600 MW 机组引风机高压变频改造

2018-11-19黄思源

通信电源技术 2018年10期

彭勇，黄思源，张志

（1.中国华能集团有限公司湖南分公司，湖南长沙 410000；2.华能湖南岳阳发电有限责任公司，湖南岳阳 414000）

1 引风机改造的可行性与必要性

随着我国工业的快速发展，我国在资源使用上存在严重的浪费现象，且环境污染日益加剧。近些年，世界各国对环境污染问题愈发重视，出台了一系列环境保护和资源节约政策，并不断进行技术攻关，但资源浪费问题和环境污染问题依然十分严峻。在我国电力系统中，火力发电依旧是最主要的发电方式，发电量约占总发电量的80%，装机容量约占电源结构中总装机容量的75%。煤是火电厂的主要燃料。燃煤会产生大量的烟尘和有害气体，严重污染环境。我国电网虽然发展迅猛，但居高不下的生产成本依旧在一定程度上制约了电力企业的发展。只有努力降低生产成本，电力企业才能在激烈的市场竞争中占据优势，实现可持续发展。因此，改善火电厂的资源浪费问题和环境污染问题是大势所趋，且迫在眉睫[1]。

火电厂发电过程中，风机、水泵等辅机设备的用电量约占火电厂用电总量的70%。所以，火电厂节能减排的工作重心是解决风机、水泵等辅机设备的能源消耗问题。火电厂对风机尝试了各种节能改造措施，主要有节流挡板调解、动静叶调节和转速调节。从效果上来说，节流挡板调节资源浪费严重；动静叶调节虽然能达到节能效果，但是结构复杂，并且对风机的磨损较为严重；相对来说，转速调节具有更好的节能效果。变频调速技术的不断发展，使火电厂风机实现转速调节成为可能。变频调速技术的关键是变频器。国外在20世纪80年代就实现了变频技术的突破，经过多年的发展，变频调速技术已经相当成熟。西门子公司、阿尔斯通公司、ABB公司、通用公司是国外十分知名的变频器生产商。与国外相比，国内变频器在研发方面还比较落后，尤其是在大功率变频器方面，与国外存在不小的差距。随着变频器行业资源的不断投入，国内也出现了北京利德华福、哈尔滨九州电气、广州智光、上海上广电等变频器知名企业。所以，对火电厂引风机进行高频改造的技术条件已经较为成熟。

2 引风机的作用和工作原理

2.1 引风机的作用

火电厂常用的风机种类主要有引风机、送风机、脱硫增压风机以及一次风机等。这里主要探讨引风机，其他风机不做讨论。煤粉在炉膛内充分燃烧，使热能转化为电能，这一过程会产生大量烟尘，需要一种设备把炉膛内的烟尘排出去，而引风机就是这样一种设备。引风机通过增大气压克服系统阻力，从尾部烟道吸出炉膛内的烟气和粉尘，经过脱硫处理后由烟囱排至大气。炉膛内煤粉的持续燃烧需要一定的负压环境。引风机在排除燃烧产生的烟尘的同时，还能保证炉膛内一直处于负压状态[2]。

2.2 引风机的工作原理

引风机的作用对象是气体。由流体力学可知，功率和气体流量、压力有密切关系。压力和气体流量的增大或减小，产生的功率也会随之发生变化。减少火电厂的能源消耗，具体就是减少电动机的电能消耗，就是要减小引风机的轴功率。用P表示引风机的轴功率，H表示引风机的出口压力，Q表示引风机出口的气体流量，K为常数，η1表示内效率，η2表示机械效率，引风机的工作特性可以表示为：

可知，引风机出口的气体流量Q、引风机的出口压力H与引风机的轴功率成正比关系，引风机出口的气体流量Q与引风机的出口压力H的乘积和引风机的轴功率也成正比关系。因此，要减少引风机的轴功率P，只需要减少引风机出口压力H或减少引风机出口气体流量Q。减少引风机出口气体流量的控制方法，以前主要是利用节流挡板进行流量调节，通过关小节流挡板实现对气体流量Q的控制。利用该方法虽然控制了引风机出口的气体流量Q，但是在风机转速保持恒定的情况下，减少引风机出口的气体流量Q，会相应增加风道阻力，从而增大引风机出口压力H。尽管达到了降低Q和H乘积的目的，但降低的幅度很小，并不能显著降低引风机的轴功率P。所以，这种调节方式并不能很好地实现节能效果。

