变频技术在水电厂的应用及经济性分析

摘 要：随着能源需求的不断增长以及环境保护意识的日益提高，水电厂作为一种清洁、可再生能源的发电方式，正受到越来越多的关注和重视。各类风机、泵组是电厂必不可少的辅助设备，但是，传统水电厂风机、泵组等辅助设备在运行过程中存在着一系列能源浪费问题，如效率不高、负载调节能力有限等，这些问题直接提升了电厂用电量，降低了水电厂的运行经济性和效益指标。因此，为了有效提高电厂经济运行效率，降低运行成本，作为一种先进的电力调速技术——变频技术，被引入到水电厂中，并取得了显著效果。本文主要对变频技术在水电厂的应用及经济性进行探究，以供参考。

关键词：变频技术；水电厂；应用；经济性

变频技术是一种通过改变电源频率来控制电机转速的技术，通过控制电机的频率和电压，实现对电动机转速的精确调节，从而使水电厂风机、泵组等辅助设备能够根据实际负载需求灵活调整输出功率，从而提高运行经济性。不仅如此，该技术还能有效减少水电厂的能耗，延长设备寿命，降低维护成本。因此，变频技术在水电厂中的应用具有重要意义[1]。

一、变频技术的工作原理和特点

（一）工作原理

变频技术的原理基于电动机的工作原理及电力系统的特点。在水电厂中，通常采用交流电动机作为主要的动力设备，而交流电动机的运行速度与供电电源的频率成正比，通过改变电源频率，就能对电动机转速进行精确调节，以实现对水电站辅助设备电动机输出功率的控制。变频技术的核心部件就是变频器，这是一种能够实现电源频率调节的电子设备，通过将输入的交流电源转换为直流电源，并经过逆变器将直流电源再次转换为可调节频率和电压的交流电源，以此来对电动机进行精确控制，通过调节变频器的输出频率及电压，就能对电动机转速、负载进行实时调节，以满足不同工况下的需求。将变频技术应用于水电厂中，能够对辅助设备中风机、泵组等进行精确控制，从而提高系统的运行效率，同时也能实现水电厂系统的智能化管理，提高设备利用效率，降低能源消耗，实现可持续发展的目标[2]。

（二）特点

变频技术具有宽频调节范围、高效节能的特点，传统的固定频率控制方式受限于固定的电源频率，无法适应不同负载条件下的电机运行需求，而变频技术能够对电机转速进行无级调节，范围广泛，可根据实际情况进行精确调控，确保设备稳定运行。通过对电力系统中的频率进行调节，变频技术还能实现对电机转速的精准控制，从而使电机在不同负载条件下运行时都能保持高效率，这种精确控制能够最大限度地减少能源浪费，提高整个水电厂的能源利用率，并降低生产成本。在水电厂中，电机的启动、停止与调速等操作都需要快速响应，以确保设备运行的安全稳定。变频技术能够对电机进行实时监控，响应速度较快，控制精度较高，能够及时调整电机运行状态，从而有利于水电厂的正常运行。

二、变频技术在水电厂的应用

（一）变频技术在水电厂温度控制系统中的应用

水电厂运行时各部位的温度是保证安全、稳定、长期运行的关键参数，需要保持在一个稳定的范围。目前采用的冷却媒介通常是水、空气和氢气（大型水电机组和火电厂应用较多）这三种。在常规的冷却方式下，只要机组运行就将冷却系统所有设备投入，系统进入最大负荷运行，冷却能力直接达到最大状态。而实际情况是机组各部位温度受外部环境、机组即时工况影响很大，绝大多数情况，并不需要机组冷却系统直接进入最大负荷状态运行，以避免能源浪费。引入变频技术后，控制系统通过对机组各部位温度的实时监控，并通过PLC进行趋势预判计算，合理控制冷却系统电机的转速，或者是控制冷却系统投入运行设备的台数，从而在满足运行温度要求的前提下实现节能降耗的目的。在实际应用过程中，变频器PLC需要根据各部位的运行特性、工况要求进行精准确定温度范围，确保冷却系统能够在各种工况下都能保持稳定运行。除了精细的设计以外，变频技术还可以通过多种智能控制算法，进一步优化水轮机的运行。比如采用模糊逻辑控制算法，能够根据水流情况、负载要求实时调整变频器的输出功率，提高水轮机的响应速度；结合故障诊断系统，能够实时监测水轮机的运行状态，及时发现并解决潜在问题，进一步提高水电厂的安全可靠性[3]。

