从节能改造视角谈变频技术在电厂中的应用

吕朝刚　于得海

摘要：变频调速技术是目前世界上技术先进、性能可靠的交流调速方式。目前变频器虽然在技术和价格上还存在一定难题，随着电力电子技术和变频调速技术的不断发展，变频调速技术在发电厂的应用也将更为广泛，这一技术的推广应用将为火力发电厂在节能降耗、提高经济效益、提高上网电价的竞争力方面发挥巨大的作用。

关键词：变频技术发电厂节能应用

1变频调速系统简介

1.1变频器的产生背景异步电动机是生产企业最主要的动力设备之一。作为高能耗设备，其输出功率往往不能随负荷按比例变化。很多现代工业工程中需要对设备的转速进行控制，例如造纸机转速、水泵转速、风机转速等等。近年来，随着变频器技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛，使用变频器对电动机电源进行技术改造成为十分有前途的事业。变频器可以根据负荷的变化或者控制要求随时改变电动机的转速，从而起到明显的节能效果。目前，这已经成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。

1.2变频器简介目前的变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等部分组成。整流部分一般为三相桥式整流器，逆变部分为绝缘栅双极晶体管(IGBT)三相桥式逆变器，且输出为脉宽调制(PWM)波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

现在，全世界范围内的变频器应用极为广泛。主流的变频器品牌包括：ABB、西门子、丹佛斯、施耐德等，基本上所有著名电气设备厂商都有一系列的产品推出。从产品工艺和应用技术上来看，现在的变频器已经非常成熟。

1.3变频器调速原理变频器通过控制电压和频率来实现调节转速。

电机学中有如下公式：n=60f(1－s)/p

(1)

式中：n—异步电动机的转速；

f—异步电动机的频率；

S—电动机转差率；

P—电动机极对数。

由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率即可改变电动机的转速，当频率f在0—50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。实际应用中，如果仅降低频率，电机绕组的电流将会随之增大，特别是当频率降到很低时，该问题就非常突出，电机将被烧坏。所以，为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。

2发电企业进行变频调速节能改造的意义

现今电力系统改革正在不断深化，厂网分开、竞价上网政策开展实施，降低厂用电率、降低发电成本，提高出厂电价的竞争力，就成为每个电厂的当务之急。现以装机总容量115.5MW(10.5MW×11)的柴油机发电厂为例，对其辅机设备采用变频调速技术改造进行探讨。

该火力发电厂的各种辅助动力设备中，风机、水泵、油泵类负载占绝大部分，整个发电厂最高厂用电负荷记录约为2.5MW，辅助动力设备中主滑油泵总容量为0.99MW(0.09MW×11)，占发电厂厂用电40％，如果能够采用变频调速技术对辅机设备进行节电改造，效果是相当明显的。

3系统现状描述

3.1设备简介在该柴油机发电厂中，主滑油泵是发电机组润滑系统的重要组成部分，在管路固定的情况下，润滑系统的滑油压力为关键受控对象。机组处于运行状态时，滑油压力太低会影响机组润滑效果，对机组运动部件造成损害；滑油压力太高则对过滤器、管道及密封胶圈有破坏作用。润滑系统的主滑油泵为德国莱斯特瑞慈(Leistritz)螺杆泵，由L2型滑油螺杆泵、滑油泵电机(啸驰防爆90kW电机)和相关的机械调压机构等构成。

3.2存在节能空间目前，此润滑系统采用机械调压机构保证机组滑油压力控制在允许的范围内，超出正常范围的压力全部由机械调压机构回流管道排放回油柜，这样一来，电机输出功率的很大一部分被排放掉，浪费了大量能源。根据滑油泵厂家资料显示，滑油泵输出压力设计在0.8MPa，而该发电厂柴油机只需要0.6MPa就可满足工况需要，滑油泵在0.6MPa、运动黏度15mm²/S、温度85％℃寸所需要的功率为48KW，而滑油泵电动机功率为90KW，证明余量很大。咨询生产厂家后得知，设计时选用大功率电动机的原因是由于螺杆泵起动时需要较大扭矩，如果起动方式是直接起动而电机储量不够时易烧毁电机，变频技术在当时还未能推广，故选用大功率电动机来达到工况要求。现在只需要配备比滑油泵功率稍大的电动机，通过变频器实现高起动转矩，并且用平滑无冲击的软起动就可以了。

3.3现有系统的弊端现有系统存在以下弊端：一是直接起动的交流电机因起动电流大(通常为额定电流的5—7倍)，在很短的起动过程中，笼型绕组或阻尼绕组将承受很高的热应力和机械应力，致使笼条(或导条)和端环在很高的应力作用下疲劳断裂；二是直接起动时的大电流还会在绕组端部产生很大电磁力，使绕组端部变形和振动，造成定子绕组绝缘的机械损伤和磨损，导致定子绕组绝缘击穿；三是直接起动时的大电流还会造成铁心振动，使铁心松弛，引起电动机的发热：四是机械调压方式经常导致滑油泵出口压力变化偏大，不符合发电机需要出口压力平稳的技术特点，影响发电机设备寿命。

