岑斌，陳炳森，周濤，全鴻偉

田東火電廠機組輔助設備高壓電動機的變頻節(jié)能改造

岑斌，陳炳森，周濤，全鴻偉

（廣西水利電力職業(yè)技術學院，廣西南寧530023）

針對田東火電廠機組主要輔助設備動力系統(tǒng)存在的低效率、能耗高的問題，提出了對高壓電動機及其傳動系統(tǒng)進行節(jié)能改造方案，對機組鍋爐三大風機、汽輪機給水泵、凝結水泵等6 kV電動機采用高壓變頻技術及DCS控制技術進行改造，節(jié)電效果明顯，運行維護費用下降，經(jīng)濟效益突出。

變頻控制；電機節(jié)能；技術改造

田東火電廠是國家大二型發(fā)電企業(yè)，始建于1971年，1973年第一臺12 MW機組投產(chǎn)，1974年2臺12 MW機組竣工投產(chǎn)，1986年二期2×25 MW機組也相繼投入運行。2003年4月動工興建第三期2×135 MW機組并于2005年9月全部投入運行，之后原有的4臺機組退出運行。

田東火電廠發(fā)電機組根據(jù)生產(chǎn)需要配備了大容量的電動機作為輔助設備工作動力源，包括送風機、引風機、一次風機、磨煤機、給水泵、凝結水泵和循環(huán)水泵等主要輔助設備電動機。電動機單機容量最大的是給水泵電動機，單機容量為3 100 kW，最小的電動機為凝結水泵電動機，單機容量250 kW.

火電廠發(fā)電機組主要輔助設備中，送風機為鍋爐提供助燃風，起鍋爐燃燒助燃的作用；引風機將煤粉在鍋爐爐膛內(nèi)部燃燒產(chǎn)生的煙氣排出到大氣并在爐膛內(nèi)部建立穩(wěn)定的負壓，使鍋爐爐膛在負壓狀態(tài)下運行；一次風機負責干燥煤粉和將煤粉輸送到鍋爐爐膛；磨煤機將煤塊破碎并磨成煤粉；給水泵將除氧器內(nèi)具有一定溫度的水送至鍋爐；凝結水泵將汽輪機凝汽器中的凝結水從熱水井抽出，經(jīng)過加熱器送至除氧器中去；循環(huán)水泵向汽輪機凝汽器供給冷卻水，用以冷卻汽輪機排出的蒸汽使其冷凝液化，以便可用凝結水泵將其再送至除氧器中。

由于上述發(fā)電機組主要輔助設備動力系統(tǒng)電動機單機容量大，長時間工作，為了減小電動機工作時的發(fā)熱及輸配電線路的損耗，火電廠發(fā)電機組上述主要輔助設備電動機均采用6 kV的高壓電動機。

1 改造前的輔助設備動力系統(tǒng)運行狀況

火電廠發(fā)電機組主要輔助設備動力系統(tǒng)改造前的工作回路如圖1所示，動力系統(tǒng)所需的三相交流電源取自廠用6 kV母線，經(jīng)過高壓斷路器后，直接驅(qū)動相應的輔助設備高壓電動機，將電能轉(zhuǎn)換成機械能，經(jīng)液力耦合器傳遞至風機或水泵。根據(jù)圖1的系統(tǒng)工作回路，電動機的輸出通過液力耦合器傳遞至風機或水泵，由于該廠在當?shù)仉娋W(wǎng)中需要經(jīng)常承擔調(diào)峰任務，出力變動范圍大，實際運行中很少帶滿負荷運行。輔助設備6 kV高壓電動機的電源取自6 kV廠用電母線，因此電動機只能在工頻狀態(tài)下運行，而輔助設備動力大小是按額定負荷工況來設計的，在火電廠機組實際運行過程中，輔助設備工作所需的動力大小卻跟發(fā)電機組所帶負荷大小有關，負荷超大，所需要的風量以及水量也越大，反之亦然。當火電廠發(fā)電機組所帶負荷小于額定負荷時，輔助設備動力系統(tǒng)高壓電動機就會處于輕載工作狀態(tài)，其電能轉(zhuǎn)換效率也較低，存在明顯的電能浪費現(xiàn)象。