（二）变频技术在流量、压力控制系统中的应用

水电厂除了对温度控制有需求之外，对流量、压力控制也有广泛需求，比如冷却水流量、压力，轴承润滑油流量、压力，主轴密封水流量、压力，技术供水流量、压力等等。泵组、风机是水电厂中用于输送流体的关键设备，其运行稳定性直接影响水电厂的运行效益。利用变频技术对泵组进行控制，不仅能提高泵组的运行效率，还能有效降低能耗，延长设备使用寿命。传统的泵组控制方式常采用启停方式进行控制，同时为了提升安全系数，还具备一定的溢流量，这种方式容易造成设备在启动过程中产生冲击，损坏设备，并增加能耗，长期的溢流也是一种能源的浪费。采用变频技术可以对电机转速进行调节，以此来控制水泵流量、压力，实现平稳启停，提高泵组的运行效率，通过设置不同的参数和曲线，可以根据实际需要调整泵组的运行状态，实现智能化管理。例如根据水压、流量等参数实时监测水泵的运行状态，并自动调整电机的转速，以达到最佳的运行效果，从而有助于提高泵组的运行效率，减少人为操作的误差，进一步提高设备的安全稳定。不仅如此，由于泵组在运行过程中通常会面临不同的负载需求，而传统的固定频率控制方式无法根据实际负载情况进行调整，容易导致能源浪费。采用变频技术，可结合实际负载情况，对电机转速进行动态调整，使水泵始终处于最佳运行状态，最大限度地降低能耗，节约能源成本。

（三）变频技术在运行操作过程中的应用

运行人员对设备的倒闸操作是电厂的一种常规的任务，也是电厂运行方式变更的必要过程。期间运行人员近距离面对带电设备，人身安全和设备风险成倍增加，特别是在进行一些刀闸倒换操作的过程中，尤其对操作技巧和人员经验要求更高，一个不慎就可能造成不可挽回的损失。引入变频技术后，通过系统集成的PLC对整改操作过程进行控制，根据操作类型的不同，精准地控制操作过程中的每一个阶段，确保每一个阶段都符合技术规范要求，从而达到提高操作安全性的要求。比如对隔离刀闸进行分闸操作时，要求在刀闸动静出头分开时快速动作，以利于熄灭电弧。电弧熄灭后为保证操作机构和设备安全，对操作的可靠性和稳定性也有要求，而且整个操作过程只有几秒和十几秒的时间，工作人员很难做到精准控制，而采用变频技术后，可以通过PLC内置的程序对电机转速进行精准控制，从而达到确保设备和人身安全的目的。

三、变频技术在水电厂应用的经济性分析

（一）投资成本分析

第一，变频技术引入的初期投资成本。引入变频技术的初期投资主要包括设备购置费用、安装调试费用以及培训费用等方面。其中，设备购置费用是引入变频技术最为直接的成本，包括变频器、传感器、控制系统等设备的采购成本，这些设备的选择将直接影响水电厂的运行效果，所以，在选择供应商与设备型号时，需要谨慎考虑。安装调试费用包括设备安装、系统调试以及软件配置等方面的费用，这些费用在引入变频技术时同样不容忽视。为了确保水电厂的运行人员能够熟练掌握技术，还需对其进行相关培训，这也属于初期投资的一部分。除此之外，引入变频技术后，需要定期对设备进行检修与维护，以保证其稳定运行。这部分成本包括人力成本、备件更换成本、维护工具等，需要在此之前进行详细规划。

第二，变频技术带来的节能效益。通过应用变频技术，水电厂可以实现电机启动时的软启动，避免了传统启动方式带来的电压或电流冲击，有效保护了电机及配电设备，延长了设备的使用寿命，并且变频技术还能根据实际负载情况动态调整电机的输出功率，避免传统固定频率运行时频繁启动造成的能耗浪费，大大提高了设备的运行效率。不仅如此，变频技术在水电厂中的应用还能实现多台电机的协调运行，通过智能控制系统实时监测各个电机的运行状态，使其保持在最佳工作状态，从而提高整个系统的运行效率，减少能耗损失，尤其是在水电厂这种需要长时间稳定运行的场景下，通过合理的变频技术调控，可以使系统整体运行更加稳定可靠，进一步降低能耗成本[4]。

（二）运行维护成本分析

第一，变频技术对水电厂运行维护的影响。由于变频技术能够根据实际情况调整电机的运行速度，使得电机在部分负载运行时能够降低功率损耗，提高能源利用率。与传统的启停调速方式相比，变频技术能够减少电机的启动次数，延长设备寿命，降低维护成本。同时变频技术还能与多台电机进行联动控制，协调各个设备之间的运行，能够提高整个水电厂的协同效率，从而降低水电厂的运行成本。通过对电机的运行状态进行实时检测，变频技术还能及时发现设备运行异常，预防设备故障的发生。变频技术也可以对电机进行精准的保护控制，避免出现电机过热、过载等问题，保障Wup828YAfVgg30N7/MExWw==了设备的安全运行。因此，变频技术的应用，不仅提高了水电厂的生产效率，还能降低设备维护成本，从而在经济上具有显著优势。

