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变频器行业应用技术方案火电厂变频变频节能改造1前言 目前，在我国电源结构中，火电装机容量占74%，发电量占80%；水电装机容量占25%，发电量占19%；核电仅占1%左右，因此火电机组及其辅机设备的节能改造工作是非常重要的。火电厂中的各类辅机设备中，风机水泵类设备占了绝大部分，蕴藏着巨大的节能潜力。由于火电机组调峰力度的加大，这些机组的负荷变化范围很大，必须实时调节风机水泵的流量。目前调节流量的方式多为节流阀调节，由于这种调节方式仅仅是改变了通道的通流阻抗，而电动机的输出功率并没有多大改变，所以浪费了大量的能源。随着电力行业的改革不断深化，厂网分家，竞价上网政策的逐步实施，降低厂用电率，降低发电成本，提高上网电价的竞争力，已成为各火电厂努力追求的经济目标，要求越来越迫切。风机水泵类负载采用调速驱动具有非常可观的节能效果，这已是共识。 另外，交流电机的直接起动(尤其是高压电机)会产生巨大的电流冲击和转矩冲击，在很短的起动过程中，转子笼型绕组及阻尼绕组将承受很高的热应力和机械应力，致使笼条的端环断裂。直接起动时的大电流还会在定子绕组的端部产生很大的电磁力，使绕组端部振动和变形，造成定子绕组绝缘的机械损伤和磨损，从而导致定子绕组绝缘击穿。直接起动时的大电流还会引起铁芯振动，使铁芯松驰，引起电机发热增加。在火力发电厂中，高压大容量交流笼型异步电动机的使用非常广泛，由于直接起动而造成的电动机烧毁和转子断条事故屡屡发生，给机组的安全经济运行造成很大的威胁。因此大容量异步电动机采用软起动方式，对于延长电动机的使用寿命，减少对电网的冲击，保证机组正常运行是非常必要的。由于电动机的变频软起动可提供高的起动转矩并可做到平滑无冲击，所以采用变频器实现软起动的效果也是非常突击的。同时，采用调速驱动，还可以有效地减轻风机水泵叶轮的磨损，延长设备使用寿命，降低运行噪声。还有运行工艺对辅机设备的控制性能的改善也是十分迫切的，例如锅炉风机和给粉机的调速控制，可以大幅度地改善炉内的燃烧工况，从而节煤、节水，并可节省这些物料的运输，处理能量等。工艺条件的改善可以创造巨大的经济效益，已不再简单地局限在节能的范畴，人们会很快地认识到这一点，并迅速行动起来。 本公司针对发电厂各种高低压辅机电动机的实际运行工况，逐一地进行节能改造方案举例。 2 风机 风机是火力发电厂重要的辅助设备之一，锅炉的四大风机(送风机、引风机、一次风机或排粉风机和烟气再循环风机)的总耗电量约占机组发电量的2%左右。随着火电机组容量的增大，电站锅炉风机的容量也在不断增大，如国产200MW机组，风机的总功率达7140kW(其中，送风机二台2500kW，引风机二台3200kW，排粉风机总功率1440kW)，占机组容量的3%以上。因此，提高风机的运行效率对降低厂用电率具有重要的作用。2.1 风机的运行状况和节能效果 我国电站风机已普遍采用了高效离心风机，但实际运行效率并不高，其主要原因：一风机的调速性能差二运行点远离风机的最高效率点。我国现行的火电设计规程SDJ-79规定，燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为5%和5%10%，风压裕度分别为10%和10%15%。这是因为在设计过程中，很难准确地计算出管网的阻力，并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。但风机的型号和系列是有限的，往往在选用不到合适的风机型号时，只好往大机号上靠。这样，电站锅炉送、引风机的风量和风压富裕度达20%30%是比较常见的。 电站锅炉风机的风量与风压的富裕度以及机组的调峰运行导致风机的运行工况点与设计高效点相偏离，从而使风机的运行效率大幅度下降。