圖1 輔助設備動力系統(tǒng)改造前工作回路圖

此外，高壓電動機通過液力耦合器驅(qū)動風機或水泵，并利用液力耦合器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。液力耦合器采用#46液壓油作為耦合介質(zhì)，當轉(zhuǎn)速低于400 r/min時，液力耦合器的油溫會迅速升高，嚴重時耦合器油箱的工程塑料構件會被熔化而出現(xiàn)漏油或著火，導致輔助設備電動機液力耦合器組損壞停運，直接影響甚至威脅到發(fā)電機組的安全。

出于設備安全運行的需要，火力發(fā)電機組在低負荷運行時也要保證液力耦合器轉(zhuǎn)速高于400 r/min，如果需要調(diào)節(jié)更低的風機流量或水泵流量，只能使用風門擋板或水泵調(diào)節(jié)閥進行節(jié)流調(diào)節(jié)，在此運行工況下，液力耦合器處于低效率運行狀態(tài)，傳動效率通常只有60%左右，但輔助設備高壓電動機卻是工作在工頻狀態(tài)，其工作電流與工作轉(zhuǎn)速與額定工況相差不大，發(fā)電機組整套輔助設備工作能耗大，效率低，采用液力耦合器通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)也沒有收到很好的節(jié)能效果，每年的廠用電率均在9.8﹪之上。

2 高壓電動機節(jié)能變頻改造

近年來，隨著變頻技術的不斷發(fā)展，利用變頻調(diào)速來實現(xiàn)大中型電動機節(jié)能降耗已成為趨勢，田東火電廠發(fā)電機組主要輔助設備中大中型電動機總容量為14 340 kW（其中鍋爐4臺710 kW引風機、4臺400 kW送風機、4臺800 kW一次風機，汽輪機2臺3 100 kW給水泵、2臺250 kW凝結水泵），對這部分6 kV高壓電動機進行變頻節(jié)能改造，成為田東火電廠節(jié)能降耗，提高效率，減少廠用電率，提升電廠經(jīng)濟效益的重要技術改造項目。

2.1 高壓電動機節(jié)能降耗改造方案

2.1.1 機組輔助設備動力系統(tǒng)低效的原因分析

根據(jù)圖1可知，田東火電廠發(fā)電機組輔助設備電動機效率低、功耗大的主要原因如下：

（1）電動機經(jīng)斷路器直接接至電源，工作在工頻狀態(tài)，無論負荷多大，均工作在額定轉(zhuǎn)速，當發(fā)電機組工作在低負荷狀態(tài)，對風量、水量需求量較低時，電動機無法降低轉(zhuǎn)速以適應負荷變化的需要，造成電動機效率低下。

（2）液力耦合器作為一個傳動裝置，同時又作為一個小范圍的調(diào)速裝置，其效率明顯低于電動機與風機或水泵的直接傳動。

（3）因電動機沒有根據(jù)發(fā)電機組負荷變化自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速功能，機組在工作過程中只能根據(jù)需要使用風門開度調(diào)節(jié)、節(jié)流閥流量調(diào)節(jié)等方式實現(xiàn)風機調(diào)節(jié)或水泵流量調(diào)節(jié)，這種方式本身就是高耗能、低效率的調(diào)節(jié)方式。

式（1）中，f1為供電電源頻率（Hz）；P為異步電動機的磁極對數(shù)；s為異步電動機的轉(zhuǎn)差率。

從式（1）可看出，要改變電動機的轉(zhuǎn)速n，常用的方法有三種：①改變電源頻率f1；②改變電動機磁極對數(shù)P；③改變電動機的轉(zhuǎn)差率s.對于方法②，因為磁極對數(shù)為整數(shù)，改變電動機磁極對數(shù)會出現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的級差，并不能根據(jù)需要實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)整；對于方法③，具體的措施包括調(diào)壓、轉(zhuǎn)子回路串電阻等調(diào)速方式，對于調(diào)壓調(diào)速，調(diào)速范圍小，同時調(diào)壓過程電動機的輸入扭矩變化也較大，對于轉(zhuǎn)子回路串電阻的調(diào)速方式，多用于低速的起重設備中，因此，方法③也不適宜用于火電廠發(fā)電機組主要輔助設備高壓電動機的調(diào)速。目前應用最為廣泛，效率高、能耗低的調(diào)速方法為方法①的變頻調(diào)速。

采用變頻器將高壓交流電源轉(zhuǎn)換成頻率連續(xù)可調(diào)的另一個高壓電源，再接至電動機，可實現(xiàn)火電廠發(fā)電機組主要輔助設備高壓電動機的連續(xù)調(diào)頻調(diào)速，此時可取消電動機與負載之間的液力耦合器，電動機軸直接與負載相連，可根據(jù)發(fā)電機組工作時對風量以及水量的需求，自動控制調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)機組主要輔助設備動力系統(tǒng)的變頻節(jié)能改造。

