风机变频改造节能技术在火电厂的应用研究

杨清 李连阁

1.平顶山姚孟发电有限责任公司热工设备检修部炉控班467031；2.海口中电环保发电有限公司571924

本文主要研究风机变频改造技术在火电厂的应用，分析了风机能耗组成与变频节能原理，并以某火电厂风机机组变频改造工程实际为例，对变频风机在火电厂中的应用进行了讨论。

一、风机能耗

风机是火电厂非常重要的设备，耗电量超过厂用电的30%，现阶段，火电厂风机多采用调节挡板、阀门开度的调节方式控制风量，这种调节方式下，驱动电机的输出功率不随着风量变化而变化，造成了大量的能耗损失，在火电厂风机中引入变频技术，是降低火电厂风机能耗的有效措施。风机节能改造首先要了解风机能耗的实际情况。

（一）风机设计容量

为了保证动力源的安全性，火电厂风机设计容量往往都有着较大的富余，尤其是引风机和配套电机容量都很大，导致机组在低负荷运行状态下，风机运行点远离风机性能曲线高效率点，风机运行效率偏低。

（二）风机启动

直接启动风机电机，启动瞬间电流会上升到额定电流的6-7倍，启动过程中出现的机械冲击以及电流冲击都会影响电机设备，导致电机设备使用寿命下降，诱发故障，降低风机运行效率。

（三）运行调节

锅炉负荷如果发生变化，则锅炉给煤、水、风量均需要进行调整，传统的风机进风量调整一般通过风门挡板的开度实现，通过调整静叶角度改变风量。

这样的运行调节方式存在着调节精准度不高，反应相对缓慢，风机运行调节跟不上机组负荷变化的问题，而且缩小风门开度，会增加风门的阻力损失，导致风机整体运行效率下降，但是输入功率却没有随之降低，增加了能耗。

（四）喘振

一些风机有着相对平稳的性能下降曲线，但是上升阶段并不稳定，在一些工作区间会发生喘振，流量出现了大幅度的周期性变化，产生较大的振动与噪声，留下了很大的安全隐患，同时也增加了风机能耗。

二、变频调速节能原理

交流发电机输出功率公式：

P=Mz·ω（1）

其中，Mz-电动机负荷转矩；

ω-电动机旋转角频率；

风机变转矩负载特性Mz∝kω2，也即P∝kω3，k是一定辅助设备条件下的常数。因此，交流异步电动机的变频调速，可以通过改变辅助设备转速实现，并进一步改变风量。

异步电动机转速：

n=60f（1-s）/p（2）

其中，f-电源频率；

S-电动机转差率；

P-电动机极对数。

确定电动机之后，s与p均为常数，表示特定电动机转速和电源频率成正相关，因此电动机转速可通过改变供电频率来调整。

三、火电厂风机变频节能改造

以某火电厂风机变频技能改造工程实际问题，给出了一个火电厂风机变频电机控制电路结构与改造方案，经过实际运行认为能够大幅度降低风机电机能耗，同时提高了风量调节的灵敏度、速度与稳定度。

（一）电路结构

大容量传动变频风机技术中应用最为广泛的是直接高压交-直-交型变频器，单元串联多电平电压源型变频器使用几个变频功率单元串联直接输出高压，电网电压接入二次侧多重化隔离变压器，降压之后作为工作电源，采用三相输入，单相输出的逆变方式，串接相邻功率单元，构建Y型电路连接结构，直接输出变压变频高压给风机电动机。为了抑制谐波电流输入，输入变压器采用十五绕组输出多重化方案。因为电压源型为二极管整流，因此需要加设滤波电容提供电动机所需无功功率，从而保持风机较高的功率因数，一般都在0.95以上，无需额外增加无功功率补偿装置。逆变器为多电平移相输出，输出接近正弦波，由于电平台阶尺度接近单元直流母线电压，因此dv/dt很小，不会给电动机绝缘带来很大的冲击，而使用多电平移相PWM增加了输出电平数，也提高了有效输出开关频率，改善了输出波形，减少了对电网的谐波辐射，也有效缓解了电动机发热、噪声以及转矩脉动等问题，降低了风机电机门槛，可以使用普通3kv、6kv电动机，甚至也可以使用原有电动机，无需限额。

（二）改造方案

1.变频风机控制系统

某火电厂燃煤锅炉正常运行状态下炉膛负压需控制在-20--50Pa范围内，保持炉膛负压稳定对锅炉运行效率与安全性有着很大影响。负压调节器接受负压信号以及送风流量信号，根据内置算法调整执行部件输出频率，通过风机电动机供电电源变频器改变风机电动机运转速率从而调整风量。相比于原有的控制系统，在运行操作方式方面基本不变，但是风量变化的控制从改变风门挡板开度转变为改变风机电动机转速，降低了风机电机能耗。

2.吸风机控制系统

6kv电源母线连接输入开关接入吸风机控制系统，隔离输入侧，减少给电网造成的谐波污染，工作电源变频调制输出驱动为单元串联多电平PWM，通过该输出驱动控制吸风量，为了进一步提高吸风机系统运行稳定性，配置了不间断工作UPS电源，如果是变频器出现故障，可投切全压常速工频备用线路，保证风机运行的可靠性。

火电厂许多单元都有多个辅助设备，一般都接在电源总线上，在如锅炉给水泵等辅助开关的开闭瞬间电源总线电压会大幅度下降，导致总线上的其他设备在短时间内都工作不正常，因此风机电机变频驱动器应该具有足够的抗电压波动能力，要求±15%以内电压波动要能够满负荷输出，15%电网电压跌落低于35%，不超过30s时间之内无欠压保护，电网电压正常之后能够快速恢复到正常工作状态。

（三）改造效果分析

引入风机变频技术之后，该火电厂的引风机单能耗明显下降，进一步提高了引风效率，风量控制响应速度更快，适应负载的变化，大幅度降低了风机能耗。变频风机电机的启动电流强度也小于原来方案，电机能够软启动，启动电流对电机以及其他设备的冲击以及启动力矩对电动机主轴的机械冲击更小，获得了更高的动态响应速度和更加优秀的调节线性度。变频风机通过对速度的调节能够及时避开喘振工作区间，从而降低了风道振动幅度，提高了锅炉运行的稳定性与可靠性。

变频调速技术在风机控制中的应用能够显著提高风量控制的精度和响应速度，同时在风量需求下降时，风机电机转速下降，功率也随之下降，从而大幅度减小了风机电机电能消耗，对国家电力事业发展有着重要意义。

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