高压变频器在火电厂风机上的应用

陈文峰　王传军

摘要：变频改造对于节能有着极大的作用，锅炉风机变频改造节约了电能，取得了较大的经济效益和社会效益。文章介绍了锅炉引风机的改造过程以及变频改造后产生的经济效益和社会效益。

关键词：高压变频器；火电厂风机；锅炉引风机；变频改造；风机设备 文献标识码：A

中图分类号：TM621 文章编号：1009-2374（2015）11-0045-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.11.023

在火电厂的生产过程中，风机是一种较为常见的设备，在多个生产环节都发挥了积极作用，如锅炉风机、二次风机等。这些设备一般多作为辅助设备存在，但是其耗电量却非常大，若能够对风机设备进行节能改进，势必能够大大降低火电厂的整体能耗，提高火电厂的发电效率。而风机设备的节能改造过程中，高压变频器能够发挥非常积极的作用，也是节能改造技术的主要手段。焦煤集团冯营电厂在对本厂的2×50MW机组锅炉引风机和二次风机电机进行节能改造时，就采用了这一技术。高压变频器安装之后，风机设备的工作效率有了非常明显的提升，且操作也更加简便，更重要的是其大大降低了冷风机的能耗量，为电厂节省了大量的成本，经济效益和环保效益良好。

1 风机变频改造的必要性分析

现如今，工业科技水平不断提升，各种先进科技的使用大大地促进了工业生产力水平的提升。其中变频技术就是这样一种技术，其主要的作用是通过电力电子技术来控制电机速度，从而实现电机运行效率的提升。目前，变频调速技术已经被推广应用到风机、水泵的节能改造上，用途广泛。在焦煤集团冯营电厂的风机改造中，就是利用变频技术，将高压变频器运用在风机控制系统中来达到节能改造的目的。

之所以要对火电厂的风机进行变频改造，主要的原因是因为风机是火电厂最主要的辅助设备，其耗电量非常大，几乎占锅炉发电量的2%，且风机的耗电量会随着发电机组容量的增大而不断增大。在200MW及以下机组，风机的流量控制是通过调整入口导向叶片的角度，也就是风门开度的方式来实现的，这种调节的截流损耗一般为30%Pe（额定容量）。这种调节方式经济效益差、能耗大，且还会对设备带来一定的不利影响，增大设备故障发生率和维修难度。在此情况下，控制风机的能耗就势在必行，这是提高电厂发电效益的关键。

2 高压变频器在风机变频改造中的应用原理

高压变频器主要是利用高压交流变频调速技术来实现变频控制的调速装置，与其他调速器相比，高压变频器的整体效益更好，不但节能效益和调速精度较高，且调速的范围更广，运行更加安全可靠，维修起来也较为方便，为此冯营电厂在进行风机节能改造时首先确定的方案就是采用高压变频器进行改造。其在运行中的节能原理如下所示：

风机设备属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。根据风机（泵）工作特性：系统采用阀门调节时，风机（泵）工作点将由A沿曲线向B点移动；系统采用转速调节时，风机（泵）转速由n0调整为n'时负载设备工作点将由B点降至C点。

根据流体机械的特性而开发的风机专用型变频器，通过调节风机拖动电机的输入频率，从而改变风机的转速，调节气体流量、流速和压力，取代挡板、阀门等落后调节方式，可轻松实现25%～80%的节能量。

3 风机变频改造方案

冯营电厂此次改造分别将两台炉的引风机和送风机各改造一台，方案是一拖一手动旁路的典型方案，原理是由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成（见图2，其中QF为原高压开关柜内的断路器）。要求QS2和QS3不能同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。断路器和高压隔离开关互锁，防止误操作。优点是在检修变频器时，有明显断电点，能够保证人身安全，同时也可手动使负载投入工频电网运行，造价低等。

变频装置采用的是北京利德华福的HARSVERT高压变频装置，该调速系统采用直接“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、噪音、输出dv/dt、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，500kW/6kV每个系统共有15个功率单元，每5个功率单元串连构成一相，其系统结构图如图3所示：

