高压变频技术在火电厂节能中的应用

刁洪虎

（国家能源集团泰州发电有限公司，江苏 泰州 225327）

0 引 言

随着经济社会的快速发展，电力市场规模进一步扩大，各大发电企业高度重视自身的可持续发展，打造经济效益和社会效益的双赢局面已成为企业的共同追求。火力发电厂是我国的主要电力来源。近年来，高压变频器的应用，为企业生产节能注入了新的动力，本文就高压变频技术在火电厂中的应用展开论述。

1 研究背景及研究意义

1.1 研究背景

目前，我国的发电方式以火力发电为主，火力发电厂锅炉生产依然以燃煤为主，将煤燃烧产生的化学能转化为蒸汽的热能，再将高温高压的蒸汽经过汽轮机转化为机械能，最后由发电机将动能转化为电能。在能量的转化过程中，能耗消耗较为严重，同时燃煤会产生更多的二氧化碳和二氧化硫等有害气体，最终引发温室效应和酸雨等一系列环境问题。我国的火力发电机组应用的变压调频技术出现于20世纪末，是通过改变电动机电源的频率来改变速度。这种技术符合市场发展的要求，被广泛认可。其优点是面对一些常规的能源（煤），在消耗时可以进行机组调节，并在机组变化的基础上完成设备泵和风机流量的调节。对于火电厂，所有的泵和风机类设备是通过阀门来控制节流的，但是这一步骤非常消耗电能。因此，为减少能源的消耗，实现火力发电厂的最大效益，就要对其进行高压改造。

1.2 研究意义

随着现代工业的不断发展，能源短缺问题越来越严重。电力行业虽然推动了社会的发展，但其污染性大，一直以来都是我国节能减排的主要对象。如今大型火力发电厂的锅炉蒸发量高达100～200 t/h，各种设备对电量的需求非常大。假设电厂发电100 kW/h，其中约有8 kW/h左右的电会用于自身消耗，而风机运转消耗占据了总消耗比重的大部分。高压变频调速技术的应用，正是针对风机设备和泵类设备的变频改造问题，对于推动和促进我国相关高技术产业的发展具有非常重要的意义。该项技术的广泛应用不仅能够降低火电厂的生产投资成本，还可以增强其市场竞争力。节能减排目标的实现有助于企业树立良好的社会形象。这与我国目前倡导的创造资源节约型和环境友好型社会的目标相符，对于社会和经济发展具有积极意义。

2 高压变频技术原理及其在火电厂节能中的应用现状

2.1 技术原理

高压变频技术指的是通过改变机械转速的方式来降低机器磨损率，能够有效保护设备使用，同时改善了设备的消耗问题。高压变频通常用在一二次风机、给水泵及循环水泵等设备上。高压变频器装置主要由五部分组成，分别是移相变压器、水冷却系统、控制系统、功率单元及旁路柜等，可根据自身需求选择是否配置输出LC滤波器。装置的每一相可分为3个功率单元，九个功率单元串联在一起，构成了整体变频装置。此外，每个功率单元内的主电路结构都是相同的，电路呈现最基本的“交-直-交”逆变形式，主要包括桥式逆变电路、桥式整流电路以及直流滤波电容。在三相整流桥的作用下，移相变压器二次侧输出的三相交流电被转化为直流电，随后将其输入逆变桥，电路便会发生逆变。SPWM可以有效控制开关器件的通/断状态，输入到逆变桥中的直流电可转化为交流电，且其电压和输出频率均可进行调整。输出LC滤波器主要用于输出电压，经过滤波操作将其转化为非常接近于正弦波的输出波形。此外，高频变压装置还具备旁路功能，其在检修期过程中可对旁路进行连接操作，并在电动机上连接6 kV/50 Hz的交流电源，接确保电动机的连续运行。因此，针对施加到高压电动机的电源，该装置可改变其频率和电压，不仅节约了电能，而且为电动机的调速运行提供了可靠保障[1]。

