傅世騫

（重慶市電力公司北碚供電局，重慶 400700）

隨著國(guó)家節(jié)能減排工作的不斷深入，火力燃煤發(fā)電機(jī)組如何降低廠用電率、降低供電煤耗迫在眉睫。風(fēng)機(jī)和水泵是火電廠中的主要耗能設(shè)備，其輸入能量的20%-30%被擋板或節(jié)流閥所消耗。因此對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵進(jìn)行節(jié)能改造具有很大潛力。當(dāng)前作為大容量傳動(dòng)的高壓變頻調(diào)速技術(shù)在節(jié)能領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前重慶天富發(fā)電廠風(fēng)機(jī)、水泵的流量調(diào)節(jié)仍然采用擋板節(jié)流的機(jī)械調(diào)節(jié)方式，造成了大量的電能浪費(fèi)，其廠用電率高達(dá)11.15%。為了達(dá)到降低廠用電量，從而有效地降低發(fā)電成本，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力的目的，必須對(duì)天富發(fā)電廠中的風(fēng)機(jī)、水泵進(jìn)行變頻節(jié)能的改造。

1 天富發(fā)電廠運(yùn)行和設(shè)備概況

重慶天富發(fā)電有限公司總裝機(jī)容量1×55MW，配高溫高壓循環(huán)流化床1×240t/h鍋爐，2006年安裝投運(yùn)。重慶天富發(fā)電有限公司煤矸石綜合利用發(fā)電系統(tǒng)總的狀況看運(yùn)行正常，但整個(gè)系統(tǒng)仍有能量系統(tǒng)優(yōu)化的潛力，首先是鍋爐系統(tǒng)存在布風(fēng)不均、燃燒不充分及排煙溫度高，熱效率低，與設(shè)計(jì)值差距較大；其次，公司現(xiàn)有廠用電率較高，目前為11.15%，系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)、水泵的流量調(diào)節(jié)方式采用機(jī)械調(diào)節(jié)方式，落后的方式造成電能浪費(fèi)。電廠實(shí)際負(fù)荷在65%～100%之間變化，導(dǎo)致鍋爐風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量、引風(fēng)量及給水泵、循環(huán)水泵的流量也要隨之而做相應(yīng)變化。目前風(fēng)機(jī)、水泵出力的調(diào)整是采用調(diào)控?fù)醢彘_(kāi)度調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于這種調(diào)節(jié)方式是靠節(jié)流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，造成的能量損失很大。異步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流一般達(dá)到電機(jī)額定電流的8～10倍，對(duì)廠用電形成沖擊，同時(shí)強(qiáng)大的沖擊轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命存在很大不利影響。因此，為進(jìn)一步降低廠用電率，提高用電效率和增加供電量，從而達(dá)到降低給供電標(biāo)煤耗的目的。需對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵系統(tǒng)進(jìn)行變頻節(jié)能改造。

圖1

圖1風(fēng)機(jī)、水泵的實(shí)物圖

自用電系統(tǒng)主要用電集中在1、2號(hào)給水泵、1、2號(hào)引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)上。故擬對(duì)1、2號(hào)給水泵、1、2號(hào)引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)，共6臺(tái)高壓電機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造。

2 天富發(fā)電廠變頻改造方案

2.1 改造方案概況

2.1.1 改造系統(tǒng)控制原理

風(fēng)機(jī)為一拖一方式進(jìn)行控制，2臺(tái)給水泵為一拖二方式。根據(jù)工藝要求需要切換方式：一次風(fēng)機(jī)變頻故障切換方式采用電動(dòng)式人工切換方式，二次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)采用手動(dòng)人工切換方式，給水泵采用變頻故障自動(dòng)切換到備用給水泵工頻方式，正常切換方式靈活，易操作。并且改造后不影響要求不影響生產(chǎn)工藝。

圖2 帶隔離的一拖一自動(dòng)旁路柜

基本原理：它是由3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1～QS3組成。要求QS1、QS2不能和QS3同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖。變頻運(yùn)行時(shí)，QS1和QS2閉合，QS3斷開(kāi)，再合QF；轉(zhuǎn)到工頻運(yùn)行時(shí)，必須先斷開(kāi)QF，再斷開(kāi)QS1和QS2，再閉合 QS3，后合 QF。QS1、QS2、QS3 隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)上DCS。

圖3 給水泵一拖二主回路

基本原理:此圖是雙路電源情況下，一拖二旁路的方案，它是由六個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1～QS6組成。其中 QS1和 QS2，QS3和QS4，QS4和QS6，QS3和QS5做機(jī)械互鎖。如果M1工作在變頻狀態(tài)，M2可以工作在工頻狀態(tài)；相反如果M2工作在變頻狀態(tài)，則M1可以工作在工頻狀態(tài)；如果檢修變頻器，兩臺(tái)負(fù)載都可以工頻運(yùn)行。QS1～QS6隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)上DCS。

