高压变频调速在火力发电厂中的应用

王维坤

摘 要：我国经济发展进步以及城市化规模的逐渐扩大，使我国对电力需求量逐渐提升。火力发电是我国只主要发电形式，在电力生产中占有重要地位。在火力发电厂中，主要通过能源燃烧方式实现电力生产，因此随着电力需求量不断增加，能源消耗量也会逐渐提升，在加剧经济发展与能源紧张间矛盾的同时，也给生态环境带来极大破坏。高压变频调速技术的应用能够有效实现火力发电过程中能耗的降低，使能源得到有效节约，是促进发电厂经济效益提升、生态环境改善的有效措施。

关键词：高压变频调速；火力发电厂；节能效果

社会经济的发展使我国能源资源日益紧张，生态环境破坏严重。为了实现社会经济的可持续发展，我国开始倡导节能减排。火力发电厂在运行过程中需要大量能源消耗，而在电力需求量越来越多的形势下，实现火力发电厂的节能降耗具有必要性。在其发电过程中，水泵、风机等设备的应用是能源消耗主体，且在节能方面潜力较大，能够实现较好节能效果。而火电厂发展水平不断提升，其装机容量得到较大提高，会使设备在相同参数下需要承担更大负荷，为保证运行安全，促进运行效率提高，应用高压变频调速技术已经成为必然。

1 调速系统的应用优势与不足

1.1 优势

（1）效率高。在火电厂运行过程中，水泵、风机等的运转要靠其电动机带动，若在其中应用高压变频调速技术，当电动机出现频率变化时，能够始终维持原有转差率，会使电动机在改变运行频率后与其转速数值基本相同。这种方式下，能够使电动机中因频率改变而出现的转差损失得到保持，避免出现上升趋势。另外，电动机运行频率的改变会使能耗增强，但应用该调速技术，受高次谐波影响，只会使变频装置产生损耗，而电动机本身能耗反而会大大减少。

（2）调速范围宽。高压变频调速系统的调速范围可达10：1或20：1，可实现频率在50～5Hz或50～2.5Hz范围内的调节，同时在此调速范围内仍能保持系统具有较高的效率，因此低转速状态下运行的负载应用效果更为显著。

（3）安全性良好。若在运行过程中，变频系统出现运行故障或要对火电系统进行其他改进时，可以令装置停止运行，并由电网直接向变频装置提供电能。这种方式的应用可以在不影响水泵、风机正常运行的条件下实现对系统的改善以及故障的排除。若设备运行状态是始终处于额定频率，则在调频系统下应用节流方式实现装置的运作，能够使其能耗得到有效降低，系统运行经济性提升，为火电发电系统运行提供安全保障。

（4）变频装置的使用不仅能够使能耗得到降低，流量得到有效调节，还能够为水泵、风机等设备的电动机提供启动功能，在运行中成为电机运行的软启动装置。

1.2 缺点

（1）从理论上来讲，高压变频调速技术具有广泛的应用范围，能够在大部分设备改造中得到有效应用，但受技术设备等因素的影响，始终不能得到大范围的普及。产生这种问题的主要原因是：一，变频调速技术对技术水平要求较高，从设计、制作直到安装并投入应用，都需要工作人员具有较高技术水平，且操作较复杂，应用成本过高。导致在对火电厂设备进行改造后，存在极高概率使火电厂不能获得预期经济效益，而节能效果得不到实现。

（2）在变频调速系统中，所使用的变频器通常有两种类型，电压型与电流型。不论哪种类型，其工作中产生的波形都是高次谐波，这种波形会影响到火电厂各个设备以及电源的运行。其中，受高次谐波影响，设备中电动机会出现温度升高、损耗提升的现象，导致设备运行功率以及效率出现明显下降，且设备运行噪音较大。不仅不利于节能降耗效果的实现，还有损耗电动机等设备使用寿命的危险。此外，电动机转矩在高次谐波的影响下降发生脉动现象，脉动的频率可用6kf（k=1，2，3…）表示，当次频率与系统的固有频率相近时，将引发变频装置与设备的共振现象。但采用一定的措施是可以使变频器输出的高次谐波有所降低的，如采用PWM变频器或采用多重化技术的电流型和电压型变频器将大大改善装置的输出波形。

3 各种变频调速方式的节能效果比較

风机、水泵的流量调节方式可分为非变速调节和变速调节两大类，各种调速方式的差别主要表现在对转差功率的处理上，即转差功率消耗型（如液力耦合器调速、液力调速离合器调速、电磁转差离合器调速、鼠笼式异步电动机定子调压调速以及绕线式电动机转子串电阻调速）、转差功率回馈型（绕线式异步电动机的串级调速）以及转差功率不变型（变级调速、变频调速、直流电动机调速），第一种属于低效调速方式，后两种属于高效调速方式。高效调速方式的节能效果相差不大，因此本文着重讨论低效调速方式的节能效果的差异。

如上所述，目前我国采用的低效调速方式共有五种，其差别是采用的变频器类型不同，但它们存在一个共同点，也就是各低效调速方式的调速效率等于转速比（ηv=n2/n1=i），但其节能效果仍存在很大差别。

首先，装配了液力耦合器调速和绕线式电动机转子串电阻调速的风机和水泵等设备的电动机在运行时的转速仍然可以达到未改造时的额定转速，因此其节能效果也是最好的。这两种调速方式下的电动机运行转速为额定转速的2/3时将产生最大的转差损失，其值为0.148，也就是在实际运行中，改造设备达到最高转速时所需的轴功率值。

其次，风机和水泵等设备在装配了液力耦合器调速和电磁转差离合器调速时，其电动机在运行时的转速并不能达到额定转速，因此这两种调速方式的节能效果与上述两种相比较低。在这种调速方式下，水泵和风机与变频装置相连接的主动部分与被动部分之间要存在一定的转速差才能正常运行。风机和水泵的最高转速比为，其中为设备运行时的最高转速，液力耦合器的最高转速比in范围为0.97～0.98，以往的电磁转差离合器最高转速比in范围为0.83～0.87，而目前新产品的范围为in0.94～0.96。与上述两种方式相同，采用这两种方式改造的设备运行时的最大转差损失也产生在2/3额定转速下，此时转差损失最大，可用计算，设备在非额定转速下的转差损失可用表示，由上式可知，在转速比i一定的条件下，in越小则越大。

对于调压调速装置，调速线路的晶闸管要产生换流损失，晶闸管换流产生的高次谐波也会影响到电动机的性能。此外调速调压装置通常配置高转子电阻的鼠笼式电动机，它的效率比普通的鼠笼式电动机要低。因此，它是上述低效调速方式中节能效果最差的。

结束语

在火力发电厂中应用高压变频调速技术，具有提高能源利用率，实现设备节能减排，改善生态环境的重要作用，是符合国家可持续发展理念的有效措施。因此在对火电厂进行节能减排时，应以高压变频技术为借鉴，不断对其进行创新，从而使火电厂发电在保证效率的同时降低能耗，为环境保护提供有利条件。

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