2.2.2 高壓變頻裝置

現(xiàn)代高壓變頻裝置專設一個變壓器柜內(nèi)，柜內(nèi)安裝多重化移相變壓器，變壓器柜頂安裝散熱風機，風機由溫度控制器自動控制起停。裝置原理見圖2 2.1.2機組輔助設備動力系統(tǒng)降耗增效的辦法

根據(jù)上述原因，要提高發(fā)電機組輔助設備動力系統(tǒng)的效率，降低能耗，有效的方法包括：

（1）取消液力耦合器，采用電動機與負載直連，即電動機與風機或水泵直接聯(lián)接的驅(qū)動方式來提高動力系統(tǒng)的傳遞效率。

（2）采用電動機調(diào)速方式，根據(jù)負荷的變化，自動調(diào)節(jié)控制電動機的轉(zhuǎn)速，使電動機所帶的風機或水泵流量在機組發(fā)電所需的工作點上，從而避免采用風門開度調(diào)節(jié)、節(jié)流閥調(diào)節(jié)所造成的系統(tǒng)能量浪費，能耗增加。

（3）采用高效節(jié)能型高壓電動機，提高電動機本身的效率，降低電動機的能耗。

2.2 高壓電動機調(diào)速方案

2.2.1 高壓電動機調(diào)速方案比較

異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式為：所示。以DSP+FPGA為主控制器，F(xiàn)PGA芯片產(chǎn)生交變的波形控制信號去控制移相變壓器，移相變壓器的副邊為多個降壓的三相輸出繞組，每相繞組相對于原邊輸入繞組有按計算規(guī)定移動的輸出電壓位移角，形成15組移相的低壓三相電源輸出，分別輸送至15個功率單元，每個功率單元即為一個“交-直-交”的變頻單元。

圖2 輔助設備動力系統(tǒng)改造后系統(tǒng)圖

功率單元由三相橋式整流電路、濾波電路以及IGBT逆變電路構成。移相變壓器輸出的三相交流電經(jīng)橋式整流電路、濾波電路后變成直流電，F(xiàn)PGA芯片產(chǎn)生SPWM脈沖經(jīng)DSP進行處理后，通過光纖通信控制IGBT的通斷，從而輸出頻率和電壓可調(diào)可控的交流電。多個功率單元經(jīng)過串聯(lián)星接輸出0～50 Hz的6 kV高壓交流電，直接驅(qū)動電動機帶動輔機運行。

功率單元與主控制器DSP之間通過兩根光纖進行通信（發(fā)送和接收各一根光纖），DSP會根據(jù)上位機（相應輔助設備的PLC）來的控制信息，經(jīng)過運算處理后經(jīng)光纖發(fā)給功率單元，功率單元狀態(tài)發(fā)生改變或發(fā)生故障也會通過光纖及時將信息發(fā)送給DSP，DSP再根據(jù)需要將部分信息上送至機組上位機，即機組DCS，從而構成機組主機與輔助設備之間的閉環(huán)控制，以便獲得較高的控制調(diào)節(jié)精度，實現(xiàn)增效節(jié)能的目標。

為便于安裝與運行操作，通常將主控制器及相應的電氣控制系統(tǒng)一起安裝于一個電氣柜內(nèi)。主控制器主要由電源板、主控DSP+FPGA板、光纖通信板、模擬采樣板等構成，用于實現(xiàn)變頻器控制功能；PLC作為輔助設備現(xiàn)地控制的設備，一方面接受機組DCS發(fā)過來的控制命令，另一方面負責采集現(xiàn)場信號，包括流量、溫度、狀態(tài)及開關位置等信息，并作為現(xiàn)場調(diào)節(jié)控制的依據(jù)，同時也將部分現(xiàn)場信息送至上位的機組DCS；觸摸屏作為PLC的輸入及信息顯示設備，便于輔助設備的現(xiàn)場運行操作。