2.1.2 變頻裝置控制方式

變頻裝置具有"就地"和"遠(yuǎn)方"兩種控制方式，切換開(kāi)關(guān)位于變頻器控制柜處，可根據(jù)需要自由切換。在就地控制方式下，通過(guò)變頻器上的人/機(jī)界面液晶屏，可進(jìn)行就地啟動(dòng)、停止操作，可調(diào)整轉(zhuǎn)速、頻率；遠(yuǎn)方控制方式下，變頻裝置只接受機(jī)組DCS控制指令，并反饋?zhàn)冾l器的主要狀態(tài)和故障報(bào)警，運(yùn)行人員可通過(guò)DCS畫(huà)面進(jìn)行啟動(dòng)、停止、調(diào)速等操作；電機(jī)旁應(yīng)裝有變頻器事故按鈕，突發(fā)事故時(shí)可緊急停止變頻器運(yùn)行。變頻器裝置在"就地"和"遠(yuǎn)方"兩種控制方式下，均能實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)、閉環(huán)控制。

2.1.3 電氣各開(kāi)關(guān)及控制的要求

變頻器兩端隔離開(kāi)關(guān)，具有"運(yùn)行"、"試驗(yàn)"、"檢修"三個(gè)位置。變頻器的各項(xiàng)保護(hù)功能完善，具有短路、過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)電流、過(guò)載、過(guò)熱、缺相、CPU出錯(cuò)、通訊故障、瞬停再啟動(dòng)等保護(hù)功能。

2.2 改造方案中具體設(shè)備的選型

2.2.1 變頻器額定容量的選定

變頻器選型時(shí)，應(yīng)充分考慮所應(yīng)用的場(chǎng)合和使用工況條件的最惡劣情況，留有足夠的設(shè)計(jì)裕度和采取必要的保護(hù)措施。變頻器額定容量可用下式計(jì)算選定。

式中:P為變頻器容量(KVA)，Iout為變頻器額定輸出電流(A)

Vout為變頻器輸出電壓(V)，I為推薦配用電機(jī)額定工作電流(A)

對(duì)連續(xù)運(yùn)行變頻器容量P0(KVA)，必須滿足如下幾點(diǎn):

① 變頻器容量必須大于負(fù)載所要求的輸出，即

② 變頻器容量不能低于電機(jī)容量，即

③ 變頻器電流Iout應(yīng)大于電機(jī)電流，即Iout≥kIM

④ 起動(dòng)時(shí)變頻器容量應(yīng)滿足下式

以上各式中:

Iout為變頻器電流；GD2為電機(jī)軸端換算；tA為加速時(shí)間，根據(jù)負(fù)載要求確定；K為電流波形補(bǔ)償系數(shù) (PWM控制方式取1.05～1.10);TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；η為電動(dòng)機(jī)效率 (通常取0.85);cosΦ為電機(jī)功率因數(shù) (通常取0.75);IM為電機(jī)額定電流；UM為電機(jī)額定電壓；nM為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

2.2.2 變頻器與電動(dòng)機(jī)配套問(wèn)題

在實(shí)際應(yīng)用中，必須考慮變頻器與電動(dòng)機(jī)的匹配問(wèn)題，如低速時(shí)的冷卻、電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性和頻繁起動(dòng)等。

對(duì)于調(diào)速范圍比較寬，特別是具有恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速兩個(gè)運(yùn)行范圍的電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，由于具有在低速時(shí)電流和磁通基本保持不變的恒轉(zhuǎn)矩特性，使其散熱困難，因此不能采用自帶風(fēng)扇冷卻。因?yàn)檫@種冷卻方式對(duì)高速和低速運(yùn)行工況不利，低速運(yùn)行時(shí)冷卻效果差；高速時(shí)則電機(jī)效率嚴(yán)重下降。通常情況下，如果采用自帶風(fēng)扇冷卻或管道通風(fēng)，冷卻風(fēng)量的選擇原則是每20kW電動(dòng)機(jī)損耗需要1m3/s的風(fēng)量。除了盡可能減少各種損耗外，還需對(duì)空氣的流場(chǎng)和溫度進(jìn)行認(rèn)真分析，減少溫度分布的不均勻系數(shù)，提高電動(dòng)機(jī)線圈端部的傳熱性能，增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)機(jī)座本身的散熱能力。

由于電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與系統(tǒng)的狀態(tài)有關(guān)，在電源容量大的工頻電源系統(tǒng)中可以穩(wěn)定運(yùn)行，而采用變頻器供電時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行可能發(fā)生不穩(wěn)定。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)專用一個(gè)變頻電源時(shí)，通常運(yùn)行穩(wěn)定；而多臺(tái)電動(dòng)機(jī)共用一個(gè)變頻電源時(shí)，就變得不穩(wěn)定了。

