高压变频技术在火电厂中的节能应用

张云飞

（江苏大唐国际吕四港有限责任公司，江苏 启东226200）

1 概述

在火力发电过程中，用电率是对发电厂经济效益有重大影响的一个经济指标，降低发电厂发电用电率对降低发电成本有绝对的促进作用。在过去一段时间内，我国发电厂的用电率多数在6%至10%之间，近年来随着大功率机组的大量使用，发电厂用电率得到了有效的控制，（举例来说，300MW发电机组的用电率要远高于600MW的发电机组），降低发电厂发电用电率一方面能够对电能紧张情况加以缓解，另一方面能够在一定程度上提升发电厂的经济效益。通常来说，在火电厂中火电机组的一些主要辅机设备（泵和风机等）在发电过程中会消耗大量的电能，因此要想降低厂用电率应该重点从降低泵和风机等耗能较大的辅机设备入手，高压变频技术再此背景下应运而生，具有巨大的可开发性和可利用性。

2 高压变频器的运行原理

变频器就是在电力半导体器件通断的作用下将某一电源频率转换成为另一种频率的控制装置，变频器主要可以分为交- 交变频器和交- 直- 交变频器两种，本段将对高压变频器的基本组成和基本分类进行简要的介绍。

2.1 高压变频器的基本组成

图1

2.1.1 硬件组成。高压变频器的基本构成如图1 所示，各组成结构的功能可以总结如下：整流电路：变频器中的整流电路主要的作用是对工频外部的电源进行整流，给整个体统提供一定的直流电压和直流电源。逆变电路：逆变电路是高压变频器最重要的组成构件之一，逆变电路的主要作用是将电路中输出的直流电压转换为交流电源，这种交流电源的电压和频率都可以根据实际需求进行调整。变频器的输出也就是逆变电路的输出，逆变电路能够对异步电动机的速度进行良好的控制。中间直流环节：中间直流环节的主要作用是对整流电路的输出进行平滑，在中间直流环节的作用下，逆变电路和控制电源能够获得较高质量的直流电源。控制电路：高压变频器系统电路的核心部分就是控制电路，控制电路主要由主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路和保护电路组成。高压变频器性能的好坏受控制电路控制效果的影响极大，如果控制电路良好的运行效果，检测电路得到的各种信号就会被快速完整的输送到运算电路中，进而为高压变频器的主电路提供相应的门极驱动信号，对高压变频器提供必要的保护措施。2.1.2 软件组成。电机系统：电机系统是高压变频器最基本和最重要的组成部分，其中包括电机的启制动功能、调速功能和转向控制功能等。状态监测：状态监测软件是高压变频器中必不可少的软件系统，它对高压变频器的最终可用度具有绝对的影响。状态监测软件能够对变频器的电压、电流等一些关键参数进行实时监控，相关人员能够通过监测数据对整个系统的运行情况加以判断。故障处理系统：在运行过程中如果状态监测系统检测到系统内部存在故障，我们应该及时的对故障部位和故障内容加以判断，通常来说常见的故障包括过电流、过电压、超负载、过热和缺相等。故障处理系统的主要作用就是针对系统存在的不同故障进行不同的处理，使系统重新恢复正常使用状态。

