（电气工程专业论文）蒙西发电厂厂用电节电技术的研究.pdf

声明尸明 i ilr lrir l ll lri i i l l liii 17 8 5 7 9 9 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文蒙西发电厂厂用电节电技术的研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：座叁 日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 套奋 翮繇簪卅 导师签名： ：幼31 少7 日期： 型 ! ：五，歹 华北电力人学i ：科硕十学位论文摘要 摘要 能源是经济社会可持续发展的物质基础和保证。人口众多、资源相对不足、环境 承受能力较弱，是我国的基本国情。为克服能源短缺对经济社会发展的制约，我国的 工业应加强节约能源。 节约电能是节约能源的重要组成部分。节约电能包括两个方面：一是必须合理用 电，降低损耗，提高电能利用率；二是必须经济用电，以尽可能少的电能消耗生产出 尽可能多的优质产品，降低单位产品电耗指标。本文主要针对蒙西发电厂电力转动设 备节电技术，照明节电技术，电力变压器的节电技术进行分析研究。 关键词：厂用电，节电技术，变频改造 a b s t r a c t t h ee n e r g yi st h em a t e r i a lf o u n d a t i o na n da s s u r a n c et h a tt h ee c o n o m i cs o c i e t yc a nk e e po na d e v e l o p m e n t d e n s e l yp o p u l a t e d ，t h er e s o u r c e so p p o s i t es h o r t a g ea n de n v i r o n m e n tb e a ra b i l i t y w e a k e ra r et h eb a s i cs t a t eo fo u rc o u n t r y i no r d e rt oo v e r c o m et h ec o n s t r a i n t so ft h ee c o n o m i c a n ds o c i a ld e v e l o p m e n tb r o u g h t b ye n e r g ys h o r t a g e ，t h ei n d u s t r yi no u rc o u n t r ys h o u l ds t r e n g t h e n e c o n o m ye n e r g y e c o n o m y e l e c t r i ce n e r g yi sa ni m p o r t a n c ep a r to fe c o n o m ye n e r g y ，e c o n o m ye l e c t r i ce n e r g y i n c l u d e st w oa s p e c t s f i r s t ，t h eu s eo fe l e c t r i c i t ym u s tb er e a s o n a b l es oa st or e d u c et h el o s sa n d i m p r o v et h ee l e c t r i cp o w e ru t i l i z a t i o n s e c o n d ，t h eu s eo fe l e c t r i c i t ym u s tb ee c o n o m ys oa st o u s em i n i m a le l e c t r i ce n e r g yc o n s u m p t i o nt op r o d u c eq u a l i t yp r o d u c t sa sm u c ha sp o s s i b l ea n d r e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o ni n d i c a t o ro fp e ru n i to fp r o d u c t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e so nt h e s a v i n gt e c h n i q u e sa b o u tt h ee l e c t r i cp o w e rt r a n s m i s s i o ne q u i p m e n ti nm e n g x ip o w e rp l a n t ， l i g h t i n ge n e r g ya n dt r a n