分析這些現(xiàn)象，可能有兩方面的原因:一方面，電動(dòng)機(jī)固有的低頻不穩(wěn)定性和電動(dòng)機(jī)與變頻器相互影響造成運(yùn)行不穩(wěn)定。在低頻時(shí)這種不穩(wěn)定表現(xiàn)為持續(xù)地振蕩，也就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近擺動(dòng)；另一方面，可能是超出變頻器的換向能力而使其保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致不能正常工作。電動(dòng)機(jī)和變頻器之間相互影響造成的不穩(wěn)定主要是由于電動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的慣性或變頻器直流環(huán)節(jié)中濾波電感和電容之間發(fā)生能量交換造成的。

由于變頻器可以在很低的頻率下起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，對(duì)于一些大容量的調(diào)速系統(tǒng)，不僅可以頻繁起動(dòng)，還可以頻繁正反轉(zhuǎn)，使交流電動(dòng)機(jī)在四象限內(nèi)運(yùn)行。但頻繁的起動(dòng)和正反轉(zhuǎn)會(huì)使電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于循環(huán)交變應(yīng)力的作用下，對(duì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械部分和絕緣會(huì)帶來(lái)疲勞和加速老化的問(wèn)題。

3 變頻節(jié)能改造的效果分析

3.1 變頻改造后的節(jié)能分析

目前天富發(fā)電廠的一、二次風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)（#1-#2），給水泵（#1-#2）的變頻節(jié)能改造已完成，每臺(tái)機(jī)組的變頻設(shè)備均已投運(yùn)，取得顯著節(jié)能效果。為計(jì)算變頻改造的節(jié)能效益，將天富發(fā)電廠變頻節(jié)能改造前后一年中同時(shí)段發(fā)電廠各改造設(shè)備的用電情況列出，如表1所示。

表1改造前后設(shè)備的用電量情況

從上表可知，經(jīng)變頻節(jié)能改造后日均節(jié)電量為W1=113411-94497=18914 kW·h。如果按照發(fā)電廠一年運(yùn)行300天計(jì)算，改造后一年的節(jié)電量為W2=18914×300=567.42萬(wàn)kW·h。按照發(fā)電成本0.3元/kW·h計(jì)算，變頻節(jié)能改造的年收益為0.3×567.42=170.2萬(wàn)元，具有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，節(jié)電567.42萬(wàn)kW·h約合19860噸標(biāo)煤，具有節(jié)能減排的社會(huì)效益。

3.2 改造后的優(yōu)缺點(diǎn)討論

①減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊

電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的最大啟動(dòng)電流為額定電流的7倍；星角啟動(dòng)為4-5倍；電機(jī)軟啟動(dòng)器也要達(dá)到2.5倍。觀察變頻器起動(dòng)的負(fù)荷曲線，可以發(fā)現(xiàn)它啟動(dòng)時(shí)基本沒(méi)有沖擊，電流從零開(kāi)始，僅是隨著轉(zhuǎn)速增加而上升，不管怎樣都不會(huì)超過(guò)額定電流。因此變頻運(yùn)行解決了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問(wèn)題，消除了大啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力，大大降低日常的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

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②延長(zhǎng)設(shè)備壽命

使用變頻器可使電機(jī)轉(zhuǎn)速變化沿理想的加減速特性曲線變化，沒(méi)有應(yīng)力負(fù)載作用于軸承上，延長(zhǎng)了軸承的壽命。同時(shí)有關(guān)數(shù)據(jù)說(shuō)明，機(jī)械壽命與轉(zhuǎn)速的倒數(shù)成正比，降低風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速可成倍地提高它們壽命，使用費(fèi)用自然就降低了。

③降低噪音

我廠水泵改用變頻器后，降低水泵轉(zhuǎn)速運(yùn)行的同時(shí)，噪音將大幅度地降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低于50HZ時(shí)，噪音可減少十幾個(gè)絕對(duì)分貝。同時(shí)消除了停車和啟動(dòng)時(shí)的打滑和尖嘯聲，克服了由于調(diào)門線性度不好，調(diào)節(jié)品質(zhì)差，引起管道錘擊和共振，造成給水系統(tǒng)上水管道強(qiáng)烈震動(dòng)的缺陷，水泵變頻運(yùn)行后，噪音、振動(dòng)都大為減少，變化相當(dāng)可觀。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)天富電廠55MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的不同改造方案進(jìn)行分析比較得出：變頻調(diào)速是先進(jìn)、實(shí)用、可靠的調(diào)速技術(shù)；經(jīng)濟(jì)上，從降低引風(fēng)機(jī)電耗，降低年運(yùn)行費(fèi)用，降低發(fā)電成本，從"大力節(jié)約能源，加快建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)"考慮，選用變頻器進(jìn)行引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)是經(jīng)濟(jì)、可行的。

[1]趙相賓.談我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，《電氣傳動(dòng)》2000，2；

[2]白愷等.火電廠大型電動(dòng)機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的可行性[J].華北電力技術(shù)，1999：33～35；

[3]竺偉，陳伯時(shí).高壓變頻調(diào)速技術(shù)[J].電工技術(shù)雜志，1999(3)：26～28；[4]賈貴璽，張陳堂.高壓變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用及其研究[J].電氣傳動(dòng)，1999，24(4)：14～17。