2.2.3 可靠性設計方案

發(fā)電機組輔助設備高壓電動機的變頻節(jié)能改造應首先保證發(fā)電機組的運行可靠性，不應因為變頻控制回路的故障而直接引起機組事故停機，從而造成巨大的經(jīng)濟損失。為了提高輔助設備高壓電動機的控制回路的可靠性，系統(tǒng)采用了雙回路控制，主回路為變頻控制回路，另設一個工頻的旁路裝置（也稱旁路斷路器）。正常運行時采用變頻控制為主，當變頻控制回路故障或發(fā)生異常時，可停止變頻裝置的運行，手動切換，退出變頻控制回路，投入旁路裝置，使高壓電動機工作在工頻狀態(tài)，保證輔助設備繼續(xù)工作，從而不影響到發(fā)電機組的正常運行。

變頻控制和旁路工頻控制在控制上實現(xiàn)互鎖。變頻運行時，不能直接啟動工頻控制；工頻控制時不能直接啟動變頻控制，從而防止兩控制回路同時工作造成的電源回路短路等嚴重事故。

3 改造后的效果

3.1 改造具體方案

田東火電廠第一臺機組2012年10月、第二臺機組2013年4月采用HINV系列高壓變頻調(diào)節(jié)控制裝置對機組鍋爐4臺710 kW引風機、4臺400 kW送風機、4臺800 kW一次風機，汽輪機2臺3 100 kW給水泵、2臺250 kW凝結水泵動力系統(tǒng)完成了上述變頻節(jié)能改造，拆除了原鍋爐引風機、送風機、一次風機系統(tǒng)的液力耦合器，移動電動機安裝位置使其直接與風機相連。一次風機、送風機軸承的冷卻方式不變，引風機加裝新冷卻系統(tǒng)。新建了變頻器室，為冷卻風機、水泵的變頻器，加裝了空-水冷系統(tǒng)；變頻調(diào)速控制上位機嵌入到機組DCS中，通過機組DCS對變頻器進行啟動、停機、調(diào)速等控制。

3.2 節(jié)能改造經(jīng)濟效益

為了分析節(jié)能改造的效益，取一年時間的抄表記錄來統(tǒng)計綜合數(shù)值。電廠改造前廠用電平均每小時耗電量為11 541 kW·h，變頻節(jié)能改造之后，平均每小時耗電量為8 596 kW·h，按電廠機組年平均利用5 472 h，上網(wǎng)電價0.4元/kW·h計算改造的經(jīng)濟效益：

年節(jié)電量:△W=（11 541-8 596）×5 472 =16 115 040 kW·h

經(jīng)濟效益:△W電價=16 115 040×0.4=6 446 016元

可以看出，經(jīng)變頻節(jié)能改造后，在滿足機組負荷需要的工作情況下，風機、水泵輸入功率明顯減少，年節(jié)約電費644.6萬元。廠用電量由原來的6 315萬kW·h下降到4 704萬kW·h，廠用電率從9.8﹪下降至7.3﹪，變頻節(jié)能改造效果明顯。

3.3 節(jié)能改造對設備的影響

（1）電動機啟動平穩(wěn)，避免了工頻啟動對電動機的沖擊危害。

（2）提高了風機、水泵的自動控制能。

（3）在機組帶小負荷時，電動機轉(zhuǎn)速較低，有利于延長風機及水泵葉輪及軸承等零部件的壽命。

4 結束語

高壓變頻器用于火電廠機組風機和水泵的控制取得了顯著的節(jié)電改造效果，是一種理想老舊火電廠機組輔助設備調(diào)速控制方式，不僅可以提高輔助設備動力系統(tǒng)的效率，更好地滿足機組生產(chǎn)工藝的要求，同時又能節(jié)約大量的電能，減少設備維護、維修費用，降低機組停運周期，直接和間接經(jīng)濟效益都十分明顯，值得推廣應用。

Energy Saving Technology of Variable Frequency of Tiandong Power Plant Units Auxiliary Equipment of High Voltage Motor

CEN Bin，CHEN Bing-sen，ZHOU Tao，QUAN Hong-wei
（Guangxi Vocational Gollege of Water Resources and Electric Power，Nanning Guangxi 530023，China）

For the low efficiency and high energy consumption problems in tiandong power plant auxiliary equipment of power system，the energy-saving retrofit scheme for high voltage motor and its drive system，the boiler three wind machine，steam turbine feed water pumps，condensate pumps，6 kV motor has been modified by high frequency technology and DCS control technology，obvious power saving effect，operation and maintenance costs decreased，with outstanding economic benefits.

frequency conversion control；motor energy saving；technical transformation

TM621.3

A

1672-545X（2017）07-0149-04

2017-04-30

岑斌（1982-），男，助理工程師，從事電力類專業(yè)教學工作。