一般情况下，采用调节门调节的风机，在两者偏离10%时，效率下降8%左右；偏离20%时，效率下降20%左右；而偏离30%时，效率则下降30%以上，对于采用调节门调节风量的风机，这是一个固有的不可避免的问题。可见，锅炉送、引风机的用电量中，很大一部分是因风机的型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当而被调节门消耗掉的。因此，改进离心风机的调节方式是提高风机效率，降低风机耗电量的最有效途径。 2.2 风机调速节能改造方案分析 (1) 对于常年带满负荷的机组根据生产状况，大部分所配置的风机及电动机在设计时考虑各方面因素，都加大容量。而电动机转速是恒定不变的，总是满负荷运转，这样风机产生的风量及风压需要安装一个放风调节阀来调节风量因而浪费电能，及产量和质量提高。同时产生很大的噪音，造成噪音污染。我们的方案如下：一、 当风量裕度在10%左右时，此时只要采用调节阀门调节即可，不必采用变速调节。二、 当风量余度大于10%时，采用变频调速非常经济，安装变频器来控制电动机转速则可不用调节阀调节风量，风压基本保持恒定。所需风量大小由窑面操作人员根据情况随时调节变频器的运程控制器，即调节变频器输出频率（050Hz）大小达到控制风机转速快慢，最终控制风机产生的风量满足工作要求。或在风道安装压力传感器组成闭环系统，实现风机的自动控制。三、 优点：1、 安装变频器后，主要是采用软起动，消除起动时产生瞬间冲击力，对电动机和风机可起到保护作用，另风机发生故障时，变频器可以自动断电，对电机起保护作用。2、 在风机风量有富余放空情况下，安装变频器后，可保证节电效果在30%以上。一般在610个月回收成本。3、 降低噪音污染，提高电机功率因数，达到0.98以上，起到环保节电作用。(3) 风机的功率一般在10002000kW，在目前的功率器件耐压条件下，采用高压IGBT和IGCT的三电平中压变频器，是目前的最佳选择方案。这种变频器的功率器件不串不并，可靠性最高，逆变单元采用12只HV-IGBT或IGCT，使用的功率器件最少，成本最低，体积最小。输入采用12脉冲整流器，网侧谐波小；输出采用LC滤波器，电流波形好，总的谐波畸变率THD1.15。磨煤机的控制根据粉仓粉位信号采用台数调节法，磨煤机不必采用变频调速。若机组负荷变动大，磨煤机起动频繁的话，则要解决的是磨煤机的起动冲击问题，但是仅仅为了解决起动问题而采用高压电机软起动器的话，也不够经济，并且软起动器对于需要重载起动的磨煤机也作用不大，这时可进行给粉机的变频改造以改善燃料控制手段；或增加粉仓容量以减少磨煤机的起动次数。 对于直吹式制粉系统，每台锅炉配备中速磨煤机或风扇磨煤机48台，其中必须有一台备用。当锅炉带额定负荷运行，须6台磨煤机工作时，允许有2台备用；对于双炉膛锅炉，每个炉膛宜各设一台备用磨煤机。直吹式制粉系统的燃料(煤粉)是靠排粉风机(对于负压送粉系统)，或一次风机(对于正压送粉系统)送入炉膛燃烧的，为了改善进入炉膛的燃料的可控制性，可对排粉风机或一次风机进行变频调速改造，而磨煤机则根据锅炉负荷需要采用台数调节。 4.2 给粉机 对于中间贮仓式制粉系统，燃料(煤粉)是通过给粉机送入炉膛的，改变给粉机的转速即可改变给粉量。以前多采用滑差电机进行转速调整，存在许多问题，现在均用变频器来改变其转速。给粉机都是3kW的小电机，每台锅炉816台，实现变频调速主要是改善控制工艺，配合风量的变化改善锅炉燃烧控制系统的调节品质，有利于机组协调控制系统的投入，改善整个发电机组的控制性能。 4.3 给煤机 磨煤机所需的煤量是由给煤机输送的。由于煤种及磨煤机工况随时改变，给煤量也是要改变的。原来受技术条件的限制，给煤机存在调速不稳定，下煤不均匀，造成磨煤机存煤量变化频繁，导致磨煤机入口负压，出口温度大幅度波动，不利于机组安全经济运行，跑粉、堵煤严重。