变频电机在火力发电厂一次风机中的应用探析

林　武

(中国联合工程公司，浙江 杭州 310052)



变频电机在火力发电厂一次风机中的应用探析

林武

(中国联合工程公司，浙江 杭州 310052)

摘要:如何将火力燃煤发电机组在现有基础上进行技术改造以降低电力消耗和煤炭资源消耗是一个非常值得研究的问题。风机、水泵采用变频调速技术是我国电力系统实施节能技术改造的一项重要内容。目前高压变频调速技术在火力发电节能领域得到了广泛的应用。文中主要介绍了火电厂变频电机的节能原理和运行过程，探讨了一次风机的变频改造方案选定，以及其实际应用效果。

关键词：变频电机；火力发电；一次风机；应用探析

1　一次风机变频调速节能的意义

1.1　一次风机在火力发电厂的作用

一次风机是火力发电厂的重要动力设备，其主要工作原理是通过风机转动的机械能转换为叶轮输送风流的动能，将干燥的煤粉利用风压经过磨煤机送入燃烧的炉膛。在整个火力发电设备系统中，一次风机是重要的组成部分，在动力循环、辅助发电机械工作等方面具有重要的作用，其安全性和经济性对火电厂的发电效益有着重要的影响。

1.2　风机变频调速节能的意义

将风机进行变频调速后可以节约大量的电力消耗。火电厂中的一次风机等设备的使用时间比较长，电力资源消耗比较大，研究一次风机的变频调速技术和风机节能措施具有非常重要的现实意义。通过风机运行原理分析可知，合理的调节风机的转速可以实现风机节能的目的，因为火电厂中的发电机组的电力负载是随着电网中用电设备的负荷大小变化而相应变化的，如果电力系统中的负荷随时间发生了变化，那么发电机组的功率也必须进行相应的调整，为发电机组服务的风机等辅机也应相应变化，以保持供电系统的供需平衡。通常情况下采用挡板或者阀门的调节技术不仅不能有效节约电能，而且还会影响发电机的功率和系统的平衡，这种情况下风机变频改造就有非常重要的意义。

2　一次风机变频改造设计方案

2.1　一次风机节能改造原理

在火力发电中传统上对一次风机进行流量调控的手段是利用风机挡板或者流量阀门，但是这种方法会造成大量的能量浪费。比较好的风机节能方式是转速调节方法，其有多种形式。目前公认的效果最好的是高压变频调节方式，即利用高压控制下的变频电机进行转速调节，进而控制风量和流量。对于风机而言，其主要的定义参数是流量Q、风机的出口压力H、功率P、有效静压Hg，效率η等，表示风机的特性曲线有H-Q曲线、P-Q曲线、η-Q曲线、管路风阻特性曲线。风机有效负载的转矩和转速的二次方成正比，而风机的轴功率与其转速的三次方成正比，所以可以通过不断控制风机的转动速度来达到节能的目标。根据H-Q―S―P状态图(如图1)可以看出，采用变频转速是一种比较好的节能方法。

图1 H-Q―S―P状态图

2.2　变频调速方案面临的技术问题

就目前的情况来说，变频调速技术已经广泛应用在电压低于380 V的风机，但是控制电压比较高的风机却一直没有得到广泛的应用，其主要技术障碍在于所使用的功率电子器件的电压承受能力和开关频率受到了一定技术限制。高压变频电机主要研究内容在于：高压、大电流技术；新型电力电子器件的应用技术；全数字自动化控制技术；现代控制技术等。

就目前的技术产品来看，高压变频电机的实现方案主要有：采用 Y-Δ变换法、高—低—高变频调速系统、直接高压变频调速系统。以第二种为例，这种调解方案主要是将输入的高电压通过降压变压器变为低电压，然后输入给变频器，将变频器输出的低电压通过升压变压器输出为高电压，以满足电机的交变电流要求。其原理结构图如图2。但是这种方案有一定的局限性，节能效果并不是很理想。