4改造措施

4.1改造方案①异步电动机采用软起动方式在火力发电厂中，大容量交流异步电动机应用非常广泛，由于直接起动所造成的电动机烧毁和转子断条事故屡屡发生，给主机设备的安全经济运行带来很大的威胁，因此大容量异步电动机采用软起动方式，对于延长电动机使用寿命，减少对电网的冲击，保证正常生产是非常必要的。②在润滑系统中应用变频调速系统在润滑系统中应用变频调速系统，变频器以及配套的控制系统根据滑油压力来调节滑油泵的电机转速，避免了电机频率恒定、满负荷输出而带来的电能浪费。而且，每次起停滑油泵时，变频器使电机按照一定的斜率加速，对电机本身和相关的机械机构的冲击都大大减少，从而延长了设备的使用寿命。

4.2改造所需设备每改造1台机组的滑油系统，就需要配套使用如下设备：1台110KV变频器、断路器、电抗器、综合保护器、变频器柜、变频控制器、2台接触器及相关的通信软件。

4.3控制策略一般情况下，滑油泵电机的进线电源来自变频器，另有旁路电源作为故障备用。当运行人员启动滑油泵时，变频器驱动滑油泵电机以一定斜率增速起动。滑油压力传感器将滑油系统当前的滑油压力数值反馈回变频器系统的控制装置，控制装置根据反馈的压力数值和操作人员预先设定的滑油系统标准压力值进行比较运算，然后变频器向滑油泵电机输出一个特定的频率，使滑油泵电机以适当的转速运转，从而使滑油系统当前的滑油压力数值维持在一个最合适的压力范围内。这样，通过泄压装置回流的润滑油非常

少，避免了能源浪费。

变频器自动调节需要的压力反馈信号从机组的传感器设备中直接获得，控制逻辑由控制设备内部的软件实现，可以通过编程，按照经验值设定调节范围，选择合理的控制参数。基于厂内现有的控制系统，可以使变频系统通过控制网络与其无缝集成，变频系统的参数设定、运行模式选择、起停等既可就地进行操作也可在主控室遥控，运行值班人员可以在主控室的电脑画面上实时监控变频系统状态。

5改造方案的特点

5.1与现有工艺完全配合，无技术风险只改动电气驱动部分，对现有滑油系统工艺无影响，不会因为变频改造而产生任何不可靠因素。当变频系统进行检修时，运行人员只需稍做操作，就可以将系统切换成原来的状态，使原有的机械调节装置能够重新发挥作用，做到了平滑切换、无风险整合。

5.2可靠性好使用国际名牌变频器，技术成熟，类似的解决方案已经得到广泛应用。而且，在参数设置时，充分考虑了广州地区高温、高湿的环境特性，将变频器电流限幅为低于额定电流的状态，以保证设备长期良好运行。除了变频器涉及的基本电气回路外，对厂里的一次回路没有改动，基本不会因为变频系统的安装和运行而对其他系统产生影响，使系统的可靠性进一步提高。

5.3与现有控制系统紧密集成该厂现有的主要控制系统是用于机组控制的控制系统、相关的控制网络及上位机软件系统。改造时，我们将变频系统和现有的控制系统网络集成，使其与机组控制系统直接通信，以实现全自动控制和调节。经过编程和组态，变频系统的相关运行参数可以直接显示到上位机控制软件的监控画面上，不仅便于运行人员监控和遥控，而且便于检修人员维护，管理人员也能够通过远程监控网络了解变频系统的相关信息。

6其他技术细节探讨

6.1相关的传感器和控制系统

变频器自动调节需要的压力反馈信号从机组的传感器设备中直接获得，控制逻辑由控制设备内部的软件实现，可以通过编程，按照经验值设定调节范围，选择合理的控制参数。

6.2远程监控改造中变频器采用施耐德公司产品，与发电机控制系统为同一公司生产，其通信功能易与发电机现有工控网络的控制系统实现无缝集成，直接采集现有滑油系统压力值调节变频器，达到发电机工况要求，避免因另外设点而导致采集值与原值有差异，造成发电机保护误动作或不动作。变频系统的参数设定、运行模式选择、起停等既可就地操作也可在主控室遥控，运行值班人员可以在主控室的电脑画面上实时监控变频系统状态。

6.3高次谐波抑制由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载。变频器在现场通常与其它设备同时运行，例如计算机和传感器，这些设备常常安装得很近，这样可能会造成相互影响。谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致，当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。

在清楚地了解诣波产生的原因之后，治理上可采用无源滤波器、有源滤波器，减少回路阻抗，切断谐波传输路径等方法。现在还出现了无源滤波器(LC滤波器)与有源滤波器互补混合使用的方式，可充分发挥LC滤波器结构简单、易实现、成本低，有源电力滤波器补偿性能好的优点，克服有源电力滤波器容量大、成本高的缺点。两者结合使用，从而使整个系统获得良好的性能，力求将变频器产生的谐波控制在最小范围内，达到科学合理用电，抑制电网污染，提高电源质量的目的。

参考文献：

[1]姚锡禄.变频器控制技术与应用福州：福建科学技术出版社.2005.