4 高压变频器的保护作用

本电厂改造所用高压变频器的功率单元是按照模块化方式进行设计的，因此若在运行中某一单元出现了故障而不能继续运行，其他备用单元可以立即将其替换掉，不会影响到整个系统的正常工作，因此起到了非常好的保护作用，具体可以体现在以下浪涌吸收保护、熔断器保护、过载保护、过流保护、过压保护、欠压保护、过热保护、缺相保护、光纤故障保护以及变压器保护等多个方面。以下我们以过流保护、过热保护、缺相保护和变压器保护为例进行分析：

第一，过流保护的主要作用是当电机所通过的输入电流超过了额定电流的1.5倍，且持续超过3s以上，则变频器就会立即采取停机措施，而当其输出电流超过额定电流的2倍且持续10s以上，就会立即采取停机措施，以保护设备。

第二，过热保护的作用主要可以体现在两个层面上，即其可以实现双重保护。当然变频调速系统柜体内的温度超过预设温度时，系统首先会发出信号，提示工作人员。若过热问题没有得到有效借鉴，主要的设备元件温度已经超过了极限温度，则变频器就会采取停机措施。一般变压器F级绝缘的极限温度为130℃，而功率器件的极限温度则为85℃。

第三，缺相保护的作用实现主要是利用功率模块，也就是说，当变频器输入侧出现了掉相的问题时，设置在功率模块上的缺相保护设置就会自动发出报警信号，严重时将会采取停机保护措施。

第四，变压器保护的作用主要体现在四点：（1）其接线端子非常大，能够很好地和进线电缆连接在一起；（2）变压器的各个分接头即使出现了短路现象，也不会对线段端接头产生损伤；（3）变压器允许通过负荷的能力较强，噪音也一般控制在60dB的范围内，负荷国家相关规定和要求；（4）变压器绕组系统可以实现过热保护功能，当绕组温度超过120℃时会发出警报，超过130℃则会跳闸。

5 变频改造后的效果

通过对焦煤集团冯营发电厂锅炉辅机设备进行变频改造，其风机设备的运行效率大大提升，取得非常显著的节

能环保效益和良好的经济效益，主要可以体现在以下五点：

第一，在采用高压变频器来控制风机系统后，风机系统的运行更加稳定，不但能够根据负荷合理对风量大小进行有效调节，还可以有效地解决传统风机系统运行中存在的风门调节线性度差的问题。

第二，安装高压变频器后，引风机与电动机的服役期限都大大增加了，这是因为在发电机组的运行中，引风机作为一种离心电机，其在启动时需要耗费较长时间，启动时所需要的电流也非常大，几乎是额定电流的6～8倍，这样不但会耗费大量的电能，而且还会给机械设备造成非常大的冲击力，从而缩短其使用寿命。而在安装了高压变频器之后，就可以通过变频调速的方法来使引风机实现软启动，这样就不会对设备产生较大的冲击力，因而在很大程度上保护了引风机设备和电动机，从而延长其服役期限。

第三，安装高压变频器之后，节省了大量的电能，电厂的2台引风机每年可节约电量500万kWh。

第四，变频改造后，风机系统的功率因数得到大大的提升，几乎可以达到0.95，当然这也是因为本次改造中所使用的变频器为电压源型结构的变频器。

第五，变频改造后，不但节能效果显著，而且还大大地降低了厂房的噪音污染程度，为操作人员提供了良好的工作环境。

6 结语

综上所述，在火电厂的生产运行系统中，采取一定的节能措施来对生产设备进行改造是非常可行的，这也是未来火电厂实现持续发展的必经途径。本文中介绍的高压变频器在应用到风机设备上之后取得了非常显著的节能经济效益，不但提升了系统的运行效率与安全可靠性，而且还在很大程度上改善了设备的运行工况，实现了设备的自动化，从本厂的实践经验可以证明，今后，高压变频器在火电厂的节能改造中会有更广阔的应用

前景。

参考文献

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（责任编辑：秦逊玉）