s f o r m e r f e nl i ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y o n g g a n gl i 、e n g i n e e rz h o n g s h e n gz h a o k e yw o r d s ：a u x i l i a r yp o w e r ，e n e r g ys a v i n gt e c h n i q u e ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o nr e t r o f i t 华北电力人学：i ：程硕+ 学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 选题背景及意义1 1 1 1 目前中国节电的必要性1 1 1 2 内蒙古各发电厂节电设备应用现状2 1 2 节电技术的研究现状3 1 2 1 电动机节电技术的研究现状3 1 2 2 变压器节电技术的研究现状4 1 2 3 电动机变频器节电技术的研究现状5 1 2 4 发电厂大型异步电动机应用变频调速的现状7 1 3 本文主要工作8 第二章蒙西发电厂变压器的节电技术研究9 2 1 变压器的节电技术研究9 2 2 变压器的选择9 2 2 1 选择变压器的方法9 2 2 2 蒙西发电厂变压器技术参数l o 2 3 变压器节电技术1 2 2 3 1 调整用电负荷节电技术1 2 2 3 2 优选最佳运行方式节电技术1 4 2 4 小结1 7 第三章转动设备的节电技术研究1 8 3 1 转动设备的节电措施1 8 3 2 变频器的调速原理1 9 3 3 变频器的基本结构2 l 3 3 1 变频器的组成2 1 3 3 2 斩控式整流器2 2 3 4 变频器实现方案2 5 3 4 1 交一交变频器2 5 3 4 2 电流源型变频器2 5 3 4 3 电压源型变频器2 6 华北l 乜力人学一i ：程硕十学位论文目录 3 4 4 高压变频方案2 8 3 5 变频器设计与性能分析3 1 第四章蒙西发电厂转动设备的节电技术应用3 3 4 1 风机的节电技术分析3 3 4 2 蒙西发电厂# l 炉二次风机电机的变频改造及效果3 5 4 2 1 二次风机电机变频改造设备的参数3 5 4 2 2 系统原理简介3 7 4 2 3 蒙西发电厂# 1 炉a 、b 二次风机变频改造节电效果3 9 4 3 蒙西发电厂# l 炉一次风机电机的变频改造及效果4 1 4 3 1 蒙西发电厂# 1 炉一次风机变频装置原理4 l 4 3 2 蒙西发电厂# 1 炉一次风机电机参数4 1 4 3 3 蒙西发电厂# l 炉一次风机变频器选型4 2 4 3 4 蒙西发电厂# l 炉a 、b 一次风机电机变频改造节电分析4 2 4 4 蒙西发电厂# 1 机凝结水泵电机的变频改造及效果4 3 4 4 1 # 1 机凝结水泵电机的变频改造一次原理图及控制方式4 3 4 4 2 蒙西发电厂# l 机凝结水泵电机的变频改造后节电效果4 5 4 5 小结4 6 第五章结论4 7 参考文献4 8 致谢5 0 附录5 1 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 4 华北电力人学i ：科硕十学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 1 1 1 目前中国节电的必要性 中国经过二十多年的改革丌放，经济得到了快速发展，生产装备技术水平也得 到了提高。但是，我们也应该看到与国际先进水平相比还存在着很大的差距。仅仅 在用电效率这方面，我们与国际先进水平相差1 0 叫1 。用电的差距就是未来我国进 行节能工作的一个重要突破口。进行节电技术改造，能够使企业收到实际的收益回 报。同时节电技术均附带着保护社会的作用，这样就能够使运行设备既达到节能的 效果，又能够延长设备的使用寿命。 目前，在我国应用比较广泛的节电技术有变频调速技术，系统安全节电技术， 无功补偿技术，照明节电技术。我国现有各种风机、水泵约五千多力台。由于负荷 工况变化大，加之我国普遍存在的设备保险系统扩大，致使大马拉小车的现象比较 普遍。同时由于这些设备长期连续运行，常常处于低负荷及变负荷运行状态，运行工况 点偏离高效点。采用变频技术和系统安全节能技术，这些设备会产生十分显著的节 电效果。以平均节电1 0 计算。全国每年节电可达到1 4 0 0 多亿度，相当于修建一座 一千万千瓦的发电站。每年可减少1 4 亿吨的二氧化碳和4 3 0 万吨的二氧化硫的排 放心，具有较好的经济和社会效益。 如果在我国工矿企业和市政管理系统进行全面的节电改造，那么每年节省的电 费可以建设三个三峡发电站。因此，采用先进的节电设备已经成为我国十一五期问 的一个重要环节。如果节能技术得到普及，不仅仅能缓解我国用电紧张的局面，同 时也可以提高我国绿色g d p 占总g d p 的比例。 