现在均用变频器调节给煤机的转速，改善了给煤的可控性，并作为制粉系统协调控制的子系统，为实现制粉系统自动化，降低电耗创造了条件。4.4 供油泵 供油泵是在机组开、停机时或者低负荷时炉膛燃烧不稳定时为锅炉提供燃油的设备，一般两台机组共用一套燃油系统，配备三台供油泵，一台运行、两台备用。机组稳定运行时，锅炉的燃料是煤粉，理论上供油泵可以全部停运。但是为了应付由各种原因造成的锅炉燃烧不稳定的紧急情况，为确保机组安全运行，规程规定要有一台泵长期运行，以维持燃油的正常循环。这种运行方式的缺点是:除了浪费能源外，燃油长期高速流动，造成贮油罐温度升高，特别是在盛夏高温季节，油罐温度可高达50，造成严重的安全隐患，供电管路长期呈高压状态，管道阀门，活结等管件容易发生渗漏，增加了设备维护工作量，也影响了环境。若改用变频调速，正常情况下让油低速循环，就可免除上述隐患，又能在紧急情况时保证锅炉的供油。供油泵为低压电机，可采用低压变频器一拖三带工频旁路的方案，比较经济实用。 5 结 论 鉴于发电厂辅机电动机调速节能的巨大经济潜力，和面对厂网分家，竞价上网的严峻形势，发电厂辅机调速节能改造势在必行。各种调速方式在性能指标、节能效果、资金投入等方面各有其优缺点，因此在采用何种调速方案进行节能改造方面，也没有一个统一的章法。本文提出的一些改造方案，是根据一般电厂的情况提出的，仅供参考。各电厂应根据本厂机组的具体情况，如负荷情况(是否调峰)，辅机电动机设计余量，场地位置，资金投入等情况全面考量，选择适合本厂具体情况的节能改造方案。 考虑到发电厂生产的具体情况，在进行节能改造时应遵循以下几个原则: 安全第一的原则 辅机电动机作为发电厂的主要动力源，可靠稳定运行是最基本的，安全是前提。 节能降耗的原则 调速改造的目的是为了节能降耗，系统节能率越高越好，至少达到30%。其次是改善控制性能，提高机组整体效益。 投资回收期短的原则 节能改造，要求低投入，高回报，要求调速改造工程的投资回收期尽可能的短，最长不能超过五年。这对发电厂节能改造是个苛刻的要求，因为发电厂的上网电价要比一般工矿企业的电价低许多，一般为50%左右。因此在发电厂进行节能改造时更要讲求经济性。 系统改动最小的原则 改造工程应尽可能避免更换原有电机，减少系统的改动。但是为了改善电源结构，消除原有系统的不合理因素或设备选型严重不当等原因，也可进行较大的改造，总之应遵循经济合理的原则。 空间适宜的原则 改造工程应根据原系统安装空间允许的原则考虑，既要满足设备对环境的要求，又要尽可能安装在现有的厂房，机房或控制室等建筑物内，避免增加土建工程。 对于随机组长期连续运行的重要设备，如送、引风机，进行变频调速节能改造时，都要采用一施一方案，即一台设备配置一台110%容量的变频器，并且要设计工频旁路系统，当变频器故障时将设备切换到电网运行。为了避免因设备的切换影响机组安全运行，还要设计同步切换(Bypass)控制功能，实现真正的平稳无扰动切换。对于可以间歇工作的设备，如灰浆(渣)泵等，为了降低改造成本，可以采用“一拖N”方案，但必须采用“冷”切换方式，以保证变频器和拖动设备的安全。 1、风机水泵控制设备现状在各种工业用风机、水泵中，如锅炉鼓、引风机、深井、离心泵等，大部分是额定功率运行，风机流量的设计均以最大风量需求来设计，其调整方式采用档板，风门、回流、起停电机等方式控制，无法形成闭环控制，也很少考虑省电。水泵流量的设计同样为最大流量，压力的调控方式只能通过控制阀门的大小、电机的启停等方法。电气控制采用直接或Y启动，不能改变风机的转速，无法具有软启动的功能，机械冲击大，传动系统寿命短，震动及噪声大，功率因数较低等是其主要的难点。2、变频调速的节能意义风机水泵类负载多是根据满负荷工作需用量来选型，实际应用中大部分时间并非工作于满负荷状态。采用变频器直接控制风机、泵类负载是一种最科学的控制方法，利用变频器内置PID调节软件，直接调节电动机的转速保持恒定的水压、风压，从而满足系统要求的压力。