2.2 变频器的分类

图2

2.2.1 交- 交变频器。如图2 所示，为交- 交变频器电路原理图，这种变频器输出的每一相都是由两组晶闸管整流装置反向并联起来的可逆电路，如果能够让两组变流电路进行交替式工作，就能够输出给负载一定频率的交流电。当正组在整流状态下工作，反组在逆变状态下工作时，异步定子绕组将会得到正向的电压，反之异步定自绕组将会得到负电压。交- 交变频器的功率因数和输出频率都较低，因此这种变频器主要适用于转速在每分钟600 转以下，500KW 或1000KW以上的低转速、大功率的交流调速装置。2.2.2 交- 直- 交变频器。交- 直- 交变频器主要分为可控整流器调压、逆变器调频的交- 直- 交变频器装置，不可控整流器整流、斩波器调压、再逆变器调频的交- 直- 交变频器装置和不可控整流器整流、脉宽调制逆变器同时调压调频的交- 直- 交变频器装置。其中第一种装置调压和调频是在两个不同的环节上分别进行的，这种变频器具有结构简单、控制方便等特点，一些早期使用的变频器都属于此类结构。第二种变频器装置的整流环节采用的是二极管不可控整流器，这种整流器仅具有整流的作用而不具备调压作用，因此需要单独建立一个斩波器，运用脉宽进行调压。对于这种变频器装置来说，运行过程中多了一个环节，但是在进行调压时输出功率的因数十分稳定，是一个较为明显的优势。第三种变频器装置采用的是不可控整流、输出功率的因数不发生改变，且采用这种逆变器输出电流的谐波较小，脉宽调制逆变器通常采用的是全控型器件，逆变器功率器件的开关频率对其输出谐波减少度有明显的影响。

3 高压变频技术在火电厂节能中的具体应用

3.1 在风机中的节能分析

在火力发电厂中，风机是一个极其重要的辅助设备，锅炉的风机具有极大的耗电量，近年来随着发电厂火电机组容量的不断增加，电站锅炉中风机的容量也逐渐增大，因此如果能有效提升锅炉风机的运行效率则能够大大降低发电厂的用电率。当前，我国电站风机的运行效率受到风机调速性以及最高效率点的影响，其运行工况点与设计高效点存在一定的偏差，进而运行效率较为低下。对于采用调节门调节的风机来说，二者的偏离度越大，则运行效率下降越快，也就是说，如果风机的型号与管网系统的参数配合度不高，那么调节门就会消耗掉一大部分电量，因此改进离心风机的调节方式是减少风机耗电量的有效途径。对于风机调速节能改造我们有以下方案：当风量裕度不高于10%时，不必使用变速调节，仅使用调节阀门调节即可。对于风量裕度大于10%的情况，可以采用安装变频器进行调节，安装变频器后风机在启动时能够降低其产生的瞬间冲击力，能够对电动机和风机同时发挥一定的保护作用。另外，经数据统计，在风机上安装变频器后，能够节约近三成的电量，大大的降低了发电成本。

3.2 在水泵中的节能分析

给水泵：给水泵与风机情况类似，在设计中通常留有较大的富余量，造成一定的浪费现象，而如果能够在给水泵设计中使用高压变频技术则能够最大程度的降低这种浪费，有效提升资源的利用率。

循环水泵：火电机组中为凝汽器系统提供冷却水的设备就是循环水泵，一台发电机组配备两个循环水泵，通常情况下在冬季启用一台水泵即可，而在夏季则需要启用两台水泵。当前发电机组中大部分循环水泵都采用了轴流泵，其特点是动叶可调，但是这种轴流泵的缺点是只能进行定速运行，无法根据季节的变化而相应的进行速度变化，因此经常会造成大量循环水的流失浪费。如果在循环水泵中增加变频调速器后，就能够较好的克服这个缺点，在节约冷却水的同时，降低了生产能耗。

4 高压变频器应用过程中应注意的问题

首先，从发电厂的性质方面考虑，决定了高压变频器必须具有一定的可靠性，从而保证发电厂的生产安全。其次应该尽量与电厂的运行条件相适应，高压变频器应该具有一定适应电压变化的能力。最后需要注意的是，高压变频器的体积较大，通常长度可达到四至五米，因此在设计安装时应该预留出足够的安装空间，另外空间内部通风散热情况必须良好，因此对于布置优化方面要求相对较高。

总结来说，火电厂使用高压变频技术对辅机设备进行控制调节，能够有效的降低生产能耗，增加生产经济效益，因此在新建项目中应积极规划设计高压变频器的安装使用。相信在未来，如果高压变频技术能够广泛推广，必然能够在发电过程中节约大量能源，改善发电机组的运行性能，进而使火电厂拥有更大的经济效益和社会效益。