转速调节。将引风机的转速用n表示，n1表示变化后的转速。相应地，Q1、H1、P1分别表示变化后的流量、出口压力和轴功率。由流体力学的知识可得：

可知，引风机的出口流量与转速成正比，引风机的出口压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。所以，只要降低引风机的转速，就可以显著降低轴功率。低引风机的转速可以大幅度降低功率，从而达到良好的节能减排效果。

3 高压变频器的工作原理

引风机的转速调节主要通过变频器实现。电源频率和引风机转速可以用式（5）表示，其中F表示电源频率，N表示引风机转速，P表示轴功率：

由式（5）可以看出，引风机转速与电源频率成正比关系，所以调节电源频率可以实现对引风机转速的控制。这种调速方式具有较强的稳定性，调速范围也较大，属于无级调速，既可以恒功率调速，也可以恒转矩调速。变频调速转速与频率成正比例线性关系。

3.1 变频器的电路组成

变频器由主电路和控制电路两部分组成。

3.1.1 变频器主电路

变频器主电路是电动机实现高压变频的电力设备，主要由整流器、逆变器和平波回路组成。电动机在运转过程中，整流器把工频电源转换为直流电源。二极管整流器是目前比较常用的一种整流器，但其过载能力不佳，在使用过程中容易出现过电流现象。逆变器与整流作用相反，是把直流电源转换为交流电源。在整流过程和逆变过程中，直流电压和脉冲电流中经常会伴有谐波产生，而直流电压会在谐波影响下发生波动。平波回路的作用是为了吸收整流和逆变过程中产生的谐波。

3.1.2 变频器控制电路

变频器控制电路的主要作用是通过一系列的运算、检测、驱动、放大等过程，为电动机主电路提供所需控制信号的电气回路。它主要包括运算电路、电动机速度检测电路、驱动电路以及电压电流检测电路等。变频器工作原理如图1所示。

图1 变频器系统

3.2 变频器的控制方式

变频器有多种控制方式：（1）可控整流器变压、变频器变频，这种变频模式通过不同的控制单元相互配合，调压和调频分步完成，虽然易于实现，但是不能很好地抑制谐波的产生；（2）直流斩波器调压、变频器变频，这种控制方式对谐波有一定的抑制作用，但是增加了斩波器对能量转换的步骤，会额外增加能量消耗，且会增加系统的故障率；（3）变频器自身调压、变频，在这种控制方式下，变频器自带的电子开关可以实现对电压的调整，逆变器开关的频率可以影响脉宽调制频率进而实现逆变，很好地降低了谐波的比例。第三种调节方式中间环节较少，原理简单，在火电厂风机调速中得到了广泛应用。

4 引风机高压变频改造注意事项

4.1 做好变频器的选型工作

目前，市场上的变频器主要有电流型变频器和电压源型变频器两种。实证分析证明，电压源型变频器能够更好地处理谐波现象，其输出侧采用多电平技术，可大范围适用于多种电机，有效解决了低压电机调速难的问题。该类型的变频器多模块的表现形式使得各个元件比较独立，某个模块出现问题并不影响其他模块的正常运行，使得该变频器的市场占有率很高，同时采购和维修也比较方便。所以，在变频器选型上，电压源型变频器是更好的选择。

另外，国外变频器生产商虽然在技术上比国内生产商更有优势，但是具体选择时要具体问题具体分析。国外变频器技术性能好，但是成本较高，备货周期较长，同时具有较高的操作难度，对我国的技术人员提出了更高要求。对于国内技术人员解决不了的问题，还需要国外技术员的远程支持。国内变频器虽然性能较差，但是价格便宜，售后服务更方便。具体选用何种变频器，要根据实际需要，经过大量调研，选择合适的变频器[3]。

4.2 加强技能培训，解决引风机高频改造过程中的技术难题

引风机的高频改造是一项技术含量非常高的工作，在实际改造中不可避免地会遇到大量的技术难题，如低频强风问题、共振问题、电极低频发热问题、电器差动保护问题等，都是引风机高频改造过程中的常见问题。这些问题可以通过技术改进得以解决。例如，低频抢风问题，控制引风机的流量使其大于极限流量就可顺利解决；对于低频发热问题，需要对冷却系统进行升级改造，增加冷却风量。此外，要加强对技术人员的技能培训，使其在实际操作过程中能够及时发现问题并加以解决，以免造成设备损坏和能源浪费。