第二，变频技术带来的运行成本节约。传统的恒速运行方式在负载波动大或需求变化较快时会导致能源浪费或设备寿命缩短等问题，而变频技术则可以根据实际需求调节电机的转速，使设备在最佳工作状态下运行，以减少维护成本。另外，变频技术还能实现能量回收和再利用，通过将制动过程中产生的能量反馈到电网或其他设备中，以降低能源浪费，提高整体能源利用效率，这种节能减排的做法不仅符合环保要求，还能在一定程度上减少水电厂的运行成本。

（三）综合经济性分析

第一，投资回报率（ROI）分析。投资回报率是评估投资项目盈利能力的重要指标，能够帮助投资者判断投资是否值得，以及投资回报的速度如何。在水电厂中引入变频技术，可以极大地提高设备的运行效率，从而影响投资回报率的计算。计算引入变频技术后水电厂的净现值（NPV）是ROI的基础。净现值是将未来现金流折现至今的结果，可以反映项目的净收益情况。引入变频技术后，水电厂每年可节省的能源成本、维护费用以及提高生产效率所带来的额外收益等，都会影响净现值的计算。投资回报率的计算公式为：ROI=（净收益/投资成本）×100%。在水电厂中引入变频技术的投资成本，包括设备采购费用、安装调试费用及培训等方面的支出，而净收益则是指引入变频技术后每年的节省成本与额外收益减去投资成本后的剩余收益。值得注意的一点是，投资回报率并不仅仅是一个静态数字，而是随着时间变化的，水电厂中的设备会随着运行时间的增加而逐渐老化，可能会影响到变频技术的效果。所以，在进行ROI分析时，需要考虑到长期的运营情况，并对不同情况进行灵活调整。

第二，净现值（NPV）分析。净现值是评估一个项目或投资的现金流量是否能够产生积极回报的关键工具，特别适用于长期投资项目的评估。在进行净现值分析时，需要明确投资的各项成本及收益。一般来讲，投资成本包括设备采购费用、安装调试费用、运营维护费用等，而收益则主要体现在节约的能源成本、发电效率所带来的额外收益等方面，通过对这些现金流量进行详细核算，可以得出一个净现值的数值。水电厂引入变频技术后，净现值的计算将考虑到多个因素，如变频设备的价格、使用寿命、能源节约效果等，对此，需建立合理的财务模型，以对未来的现金流量进行合理估算，从而得出一个较为准确的净现值。净现值的正负将直接反映出引入变频技术对水电厂经济性的影响，如果净现值为正，意味着该投资项目有望带来正向回报，并且具有投资的价值。相反，如果净现值为负，意味着该投资项目可能无法实现预期的经济效益，需要重新评估或调整投资方案。

第三，内部收益率（IRR）分析。内部收益率是指项目投资的资金成本与项目未来现金流的折现值相等时的折现率，即使得净现值为零的折现率。由于水电厂属于长期投资项目，其内部收益率需要能覆盖项目的整个生命周期，包括设备更新、维护与运营等方面的费用，同时也要考虑市场变化、政策调整等风险因素对项目收益的影响，以保证项目的可持续发展。在进行内部收益率分析时，还需结合其他财务指标进行综合评估，如净现值、投资回收期等，通过比较不同指标的结果，能够全面地评估水电厂应用变频技术的经济性，为决策提供科学依据。

结束语

大型变频器具有较高的转换效率以及良好的稳定性，能够快速适应水电厂的高功率需求。随着智能化技术的快速发展，大型变频器还将具备更多的智能功能，如自适应调节、远程控制等，使得水电厂的运行朝着智能化、高效化的方向发展。与此同时，水电厂还将积极探索多能源混合发电系统，并结合变频技术实现多源能源的协调运行，通过将水电、风电、光伏等多种能源进行有效整合，可以更好地平衡能源供需关系，提高系统灵活性。变频技术在这种多源能源混合系统中的应用将发挥关键作用，实现不同能源之间的协同运行，进一步提高整个发电系统的效率。

在水电厂中，变频技术的应用已经成为提高发电效率、降低能耗的重要手段。在经济性分析方面，引入变频技术虽然需要一定的投资成本，但是，通过提高发电效率，降低能耗，将会带来显著的经济效益。因此，随着科技的不断进步以及变频技术的快速发展，变频技术在未来的水电行业中发挥着越来越重要的作用，为推动清洁能源发展、实现绿色发展目标打下坚实基础。

参考文献：

[1]王明发.基于智能技术的水电厂电气自动化控制方法[J].电子技术与软件工程，2021（02）：140-141.

[2]李建华，张同庆，范沿沿，等.变频技术在循环风机中的应用案例分析[J].集成电路应用，2023，40（04）：303-305.

[3]周江晨.水电厂自动化系统的智能化改造研究[J].智能城市，2021，7（11）：163-164.

[4]马成伟.智能技术应用在水电厂电气自动化中的研究[J].水上安全，2023（16）：7-9.

作者简介：吴承华（1977.05－），男，汉族，江西进贤人，本科，工程师、经济师、高级技师，研究方向：水电站运行、灯泡贯流式电站运行管理、安全管理、设备管理。