当电机在额定转速的80运行时，理论上其消耗的功率为额定功率的(80)3，即512，去除机械损耗、电机铜、铁损等影响。节能效率也接近40，同时也可以实现闭环恒压控制，节能效率将进一步提高。由于变频器可实现大的电动机的软停、软起，避免了启动时的电压冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。为达到节能的目的推广使用变频器已成为各地节能工作部门以及各单位节能工作的重点。因此，大力推广变频调速节能技术，不仅是当前企业节能降耗的重要技术手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。3、风机变频调速节能原理当风机的转速从nl变为n2时，Q、H、P大致变化关系为：Q2=Q1(n2n1)H2=H1(n2n1)2P2=P1(n2n1)3Q一风量 H一风压 P风机功率由上式可知风机(或水泵)流量与转速的一次方成正比，压力与转速的二次方成正比，而轴功率与转速的三次方成正比。因而，理想情况下有如下关系:流量()转速()压力(扬程)()功率()10010010010090908172.980806451.270704934.360603621.650502512.51)、 由上表可见：当需求流量下降时，调节转速可以节约大量能源。例如：当流量需求减少半时，如通过变频调速，则理论上讲，仅需额定功率的12.5%，即可节约87.5的能源。如采用传统的挡板方式调节风量，虽然也可相应降低能源消耗，但节约效果与变频相比，则有天壤之别。目前绝大多数锅炉燃烧控制系统中的风量调节都是通过调节风门挡板实现的，这种风量调节方式不但使风机的效率降低，也使很多能量白白消耗在挡板上。为节约电能，提高锅炉燃烧控制水平，增加经济效益，采用变频调速系统取代低效高能耗的风门挡板，已成为各锅炉使用单位节能改造的重点。1引言长期以来，我国政府对节能工作十分重视，我国能源节约与资源综合利用“十五”规划提出高压大功率变频调速作为重点发展的节电技术之一，要求大力推动高压大功率变频调速示范工程。在工业领域，火力发电厂的节能是非常重要的一部分。目前，在我国的能源结构中，火电约占74%(发电量占80%)。因此，如何提高和改进火电机组及其辅助设备的节能就显得十分重要。我国的电力设备中，大容量，高参数的火电机组所占的比重小，整个火电发电能耗高。据统计，我国火电厂供电煤耗在400-420g/kWh，比国外先进国家高80-90g/kWh。火电厂的水耗也比较高，一般二次循环水的电厂，每百万千瓦耗水为1m3/s秒，而国外先进水平只有0.6-0.7m3/s。此外，火电厂的送风机，引风机，给水泵，循环水泵，凝升泵，灰浆泵等设备由于种种原因造成大马拉小车现象严重。而且发电机组的运行状态必须跟随电网负荷需求的变化而不断调节。因此，需要相应地调节上述辅助设备的运行状态，比如利用变频调速技术改变设备的运行速度，以调节给水量、给风量的大小，既可以满足生产要求，又能达到节约电能的目的，同时减少因调节挡板阀门而造成挡板阀门和管道的磨损及经常停机检修所造成的经济损失。因此，在火电厂的主要辅助设备上推广应用变频调速技术，能提高火电厂运行和供电的可靠性，节约大量能源，为火电厂带来较大的经济效益和社会效益。火电厂厂用电设备主要包括：锅炉送引风机、锅炉给水泵、循环水泵、磨煤机等四大辅机和其它的厂用电设备。发电能源、系统构成和机组配置不同，造成厂用电率的差异。一般机组容量大，机组参数高则厂用电率低。风机和水泵是发电厂中耗电量最多的设备，在火电厂中，风机和水泵的耗电量约占厂用电量的65%左右。对厂用风机、水泵等设备进行变频调速改造，可以显著降低厂用电率。根据具体情况，风机、水泵采用变频调速后，节电率在30%-50%范围内，通常1年半到2年左右内可收回变频器的设备投资。