随着我国经济进入新一轮增长的上升阶段，电力需求迅猛增长，用电量正以年均5 的速度增长。据相关专家预测，在未来1 5 年间，我国仍需新增加5 0 0 g w 以上的发电装机， 这就意味着未来几年仍将会出现电能供不应求的局面。相当一部分地区仍然缺电，所以 要解决中国的缺电问题，必须要在节约用电加强电力需求侧管理上多下功夫。火电厂是 能源消耗的最主要的大户，在我国的二次能源结构中约占7 4 。火电厂既是电能的生产 者，又是电能的用户和消费者。 根据2 0 1 0 年4 月初中国电力企业联合会的统计，我国的火力发电厂厂用电率 为6 2 6 ，节约厂用电，是降耗节能的又一途径。火电厂中耗电的主要设备是锅炉 风机( 二次风机、引风机、次风机和排粉机等) 、水泵( 给水泵、循环水泵、凝结 水泵等) 和磨煤机，他们所消耗的电量占厂用电量的9 0 以上，对风机和水泵进行节 华北电力人学+ i ：科硕十学位论文 能技术改造，对节能降耗具有重要意义。 目前我国火电厂中除少量风机和水泵采用液力耦合器及双速电机外，其它风机和 水泵基本上都采用定速驱动。这种定速驱动的风机采用入口风门调节流量，都存在严重 的节流损耗。尤其在机组变负荷运行时，由于风机和水泵的运行偏离高效点，使运行效率 降低。有资料显示，我国5 0 m w 以上机组风机和水泵运行效率低于7 0 的占一半以上，低 于5 0 的占1 5 左右。由于目前我国约2 3 的风机类机械在运行中需要调节流量，用阀门 式挡板调节，能源损失和浪费很大，已经到了非改不可的地步。造成这种现象的原因是多 方面的，主要是科研丌发投入不足，科研与生产缺乏有机的结合，生产工艺落后，型线误 差大过流表面粗糙。目前我国大多采用木模整体铸造，造成我国使用的许多引风机性能 实测值与样本给定值误差较大口1 。 电力变压器是一种进行电功率传递和电压变换的电气设备，它广泛应用于企业 供配电系统乃至整个电力系统。 虽然电力变压器的额定效率已达9 8 以上，属高效率设备，但由于在电力系统 以及企业供配电系统中变压器的数量极大，从全国范围说，变压器造成的电能损耗 相当可观，大约占总发电量的7 1 0 。所以降低变压器的损耗是节能的重要课题。 综上所述，对电厂进行节能研究有着突出重要的意义。 1 1 2 内蒙古各发电厂节电设备应用现状 ( 1 ) 内蒙古电网发、供电负荷情况 2 0 0 9 年内蒙古电网统调装机容量3 4 0 0 1 9 5 m w ，停机容量1 0 0 0 0 m w 左右。 ( 2 ) 内蒙古电网发电设备利用小时 2 0 0 9 年内蒙古电网火电机组年平均利用小时数见表卜1 。 表1 - 12 0 0 9 年内蒙古电网火电机组年平均利用小时数 ( 3 ) 内蒙古各发电厂节电设备应用现状 由于内蒙古电网严重供大于求，机组年平均利用小时数低，丌机容量不足，厂 用电率偏高，各电厂纷纷采取节电措施，如上都电厂将凝结水泵由挡板调节流量改 为变频器调节电动机转速，厂用电率由2 0 0 8 年度8 8 下降为2 0 0 9 年度8 6 ；海 渤湾电厂将给水泵由电动直连泵改为液力耦合器调节转速，厂用电率由2 0 0 8 年度 8 9 下降为2 0 0 9 年度8 3 7 ；临河电厂将凝结水泵由电动直连泵改为液力耦合器调 节转速，厂用电率由2 0 0 8 年度7 6 6 下降为2 0 0 9 年度7 4 8 。 内蒙古各电厂厂用电率比较见图卜1 。 2 华北电力人学l ：程硕十学位论文 ， - 【1 一 8 2 艮翻，垦 _ ：一 6 7 霪+ 豳， 4 7 c 2 0 。 上都海电 蒙西达电 i t 每i , , l i 2 0 0 8 8 8& 91 1 3 66 3 47 6 6 i _ 2 0 0 9 8 68 3 7l o 7 66 4 97 镐 图1 - 1 北方联合电力公司各厂厂电率比较 ( 4 ) 蒙西发电厂节电措施 2 0 0 8 年，蒙西发电厂发电量1 7 3 2 6 亿k w h ，厂用电量1 9 6 8 2 亿k w h ，厂用电 率为1 1 3 6 ，# 1 发电机组运行4 5 7 3 小时，发电量1 3 2 1 2 亿k w h ，厂用电量1 5 1 9 亿k w h ，单机厂用电率1 1 5 0 ；# 2 发电机组运行2 5 8 9 小时，发电量4 1 1 4 亿k w h ， 厂用电量0 4 7 3 1 亿k w h ，单机厂用电率l1 5 0 。 针对蒙西发电厂厂用电率偏高的情况，蒙西发电厂采取了以下节电措施： a 是将明备用变压器改为暗备用，将部分灯具改为太阳能灯具等措施。 b 给水泵调速系统采用液力耦合器，二次风机，凝结水泵，一次风机，空冷系 统风机改档板调节为变频器调节。 经采取以上节电措施后，2 0 0 9 年，蒙西发电厂发电量1 5 5 1 6 亿k w h ，厂用电 量1 6 6 9 4 亿k w h ，厂用电率为1 0 7 6 ，# 1 发电机组运行4 2 7 3 小时，发电量1 0 6 7 8 亿k w h ，厂用电量1 1 4 2 5 亿k w h ，单机厂用电率1 0 6 9 ；# 2 发电机组运行2 2 7 5 小 时，发电量4 8 3 8 亿k w h ，厂用电量0 5 2 6 9 亿k w h ，单机厂用电率1 0 8 9 。