速；f₁为定子频率；p为磁极对数。

而异步电动机的轴转速为：

n= n₁（1-s）=60 f₁（1-s）/p（2）

式中：s为异步电动机的转差率，s=（n₁-n）/ n₁

由上可知，改变电机的供电频率，可以实现电机的调速运行。

通过液体力学的基本定律可知：风机类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：

Q_a/Q_b=n_a/n_b（3）

H_a/H_b=（n_a/n_b）²（4）

P_a/P_b=（n_a/n_b）³（5）

式中：Q_a、H_b、P_a分别为风机在n_a转速时的流量、压力、轴功率；Q_b、H_b、P_b分别为风机在n_b转速时的相似工况下条件下的流量、压力，轴功率。

由公式（3）、（4）、（5）可知，风机的流量与其转速成正比，压力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，在其他运行条件不变的情况下，只要调节电动机的转速就可以调节流量，通过下调其运行速度，就可以节约电能，且节电效果明显。假如转速降低一半，即：n_b/ n_a=1/2，则P_b/P_a=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。当转速由n_a降为n_b时，风机的额定工作参数Q、H、P都降低了。但从效率曲线上看，Q_b点的效率值与Q_a点的效率值基本是一样的。也就是说当转速降低时，额定工作参数相应降低，但效率不会降低。因此在满足操作要求的前提下，风机仍能在同样的效率下工作。

降低了转速，风量就不再用关小风门或阀门来控制，风门始终处于全开状态，避免了由于关小风门引起的风力损失增加，也就避免了总效率的下降，确保了能源的充分利用。

四、锅炉风机的节电改造

松藻电厂于2008年2月对2#锅炉引风机，一次风机，二次风机进行了变频节电改造。直接利用引风机附近的除灰综合楼四楼上的一间空房，作为变频器控制室。变频器可通过在控制柜门上“远控/本控”开关的切换实现“本机控制”与“远方控制”。“远方控制”与原有的DCS连接，在引风机控制画面中增加了变频器画面，与变频器输出接口联接，进行数据通讯，运行人员可以通过DCS中的画面对引风机和变频器的工作电流、转速以及运行、停止、故障等状态进行实时监控。另外，变频器的控制调节还通过负压调节器接受炉膛负压信号和来自送风系统的前馈信号，综合运算后经手、自动切换单元输出4~20mA到变频器的控制端，调节变频器输出电源的频率，从而改变电动机的转速，改变引风量，达到稳定炉膛负压的目的。

五、节能效果计算

（一）改造前锅炉引风机和一、二次风机的运行能耗情况

每台锅炉均有两台引风机、一、二次风机，当带负荷为12万kW以上时，各风机均启动两台才能保证机组运行要求；当带负荷12万kW以下时，引风机和二次风机只需启动一台就能满足要求。

设备每年运行7000小时，其中15万kW发电时间占1200小时、14万kW发电时间占250小时、13万kW发电时间占1000小时、12万kW发电时间占900小时、11万kW发电时间占250小时、10万kW发电时间占900小时、9万kW发电时间占500小时、8万kW发电时间占2000小时

（二）改造后锅炉引风机和一、二次风机的运行能耗情况

2#锅炉的六台风机一年共计节约电能计算如下：

354.1+78.6+126.8+32.6+126.0+214.2+44.6+193.4=1170.3万kW.h

两台机组一年共节约电能1170.3×2=2340.6万kW.h

如果电费按0.5元/kW.h计算，两台机组一年节约的电费为：2340.6万kW.h×0.5元/kW.h=1170.3万元

六、结语

利用变频器调速是目前最佳的调速方式。传统的调速、流量控制方式存在着效率低、质量差、消耗大、故障率高等弱点。利用变频器调速来改造落后的传统调速方式，能明显提高用电效率，延长设备使用寿命，除低引风机风叶震动，降低轴承磨损，以变频调速取代传统调速有明显的节电效果，随着变频技术的不断提高和电力行业人员对其认识的不断加深，变频技术必将在电力行业有更广阔的应用前景。

参考文献

[1]电力节能技术丛书编委会编著．火力发电厂节能技术[M]．中国电力出版社．

[2]冯垛生．变频器实用指南[M]．人民邮电出版社．

[3]中国电力企业联合会科技服务中心．节能与控制（火力发电厂节能技术丛书）[M]．中国电力出版社．

作者简介：向立清（1971- ），女，重庆人，供职于重庆市渝经能源技术设计研究院，中级职称，研究方向：电力行业电气设计。