2传统挡板阀门调节存在的问题风机水泵传统的调节方式是调节入口或出口的挡板阀门开度，以此来调节流量和压力，是一种经济效益差、能耗大、设备损坏严重、维修难度大、运行费用高的落后办法。主要存在以下问题。（1）采用挡板阀门调节时，大量的能量损耗在挡板阀门的截流过程中。对风机，水泵而言，最有效的节能措施是采用调速来调节流量。由于风机水泵大都为平方转矩负载，轴功率则与转速大致成立方关系，所以当风机水泵转速下降时，消耗的功率大大下降。图1表示了风机采用各种调节方法时消耗功率与风量关系曲线。其中曲线1为输出端风门控制时电机消耗的功率；曲线2为输入端风门控制时电机消耗的功率线；曲线3为转差调速控制(采用滑差电机，液力耦合器)时电动机消耗的功率；曲线4为变频调速控制时电动机消耗的功率；最下面一条曲线为调速控制时风机实际所需轴功率（即电机轴输出功率）。可见，在众多的调节方式中，节能效果最好的是变频调速。（2）介质对挡板阀门和管道冲击较大，设备损坏严重。（3）挡板阀门动作迟缓，手动时人员不易操作，而且操作不当会造成风机震动。挡板阀门执行机构一般为大力矩的电动执行器，故障较多，不能适应长期频繁调节，调节线性度差，构成闭环自动控制较难，且动态性能不理想。（4）异步电动机在直接起动时起动电流一般达到电机额定电流的68倍，对电网冲击较大，也会引起电机发热，强大的冲击转矩对电机和风机的机械寿命存在很多不利的影响。过去也有电厂采用液力耦合器进行调速。液力耦合装置缺点是体积大、噪声大、调速范围窄、效率低、油系统维护复杂等。图1风机采用各种调节方法时消耗功率比较3采用变频调速的优点（1）变频调速能节约原来损耗在挡板阀门截流过程中的大量能量，大大提高了经济效益。（2）采用变频调速后，可实现软起动，对电网的冲击和机械负载的冲击都不存在了，延长了电机和风机水泵的寿命。同时，采用变频调速后，电机的无功功率通过变频器直流环节的滤波电容进行了瞬时补偿，变频器的输入功率因数可大0.95以上。相对电机直接工频运行而言，功率因数大大改善，对低速电机效果尤为明显。实现变频调速后，风机和水泵经常在额定转速以下运行，介质对水泵叶轮，风机风扇的磨损，轴承的磨损，密封的损坏都大大降低。同时，烟气对烟道挡板的冲击磨损大大降低，延长了烟道挡板的检修周期，减少了维护工作量。电机运行的振动和噪声也明显降低。（3）采用变频调速后，可以很方便地构成闭环控制，进行自动调节，调节器输出的420mA信号输出到变频器(或通过通信接口进行控制)，通过变频器调节电机转速，可以平稳地调节风量，流量，且线形度较好，动态响应快，使机组在更经济的状态下安全稳定运行。4艾帕高压变频器原理及特点上海艾帕电力电子有限公司的Innovert系列高压变频器(单元串联多电平PWM电压源型变频器)是一种直接高压输出电压源型变频器。它采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染小，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动，噪音，输出dv/dt，共模电压等问题，不必设置输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。Innovert系列采用无速度传感器矢量控制技术（国内首创），全数字控制，具有起动力矩大，转速精度高，抗电网波动和负载扰动能力强的特点。其原理如图2所示（以3kV高压变频器为例）。（a）主电路拓扑结构 （b）功率单元结构图2单元串联多电平变频器原理电网电压(如6kV)经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出端串接起来，中心点相联，形成Y接结构，另外三端实现变压变频的高压输出，供给电动机。3kV输出电压等级变频器每相由3个额定电压为690V的功率单元串联而成。改变每相功率单元的串联个数，就可实现不同电压等级的高压输出。