节电效 果比较明显。 1 2 节电技术的研究现状 1 2 1 电动机节电技术的研究现状 ( 1 ) 我国电动机节电技术现状 目前我国电动机使用面广、用电量大，在环境和能源问题极为严峻的情况下，有必 要丌发高效率电机和节能电机，使电机自身损耗进一步下降，从而减少电动机的用电量。 虽然我国高效电机与国外先进水平相当，但价格高导致市场占有率低；压缩机、泵、j x l 机产品效率较国外先进水平低3 5 ，虽然设计水平与国外先进水平相当，但在制造技 术和工艺方面与国外先进水平相比有差距：系统控制技术及电机传动调速有较大差距， 效率比国外先进水平低1 5 一3 5 。我国的节电工程，应从提高应用能效技术入手。 华北电力人学l ：程硕十学位论文 国家节电工程的实施方案目前已经发布。该方案推广稀土永磁电动机、高效节能 电动机，高效泵、压缩机、风机，高效传动系统，将推动淘汰高耗电设备和低效电动机。 提高电机系统效率，改善泵类、风机电机系统调节方式，取代阀门、闸板等机械节流调 节方式。在节电工程实施方案中，也制订了相关配套措施，如制定能效标准标识制度、 发布相关标准政策、能源管理合同等。引进这些新的市场机制，有利于推动节电工程改 造。 电动机降低损耗提高效率的途径很多，包括采用先进的工艺措施降低杂散损耗， 缩小风扇降低通风损耗，选用优质磁性材料来降低铁耗，改进压铸工艺，降低转子损耗 等。 ( 2 ) 国外电动机节电技术现状 许多发达国家早已意识到提高电动机能效是节能的有效途径，这些国家通过制定 法令推动电动机降低损耗。1 9 9 2 年，美国颁布e p a c t 能源政策法令，规定电动机的效率 必须达到n e m a 标准的最低效率值。至2 0 世纪9 0 年代木，美国能源部对e p a c t 法令实 施的效果进行评估，认为通过推行该标准，2 0 1 0 年以后，每年可节电1 3 0 亿千瓦时， 相当于电动机总用电量的2 3 ，并可相应地节省4 3 0 万千瓦发电容量的投资和巨额电 费。此后美国还出台了其它的法令，例如超高效率电机标准。美国有关部门曾评估，在 实施e p a c t 的基础上，实行超高效率能效标准，到2 0 1 5 年，每年可再节约电能6 8 亿千 瓦时，占电动机总用电量的1 2 o “。 1 2 2 变压器节电技术的研究现状 变压器虽然是一种高效设备，但目自玎我国的变压器普遍存在负荷率低，加之变压器 在电力系统及企业供配电系统中数量极大。所以，降低变压器的损耗是节能的重要课题。 目前，变压器节电技术有以下几种 ( 1 ) 合理选择变压器 在选择变压器类型时，无论使用油浸变压器还是环氧树脂浇注的干式变压器，均选 用低损耗变压器。在选择变压器容量时，利用计算负荷法、最佳负荷率法和计算最佳负 荷率法来选择变压器容量。 ( 2 ) 变压器的经济运行 变压器的经济运行，就是通过优选变压器、优化运行方式、合理调整负荷、改善运 行条件等方法，充分提高变压器的运行效率，使之在低耗能的状态下运行，这是一种投 资少效果显著的节电技术。 ( 3 ) 变压器的经济运行管理 变压器的经济运行管理，就是建立变压器经济运行方案，健全变压器技术档案，对 变压器定期经济分析，改造后的变压器应按电力变压器相应的国家标准进行检查、试验 与验收。 4 华北电力人学l ：科硕十学位论文 1 2 3 电动机变频器节电技术的研究现状 在2 0 世纪2 0 年代，诞生了交流变频凋速理论。但直到6 0 年代，电力电子器件发 展后，才实现了变频调速技术向实用方向发展。7 0 年代席卷全球的石油危机，更促使发 达国家投入大量的人力、物力、财力研究效率高的变频调速器，使变频调速技术快速发 展并得到推广应用。8 0 年代，性能不断提高，变频调速产品化，充分发挥了交流调速的 优越性，得到广泛的应用，并且部分取代了直流调速。进入9 0 年代，尤其是进入2 1 世 纪以后，得益于新型电力电子器件如i g c t ( 集成门极换向型晶闸管i n t e g r a t e dg a t e c o m m u t a t e dt h i s t o r ) 及i g b t ( 绝缘栅双极晶体管i n s o l a t e d g a t e b i p o l a r t r a n s i s t o r ) 、微处理 器技术( 特别是数字信号处理器d s p ) 、微电子技术( 如c p l d 、f p g a 等) 、新型控制策略 ( 如自适应控制技术、智能控制策略等) 、数字滤波技术( 如非线性l u e n b e r g e r 观测器、扩 展k a l m n a 滤波器等) 以及直接转矩控制技术( d t c ) 、电机控制理论本身等技术的综合发 展，大大地提高了变频调速系统的性能，使变频器在调速精度、调速范围、动念响应、 驱动能力、运行效率、输出性能及使用的可靠性、方便性等方面获得了突破性的进展， 其性能指标超过直流调速系统。