2.2 应用条件

变频调速技术在实际应用中，常用的调节方式主要有直流调速和交流调速两种。随着技术的发展与完善，高压交流变频调速技术日益成熟，其应用范围不断扩大，在火电厂风机和泵类设备节能改造中发挥了重要作用。但该项技术的应用需要具备一定的条件。第一，交流电动机的能量传递要通过电机内部磁场的旋转来实现，但若是电机的气隙磁通量过大，此时的铁心过于饱和，便会产生较大的励磁电流，情况严重时可能会烧毁电机绕组；反之，若是电机的气隙磁通量过小，电机便会出现出力不足的问题。针对这一问题，火电厂必须在变频改造前加入仪器检测环节，保证电机气隙磁通量的稳定性。第二，异步电机的变频调速控制具有一定的特性，当电机的供电频率超过额定频率时，其电压并不会随之变化，此时开展提频工作，反而会缩小转矩，削弱电动机气隙的磁通量。当额定频率高于供电频率时，将其认定为恒转矩调速，此时电动机的气隙磁通量保持最大值；当额定频率低于电频率时，被称作是恒功率调速，此时的电压输出保持最大值[2]。

2.3 应用现状

对于火力发电厂，高压变频器的作用具体体现在两方面。（1）降低风机设备的耗能，减少阻力；（2）平衡水泵设备的功率，实现减荷目的。与以往的风机调节方式相比，应用高压变频调节，风机的节能降耗水平在30%～50%；而水泵应用高压变频调节，则可以实现20%～30%的节能水平。但是电力生产受自身重要、特殊性质所影响，对高压变频技术要求十分高，在电力生产中使用高压变频技术面临着许多难点。（1）电力生产所涉及的电网电压波动对高压变频技术适应能力提出了高要求，要求其能够在-20%～+10%的电网电压波动范围内正常运行[3]。（2）变频器虽然具备通用性能，但面对不同的组合设备，其仍然无法满足设备的特殊要求，导致部分产品在投入使用后始终无法达到预期效果。设备运行的安全性不高，对企业发展带来了直接或间接的威胁。据了解，部分企业通常会选择自行安装变频器，但由于安装操作不规范，未达到产品环境条件，设备在使用过程中很有可能会出现散热不佳、稳定性差及控制效果不明显等问题，使得设备的配合性和协调性降低。如果高压变频器出现障碍，则会导致整体电力生产系统无法正常运转，如何在高压变频器出现故障时展开更近保障系统稳定运行对策，是使用高压变频技术面临的难题。（3）高压电缆安装还不够便捷，控制接口繁多，难以进行集散操作。

2.4 需要注意的问题

当代火电厂运行所需的大型辅机设备，通常都是主机辅机成对存在的，设备性能较为全面，基本可以满足机组的大部分需求。当辅机处于满负荷运行状态时，变频技术的应用可能会适得其反，大大增加设备的耗电量。因此，首先选择改造其中一台辅机设备、另一台设备保持不变的方式，使两台辅机在负荷较高或者较低的情况下都能够实现合理运行，再加以相应的监测设备，用以调节风机的转速。其次，异步电动机的变频改造会对电动机的运行状态造成一定影响。例如，鼠笼式异步电动机在变频改造后，高次谐波出现，在定子电流中，设备的能耗增加，温升也随之变大，而运行功率反而会降低。同时，高压变频器电容容量不会过度衰减，所以可以有效降低电动机的启动电流，为设备的使用寿命延长创造有利条件。因此，火电厂设备应用高压变频调速技术改造，必须综合考虑多方因素，必要情况下应当增加变频器旁路系统，提高生产的安全性和可靠性。最后，风机和泵类设备的转矩与转速平方之间的关系呈正相关，变频改造后往往会出现电机发热量和电流下降的情况，说明不需要再进行散热处理。需注意，面对运行频率较低的场合，可以考虑强制性通风冷却，防止电动机过热[4]。

3 结 论

高压变频技术日趋成熟，且生产技术水平不断提高，对于企业生产经营具有积极意义。现阶段，高压变频技术凭借其环保、调节性能好等优势，已被广泛使用到各类生产制造行业的高容量电压电机内。高压变频调速技术的实际应用，为火电厂泵与风机设备提供了科学的技术支撑，节能减排工作取得了良好成效。其中，高压变频器在电动机的泵和风机设备中的应用，更是发挥了显著的节能降耗效果。