6kV变频器每相由5个功率单元串联而成，10kV变频器每相由8个功率单元串联而成。每个功率单元分别由输入变压器的一组副边绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于6kV电压等级变频器而言，给15个功率单元供电的15个二次绕组每3个一组，分为5个不同的相位组，互差12电角度，形成30脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真可达到1%左右，由于输入电流谐波失真很低，而且采用二极管整流方式，变频器输入的综合功率因数可达到0.95以上。图3为该变频器的输入电压电流波形。逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波。输出电压每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt很小。功率单元采用相对较低的开关频率，以降低开关损耗，提高效率，变频器额定效率可达98.5%,考虑输入变压器后的总体效率仍在97%以上。由于采用移相式PWM，电机电压的等效开关频率大大提高，且输出电平数增加，以6kV输出变频器为例，输出相电压为11电平，线电压为21电平，输出等效开关频率为6kHz，电平数和等效开关频率的增加有利于改善输出波形，降低输出谐波，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机。图4为此类变频器的输出电压，电流波形。图3单元串联多电平变频器输入波形图4单元串联多电平变频器的输出波形与普通采用高压器件直接串联的电流源型变频器及三电平电压源型变频器相比，由于采用功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。功率单元中采用常规IGBT功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。功率单元采用模块化结构，同一变频器内的所有功率单元可以互换，维修也非常方便。由于采用功率单元串联结构，所以可以采取功率单元旁路选件，当功率单元故障时，控制系统可以将故障单元自动旁路，变频器仍可降额继续运行，大大提高了系统的可靠性。图5为6kV/1000kVA高压变频器的外形照片和内部所用功率单元的照片。5应用实例北方某电厂于2005年10月在200MW机组锅炉二台1250kW/6kV引风机电机上采用上海艾帕电力电子有限公司生产的Innovert系列高压变频调速装置。到目前为止运行良好，节能显著。锅炉引风机铭牌参数：型号Y4-2X73-2；冷却方式：水冷；风量：723780m3/h；风压：53779Pa；叶轮直径：2650mm；配用功率：1250kW。引风机电动机参数：型号：YKK6304-8；额定功率：1250kW；频率：50Hz；额定电压：6000V；接线：Y接法；额定电流：154A；转速：743r/min；功率因数：0.86；绝缘等级：F；防护等级：IP44。变频器型号：Innovert6/6-140,额定电压6kV,额定电流140A，容量1500kVA。用户考虑到实际运行负载电流不可能超过140A，为了降低投资，选择变频器额定电流140A。有关部门对节能效果进行了测试考核。试验用双功率表法测量有功功率，试验中每个工况稳定运行3h，试验数据如表1所示。电厂在变频器经过一个月运行后，将变频改造前后的月耗电量进行比较，表2所示。月平均节电率达到35.93%，按照每年运行5500h，电价0.36元/kWh计算，年节电费为47.3379/72055000.36=130.2万元。安装变频器后，电动机实现了软起动，电机转速从零按照设定的加速时间缓慢升速至运行转速，减少了冲击力矩对电机和风机的损害。安装变频器后，由于正常工作时风机的转速比额定转