交流电机变频调速技术成为节能的一种主要手段。 在我国，电动机耗电量占总发电量的6 0 以上，所以电力传动技术在国民经济中占 有举足轻重的地位。近年来随着科学技术的发展，电气传动技术有了明显的进步，特别 是变频调速技术的发展最快。目前，变频调速技术以其显著的节电效果、优良的调速性 能和广泛的适用性成为电气传动技术的主流方向。我国许多产品的研发能力仍落后于发 达国家。目前自行丌发变频调速产品相当于国际上2 0 世纪9 0 年代中后期的水平。目前， 低压变频器品牌从单一的国外品牌发展到7 0 多个品牌，其中国内品牌约占4 0 ，己经 得到广大企业用户的认可。高压变频器因其价格高昂和技术复杂，在国内的应用一直较 为缓慢。近几年，由于生产工艺及能源紧张等各方面的要求，国内高压变频调速市场需 求急剧升温，高压变频己成为大型企业节能工作的必经之路。由于高压变频器投资大， 技术含量高，国内、国际高压变频器的生产厂家大大少于低压变频器。与国内的产品相 比，国际上的大公司如a b b 、西门子、罗宾康等在高压变频器的制造和设计方面具有 明显的优势，但因产品价格昂贵，在国内推广应用受到一定限制。从二十世纪九十年代 起，诸多企业和国内研究机构在高压变频器的研制方面做了许多探索和努力。与国外产 品相比，国产高压变频器在价格方面具有较大的优势，已经全面进入电力、冶金、石油、 化工、建材、市政等重要市场领域。目前，国产高压变频器占有国内1 3 的市场份额。 常用变频调速控制策略有以下几种： a 恒压频比控制 恒压频比控制是变频调速最基本的控制方式，它能够满足交流电机平滑调速的 一般要求，为普通型通用变频器所采用，适用于没有高动态性能要求的一般交流调 速场合，例如风机、水泵等。 华北电力人学! i ：程硕十学位论文 b 矢量控制技术 基于稳态数学模型的异步电动机恒压频比控制调速系统虽然能够在一定范围内实 现平滑调速，但仍不能满足轧钢机、数控机床、机器人、电动汽车等需要高动态性能的 调速系统或伺服系统的要求。矢量控制理论于1 9 7 1 年由k h a s e s 和德国西门子公司的 e b l a s e h k e 提出并以磁场定向控$ 1 j ( f i e l do r i e n t a t i o nc o n t r 0 1 ) 的名称发表，其基本思想是 把交流电机模拟成直流电机进行控制，以得到类似直流电机的优良的动态调速性能，它 把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，采用矢量变换的方法实现交流电动机的转速 和磁链控制的完全解藕。矢量控制交流调速系统具有动态性能好、调速范围宽的优点， 采用光电码盘转速传感器时，一般可以达到o 1 0 0 调速范围。动态性能易受电动机参 数变化的影响是其主要的不足之，迄今为止，矢量控制技术已经获得了长足的发展，走 向实用化，并逐步取代传统的双闭环直流调速系统。 c 直接转矩控制技术 德国学者m d p e n e b r o k c 于1 9 8 5 年首次提出的直接转矩控制( d t c ) 技术，是继矢量 控制变频调速技术之后发展起来的又一种新型高性能变频调速技术。与磁场定向矢量控 制相比，直接转矩控制实现更为简单，功率器件的开关能力可以得到最充分的发挥，因 此被公认为是异步电动机高性能调速的一种新方法。 d 无速度传感器控制技术 现代控制理论在交流调速系统中的应用以及速度观测、参数自设定等技术的研究， 促进了无速度传感器矢量控制的发展。无速度传感器矢量控制技术是为了实现与高性能 有速度传感器矢量控制相当的转速和转矩控制性能，适用于对转速控制有一定的要求， 但又不适宜安装速度传感器的场合。 e 非线性控制 在非线性控制理论的基础上研究其控制策略方面己经取得的成果有：基于非线性状 念反馈与微分几何理论实现输入输出精确解耦与反馈线性化控制：基于无源性 ( p a s s i v i y t ) 的能量成型e ( n e r g y h s p a i n g ) 非线性控制：基于逐步后推( b a e k s t e p p i n g ) 设 计方法的非线性控制等等。基于扩张状态观测器是一种非线性鲁棒控制技术。 fp w m 控制技术 随着电压型逆变器在高性能电力电子装置，如交流传动、不间断电源和有源滤波器 的应用越来越广泛，p w m 控制技术作为这些系统的共用及核心技术，引起人们的高度重 视，并得到深入研究。所谓p 1 j l ，m 技术就是利用半导体器件的丌通和关断把直流电压变成 一定形状的电压脉冲序列，来实现频率、电压控制和谐波消除的- - h 技术。自关断器件 的发展为p w m 技术铺平了道路，目前几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。