图2 高—低—高变频调速系统

2.3　一次风机进行变频改造的设计要点

一次风机变频改造的技术原理如图3，变频电机带动下的风机旁路方案采用一台高压变频器控制一台一次风机运行的方式。为了保证系统安全可靠的运行，变频器必须和工频旁路装置协调工作。变频器出现工作状态异常时，就会停止运行，在特殊情况下，可以利用手动装置进行旁路装置的切换。同时，变频器与系统连接采用两种控制方式：一是现场就地控制方式，二是利用可编程的逻辑控制器与DCS 的连接，实现对系统的远程控制。对变频器的保护方案可以采用：过载保护、过流保护、过压保护、欠压保护、变频装置和隔离变压器的温度过热保护等。

图3 一次风机变频改造的技术原理图

3　一次风机变频改造的实际应用效果

3.1　一次风机变频改造后的节能效果

利用该设计原理对中国联合工程公司的#1 机组实行变频调速改造后，系统的工作状态比较稳定，节能效果显著，笔者将改造的#1 机组 A、B一次风机与未进行改造的#2 机组 A、B 一次风机同时运行一段时间后进行相关参数的统计和对比分析，制作了电机参数对照分析如表1，可以看出，经过改造后的风机节能效果比较理想，为企业节约了大量的经济成本，具有显著的经济效益。

表1　#1、#2 机组一次风机变频电机参数对比表

3.2　一次风机进行变频改造后的优缺点

变频改造后的优缺点如下。

(1)改造后的风机减少了风机启动时的电流冲击。一次风机的电机在启动时最大启动电流约为额定电流的7倍，其他启动方式也有好几倍，但是从技术改造后的风机启动时的负载曲线可以看出，改造后的风机启动时基本上没有电流冲击，即使电流随着转速的提高而增加，但是仍然不会超过电机的额定电流，一定程度上大大减轻了系统的维护保养的费用。

(2)改造后的变频电机相对于没有改造的电机寿命大大延长。改造后的电机的转动速度具有一定的变化规律，减少了轴承的使用负载，延长了电机的使用寿命。

(3)笔者在实际工作中发现，经过改造后的电机在启动时会出现一定的振动现象，这对系统的安全运行造成了一定的威胁。经过研究得出：这种振动是由于风机的振动频率和自有频率有关联变化，会使风机进入共振状态。结合实际为了保证系统的安全运行，采取调整电机的转动速度，使风机在工作时的振动频率发生变化，避免进入共振区的频率范围。

(4)在实际的发电应用中，当两台处于正常状态的变频器进入工作状态时，如果其中的一台发生了系统故障或者引发系统跳闸操作，将会使另一台风机也引发跳闸操作。如果系统触发不当，将会造成严重后果，其改进措施是不断提高功率元件及阻容保护。

4　结束语

变频电机改造和变频调速技术是当今火力发电中节约电能、改进工艺技术的重要手段，以其较好的启动状态和优质的调速能力、较高的节能效率、较高的工作性能等优点在诸多领域都有广泛的应用。为了提高火电厂的经济效益，减少工作时的电力能源消耗，有必要对大量使用的一次风机进行技术改造，提高变频电机的应用范围。

参考文献：

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[2]王彦生,李文平.火电厂一次风机变频改造控制方案应用探讨[J]. 科技资讯,2010,(23) :138-139.

[3]张波.电厂锅炉一次风机变频器改造[J]. 黑龙江科技信息,2009,(12):51.

[4]胡纪明.风机变频调速装置实现关键技术分析[J]. 科技资讯,2009,(18):32.

运营探讨

Exploration of Application of Inverter-fed Motor in Primary Air Fan of

Thermal Power Plant

LIN Wu

(China United Engineering Corporation, Hangzhou 310052, China)

Abstract:How to conduct technological transformation of existing coal-fired generator set in order to reduce power consumption and coal consumption is a very worthwhile research issue. Applying variable frequency control technology in fan and water pump is an important part of China's energy-saving technological transformation of power system. Currently high voltage variable frequency control technology has been widely used in energy conservation of thermal power generation. This paper mainly introduces the energy-saving principle and operation of variable frequency inverter-fed motor of thermal power plant, and explores variable frequency transformation program selection of primary air fan, as well as its practical application effects.

Key words:inverter-fed motor; thermal power generation; primary air fan; application exploration

中图分类号：TN86，TM464

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0114-02

作者简介：林武(1980-)，男, 浙江龙泉人,工程师,2004年重庆大学电气工程学院专业毕业，主要从事电气设计工作。

收稿日期：2015-02-08