高壓變頻調速技術在火力發(fā)電廠節(jié)能中的應用

　　1、引言

　　近年來，隨著國家節(jié)能減排政策的大力推廣，火電廠的設備節(jié)能改造也開始逐步進行，而風機、水泵作為火電廠數(shù)量最多的輔助設備，具有非常顯著的節(jié)能空間。同時，火電廠裝機容量不斷加大，導致機組的調峰力度隨之增大，機組的負荷在運行周期內也有較大范圍的改變，實現(xiàn)風機、水泵流量的實時調節(jié)勢在必行。目前，我國火電廠大多采用節(jié)流閥對風機、水泵的流量進行調節(jié)，雖然可實現(xiàn)流量的變化，但并沒有根本改變電動機的輸出功率，沒有達到節(jié)能的效果。但電力電子技術和計算機控制技術的快速發(fā)展，火電廠風機等輔助設備的節(jié)能改造普遍開始采用變頻調速裝置，取得了令人滿意的效果。

　　2、高壓變頻調速系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點

　　2.1主要優(yōu)點分析

　　1）調速效率高。高壓變頻調速系統(tǒng)可使風機、水泵等設備的電動機在運行頻率發(fā)生改變后仍保持額定轉差率基本不變，也就是使電動機維持在改變后頻率的同步轉速附近運行，這樣的好處是電動機的轉差損失不變。同時，當速度發(fā)生變化時，只有變頻裝置中產生能量損耗，但電動機的自身損耗及效率會降低，其原因主要是由于高次諧波的影響。

　　2）調速范圍寬。高壓變頻調速系統(tǒng)的調速范圍可達10：1或20：1，可實現(xiàn)頻率在50～5Hz或50～2.5Hz范圍內的調節(jié)，同時在此調速范圍內仍能保持系統(tǒng)具有較高的效率，因此低轉速狀態(tài)下運行的負載應用效果更為顯著。

　　3）在變頻調速系統(tǒng)發(fā)生故障或者有其他經濟運行方案需要時，變頻裝置可停止運行，此時設備的電能將由電網直接供給，這就確保了再系統(tǒng)故障時，風機、水泵等設備的運行不受影響，或者在更為經濟的運行條件下，如設備在額定頻率范圍狀態(tài)下工作，此時采用節(jié)流等方式調節(jié)更為經濟，這樣既保證了整個電力系統(tǒng)的安全可靠，又使得系統(tǒng)的節(jié)能效果更為顯著。

　　4）變頻調速裝置除了可以調節(jié)流量外，還可以同時作為電動機的軟啟動裝置使用。

　　2.2主要缺點分析

　　1）雖然理論上變頻調速系統(tǒng)可適用絕大部分設備的節(jié)能改造，但目前在高壓大容量傳動設備中還不能普遍推廣，其主要原因有兩個方面：一方面是火電廠裝機容量越來越大，與之相適應的輔助機組供電電壓可達到3～10kV，但功率開關器件往往不能承受如此高的電壓；另一方面是高壓大功率變頻調速系統(tǒng)無論是設計、生產還是安裝運行，都需要較高的技術，其經濟成本也較高，而過高的投入將造成設備改造后無法取得實際的經濟和節(jié)能效益。

　　2）變頻器分為電流型和電壓型兩種類型，二者的共同點是產生的電流或電壓的波形均為高次諧波，因此設備及其供電電源的運行將受到很多負面影響。較典型的表現(xiàn)是，電動機在運行過程中由于高次諧波的影響將產生更多的附加損耗，溫升隨之增加，進而導致其效率和功率因數(shù)均降低、噪聲增大等問題。此外，電動機轉矩在高次諧波的影響下降發(fā)生脈動現(xiàn)象，脈動的頻率可用6kf（k=1，2，3…）表示，當次頻率與系統(tǒng)的固有頻率相近時，將引發(fā)變頻裝置與設備的共振現(xiàn)象。但采用一定的措施是可以使變頻器輸出的高次諧波有所降低的，如采用PWM變頻器或采用多重化技術的電流型和電壓型變頻器將大大改善裝置的輸出波形。

　　3、各種變頻調速方式的節(jié)能效果比較

　　風機、水泵的流量調節(jié)方式可分為非變速調節(jié)和變速調節(jié)兩大類，各種調速方式的差別主要表現(xiàn)在對轉差功率的處理上，即轉差功率消耗型（如液力耦合器調速、液力調速離合器調速、電磁轉差離合器調速、鼠籠式異步電動機定子調壓調速以及繞線式電動機轉子串電阻調速）、轉差功率回饋型（繞線式異步電動機的串級調速）以及轉差功率不變型（變級調速、變頻調速、直流電動機調速），第一種屬于低效調速方式，后兩種屬于高效調速方式。高效調速方式的節(jié)能效果相差不大，因此本文著重討論低效調速方式的節(jié)能效果的差異。

　　如上所述，目前我國采用的低效調速方式共有五種，其差別是采用的變頻器類型不同，但它們存在一個共同點，也就是各低效調速方式的調速效率等于轉速比（ηv=n2/n1=i），但其節(jié)能效果仍存在很大差別。

　　首先，裝配了液力耦合器調速和繞線式電動機轉子串電阻調速的風機和水泵等設備的電動機在運行時的轉速仍然可以達到未改造時的額定轉速，因此其節(jié)能效果也是最好的。這兩種調速方式下的電動機運行轉速為額定轉速的2/3時將產生最大的轉差損失，其值為0.148，也就是在實際運行中，改造設備達到最高轉速時所需的軸功率值。

　　其次，風機和水泵等設備在裝配了液力耦合器調速和電磁轉差離合器調速時，其電動機在運行時的轉速并不能達到額定轉速，因此這兩種調速方式的節(jié)能效果與上述兩種相比較低。在這種調速方式下，水泵和風機與變頻裝置相連接的主動部分與被動部分之間要存在一定的轉速差才能正常運行。風機和水泵的最高轉速比為，其中為設備運行時的最高轉速，液力耦合器的最高轉速比in范圍為0.97～0.98，以往的電磁轉差離合器最高轉速比in范圍為0.83～0.87，而目前新產品的 范圍為in0.94～0.96。與上述兩種方式相同，采用這兩種方式改造的設備運行時的最大轉差損失也產生在2/3額定轉速下，此時轉差損失最大，可用計算，設備在非額定轉速下的轉差損失可用表示，由上式可知，在轉速比i一定的條件下，in越小則越大。此外，由于采用這兩種變頻調速方式的設備達不到額定轉速，因此要采取措施加大設備的出力，例如加大風機、水泵等設備的額定容量等。

　　對于調壓調速裝置，調速線路的晶閘管要產生換流損失，晶閘管換流產生的高次諧波也會影響到電動機的性能。此外調速調壓裝置通常配置高轉子電阻的鼠籠式電動機，它的效率比普通的鼠籠式電動機要低。因此，它是上述低效調速方式中節(jié)能效果最差的。

　　4、結語

　　高壓變頻調速技術在火力發(fā)電廠節(jié)能改造中得到了廣泛的應用，取得了良好的效果，火電廠應積極鑒定新方法的有效性，在正確鑒定的基礎上合理開發(fā)，把高壓變頻技術變?yōu)楦倪M的表帥，為我國節(jié)能減排增效政策的實施貢獻力量。