p w m 技 术用于变频器的控制，可以明显改善变频器的输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减 小转矩脉动，同时还可简化逆变器的结构，加快调节速度，提高系统的动态响应性能。 常用的p w m 控制技术有：正弦波脉宽调制( s p w m ) 技术，消除指定次数谐波的p w m 控 6 华北电力人学f ：程硕：f ：学何论文 制技术，电流滞坏跟踪p w m 控制技术，电压空间矢量p w m 控制技术这几种技术。 目前，我国高压变频器在技术方面已有突飞猛进的发展，通过自主研发掌握了很多 国际先进技术。专家预测，今后技术和产品发展将呈现以下几种趋势。 一是功率单元串联多电平技术依然是市场的主流。目前，国内市场份额中，采用功 率单元串联多电平技术的高压变频器已经超过三分之二，包括利德华福、东方同立、山 东风光等高压变频器生产厂商采用的都是这种技术。 二是向大功率方向发展。大功率变频器市场份额前些年基本掌握在国外厂商手中， 随着国内企业技术水平的提高，国产变频器产品的功率也随之逐步提高。 三是随着高压变频技术的成熟，将大幅拓展工艺控制对于变频调速的需求。如应用 于轧钢机、矿井提升机、电气机车牵引系统等工业领域和高端军事领域等，进一步拓展 了高压变频调速技术的应用领域。 四是高压变频器除了在电力、冶金、石油石化、市政供水等行业得到广泛应用外， 丌始出现更多的细分市场。同时，生产企业在技术全面提高的情况下，供应商同益注重 提供整体节能方案及服务。 1 2 4 发电厂大型异步电动机应用变频调速的现状 风机、水泵等采用变频调速是我国节能的项重点推广技术，受到国家和企业的普 遍重视。1 9 9 8 年1 月1 同丌始实施的中华人民共和国节约能源法第3 9 条已将变频 调速列入通用节能技术加以推广。2 0 0 0 年，联合囤工业发展组织( u n d i o ) 通过在中国建 立一个国家项目中国电机示范节能推广计划，以促进中国工业企业的电机系统优化 节能，并确定先在江苏和上海同时实施。大力推广应用变频调速技术，不仅是当前推进 企业节能降耗的重要技术手段，也是实现经济增长方式转变的必然要求。近年来，国家 大力支持节能技术改造工作，在中华人民共和国节能法和国务院、财政部的相关法 规中都对节能有规定，指出“实现交流电动机调速节电作为重点措施，认真推广”，发 电厂的发电煤耗、厂用电率指标为发电厂考核的首要指标。另外，电网迅速发展，对机 组的调峰能力要求越来越高，调节辅机以适应电力安全、经济运行，直接影响到电厂的 安全性和发电成本，许多国内发电厂采用了变频技术进行技术改造，并取得了很好的效 果。如山东鲁能公司在黄岛发电厂的两台送j x l 机引进美国罗克韦尔a b l 5 5 7 变频装置， 年节电3 4 1 万度电，可节约1 2 5 万元，两年内即可收回全部投资。华能集团在华能新华 电厂的吸风机、给水泵采用美国罗宾康多重化无谐波变频装置，节电率达到2 8 - 4 9 。华 能集团榆社电厂吸风机、辛店电厂升压水泵、淮阴电厂的凝结水泵采用变频装置也取得 了非常好的节电效果。四川华萦山发电厂锅炉送、引风机采用国产北京利得华福单元串 联多电平变频装置，节电效果达到2 6 3 8 。北京大唐陡河发电厂b 2 发电机组甲乙吸风 机采用h a r s v e r t 高压变频调速系统进行调速控制，2 0 0 2 年1 2 月投运，节电效果非常显 著，由机9 0 m w 负荷时节电2 9 。k 机组i o o m w 负荷时节电2 7 4 。入机组1 1 0 1 2 5 m w 负 7 华北电力人学i ：程硕七学位论文 荷时节电2 6 。张家口发电厂8 台3 0 0 m w 机组，每台机组配两台凝结水泵，一用一备。 其中# 6 、# 8 机组的一台凝结水泵分别采用了h a r s v e r t a 0 6 1 3 0 ( 1 0 0 0 k w ) 变频器进行 调速改造，2 0 0 3 年4 月1 5 同投入运行。电厂测算，单台凝泵调速后年节电效益1 4 0 力 元，一年半收回投资。吉林辽源热电装机总容量2 0 0 m w ，其中# 2 机组( i o o m w ) 的两台 引风机于2 0 0 2 年7 月采用h a r s v e r t - a 变频器进行了变频改造，8 月1 l 同j 下式投运。节 电率为2 6 6 引。 1 3 本文主要工作 本文从节电角度出发，对比分析节约电能的几种方法，并结合蒙西发电厂的实 际情况找出适合本厂# 1 炉a 、b 一次风机、# 1 炉a 、b 二次风机、# 1 机a 、b 凝结水 泵电机变频节能改造的方案，对此，本文主要完成以下工作： ( 1 ) 阐述节电技术的研究现状，总结节电技术的方法。 ( 2 ) 阐述变压器节电的方法，研究对空载变压器的运行方式进行倒换的节电效 果。采用了优选最佳运行方式，调整用电负荷节电技术。采用了优选最佳运行方式， 调整用电负荷节电技术后，节电效果明显。 ( 3 ) 研究了转动设备变频节电技术的关键技术。包括：高压变频器主电路拓扑，功 率单元拓扑，高压变频器变频调速方案。最后采用单元串联式多电平变频器的主拓扑， 应用直接高压变频调速系统，空间矢量正弦波脉宽调制方案实现输出频率分辨率达 0 0 1 h z ，调速范围为0 - 1 0 0 连续调节，效率大于9 6 的变频节电调速系统。 ( 4 ) 将高压变频器技术应用于# l 炉a 、b 一次风机、# 1 炉a 、b 二次风机、# 1 机a 、 b 凝结水泵电机变频改造中，验证理论分析的j 下确性。 华北电力人学i ：科硕十学位论文 第二章蒙西发电厂变压器的节电技术研究 2 1 变压器的节电技术研究 电力变压器节电技术就是降低变压器电能损耗的措施与方法。 企业变压器的节电技术可以归纳为合理选择和经济运行两大部分。 合理选择包括变压器类型选择及其容量选择。 经济运行则是指在满足企业用电需求和安全的条件下，采取技术和管理措施， 使变压器处于高效区，在电能损耗最低的状态下运行。 电力变压器节电技术见图2 1 2 2 变压器的选择 图2 1 电力变压器节电技术 2 2 1 选择变压器的方法 ( 1 ) 变压器类型选择 对于一般变电所，应优先选择低损耗油浸式变压器。对防火要求较高或环境潮湿、 多尘的场所，应选择环氧树脂浇注的干式变压器。对有化学腐蚀性气体、蒸汽或具有导 电、可燃粉尘、纤维的场所，应选择密闭式变压器。对多雷区域或土壤电阻率高的山区， 应选择防雷变压器。对电压要求偏差少、稳定性高的场所，应选择有载调压变压器。以 9 华北电力人学l ：稃硕十学位论文 上各种变压器均应是低损耗变压器。 ( 2 ) 变压器容量选择 变压器容量选择与负荷种类和特性、负荷率、需要率、功率因数、变压器有功损 耗和无功损耗、电价、基建投资、使用年限、变压器折旧维护费，以及将来的计划等因 素有关，所以变压器容量选择是个极为复杂的技术经济问题。 在选择变压器容量时，利用计算负荷法、最佳负荷率法和计算最佳负荷率法来选择 变压器容量。 a 按计算负荷法选择变压器 按负荷计算的规定和方法确定工厂或车问总计算负荷后，即可按下面公式选择变 压器容量。 s f s j 。+ s ， ( 2 1 ) 公式2 - 1 中，s ，s _ 工厂总计算负荷； s ，一考虑将来的增容裕量。 计算负荷法没有反映出变压器经济运行的内容。 b 按最佳负荷率法选择变压器 在考虑无功损耗对变压器损耗的影响后，单台变压器的最佳负荷率的表达式为 1 3 j ：= s j 。s ，= ( a p 。+ k q a q 。) ( a p 。+ k q a q “) o 5 ( 2 - 2 ) 若企业的负荷维持s 。不变，可按下面公式选择变压器容量。 s 、= s j 。1 3j 。= s j 。 ( a p 。+ k q a q 。) ( a p 。+ k q a q 。) o 5 ( 2 - 3 ) c 按计算最佳负荷率法选择变压器 对于变化的负荷，可按下面公式选择变压器容量。 s 、= s j 。 bj ，x ( t t ) 0 。5 ) ( 2 - 4 ) ( 3 ) 蒙西发电厂变压器的选择 a 蒙西发电厂# 1 、# 2 主变压器选用s f p l 0 3 7 0 0 0 0 2 2 0 型油浸变压器； b # 1 、2 高压工作厂用变压器选用s f f l 0 一c y 一4 0 0 0 0 2 0 型油浸变压器； c 高压启动备用变压器选用s f f z10 - 5 0 0 0 0 2 2 0 油浸变压器； d 所有低压厂用变压器选用环氧树脂浇注的干式变压器。 2 2 2 蒙西发电厂变压器技术参数 电力变压器之所以存在经济运行问题，主要是由于它的技术参数存在着差异，以及 在运行过程中，其自身要产生有功功率损耗和无功功率损耗，而且它的有功损耗与无功 损耗是随负荷变化而变化的，企业的变压器因负荷变动很大，往往不能处在经济运行状 态，造成电力浪费。变压器只有处在经济负荷率时，它的损耗率j j 最低而效率最高。 因此，深入的分析变压器的技术参数与技术性能具有重要意义，通过分析、计算、 确定变压器的最佳工况，据此合理调整负荷，最大限度的降低损耗，以充分发挥变压器 1 0 华北电力人学i ：稃硕十学位论文 的效能，使有限的电力发挥最大的经济效益。 蒙西发电厂有5 台油浸变压器，3 2 台干式变压器，各变压器参数如下： 表2 - i 蒙西发电厂主变压器、高压厂变技术规范 蒙西发电厂# 1 、# 2 主变爪器技术规范 型日：s f p i o 一3 7 0 0 0 0 2 2 0 额定容量：3 7 0 0 0 0 k v a 额定电压：2 4 2 2 0 k v 空载损耗：p 。1 7 0 k w 负载损耗：p k 6 8 0 k w 相数：3 相 额定频率：5 0 h z 冷却方式：强油风冷 空载电流：o 1 5 总币量：2 4 6 t # 1 、# 2 高压厂刖变压器技术规范 型号：s f f10 - c y - 4 0 0 0 0 2 0 额定容量：5 0 0 0 0 3 1 5 0 0 一3 1 5 0 0 k v a 电压组合：( 2 0 2 2 5 ) 6 3 - 6 3 k v 空载损耗：1 6 8 2 1k w 负载损耗：6 7 8 11k w 相数：3 相 额定频率：5 0 h z 短路电抗：1 4 4 1 空载电流：0 1 6 蒙西发电厂启动备川变压器技术规范 型口：s f f zl0 5 0 0 0 0 2 2 0 额定容量：5 0 0 0 0 3 15 0 0 - 3i5 0 0 k r a 接线方式：y n y n o y n o + o 空载损耗：1 9 6 4 9 k w 相数：3 相 额定频率：5 0 h z 负载损耗： 3 9 5 8 k w 空载电流：0 2 1 表2 - 2 蒙西发电厂低瓜厂用变压器技术规范 照明变 a 、b 启动锅 炉房变 汽机变 s g b l 0 6 3 06 3 0 s g b l 0 6 3 06 3 0 1 a 、1 b 、s g b l 0 1 0 0 0 2 a 、2 b 6 3 士2 2 5 5 7 7 0 49 0 9 6 3 士2 x 2 5 5 7 7 0 4 9 0 9 d y n l1 h 保定天威 d y n l l h 保定天威 6 3 士2 x 2 5 91 6 d y n l l 1 0 0 0 h保定天威 o 41 4 4 3 华北电力人学l ：科硕十学位论文 2 3 变压器节电技术 2 3 1 调整用电负荷节电技术 变压器系统的经济运行，是在保证技术安全和经济合理的条件下，充分利用现有设 备，通过择优选取最佳运行方式，优化负荷调整，改善变压器运行条件或更换变压器及配 套网络改造等技术手段，使配电变压器系统尽可能工作在最佳经济运行区变压器在最 佳经济运行区对提高配电设备的利用率，降低线损，提高经济效益具有现实意义。 变压器只有处在经济运行时，它的负荷率才最低而效率最高。 变压器的有功功率损耗 a p = a p o + 1 32 a p 。( 2 5 ) 变压器的综合功率损耗 a p z = a p o ：+ 1 32 p k ： ( 2 - 6 ) 变压器的综合功率空载损耗 a p 。= p o + k a a p o ( 2 - 7 ) 变压器的综合功率损耗率 1 2 华北 乜力人学l ：程硕十学位论文 a p ，= a p o p ix1 0 0 = ( a p , h + b2 a p h ) ( bs , c o s a r 4 ) 2 + p 伸+ 1 32 a p k ，) x1 0 0 ( 2 8 ) 变压器的综合功率经济负荷率 1 3j z = ( a p 毗p 。：) 0 5 a p 。 图2 - 2 变压器综合功率损耗曲线 蒙西发电厂# 1 发电机运行时，将锅炉1 a 、1 b 变合理安排负荷，使锅炉1 a 、l b 变运行在经济负荷，可节省厂用电。其它并联运行的低压厂变采取相同方式节约厂 用电。变压器综合功率损耗曲线见图2 2 。 蒙西发电厂电气高低压厂用变压器负荷情况见表2 3 。 表2 - 3蒙西发电厂电气高低压厂刚变压器负荷表 华北电力人学! i ：袢硕十学位论文 2 3 2 优选最佳运行方式节电技术 变压器的经济运行方式是指并列运行的变压器当负荷减少时，可将一部分变压 器切除，待负荷增大时再度投入。这种根据负荷变化规律来增减变压器运行台数， 使其损耗达到最小的运行方式，称为多台并列运行变压器的最佳运行方式。 多台相同变压器经济运行台数的确定。 在企业变电所中装有n ( n 2 ) 台容量和型号都相同的变压器经济运行台数的确 定方法如下。 p z s l z ls l z 2 图2 - 3 多台变压器并列运行曲线 1 4 华北电力人学i ：稃硕+ 学位论文 多台变压器并列运行曲线见图2 - 3 。图中，曲线1 表示( n 1 ) 台变压器投入 运行，曲线2 表示n 台变压器投入运行，曲线3 表示( n + 1 ) 台变压器投入运行。 曲线l 、曲线2 、曲线3 每两条曲线的交点a ，b 所对应的负荷为临界负荷s i ：l ，s i , z 。 s l ：l = s n 【n ( n 一1 ) a p o 。p x 。 u ( 2 - 9 ) s l ：2 = s n x 【n ( n + 1 ) a p 眦p h 】u 5 ( 2 1 0 ) 计算出临界负荷s l ：l 和s l z 2 后，便可根据实际负荷s 的大小确定并列运行变压 器的台数。 ( 1 ) 当s l z i s s 1 2 2 时，用n 台变压器并列运行最经济。 ( 2 ) 当s s l z 2 时，投入( n + 1 ) 台变压器并列运行最经济。 ( 3 ) 当s s l z l 时，投入( n 1 ) 台变压器并列运行最经济。 ( 4 ) 当s = s l ：i 时，投入n 台或( n 1 ) 台变压器并列运行均可。 ( 5 ) 当s = s l z 2 时，投入1 1 台或( n + 1 ) 台变压器并列运行均可。 多