火电厂变频技术应用分析

袁路路，杨绪义

(1.河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000；2.南阳鸭河口发电有限责任公司，河南 南阳 473000)

由于能源供应的日趋紧张，我国电力系统分阶段实施电厂与电网分离、电能竞价上网的政策，通过分阶段实施，逐步实现同网、同质、同价的公平竞争，从而促进电力生产力的充分发挥。这就促使发电厂改造已有设备，实现降低生产成本，节能减排降耗。火力发电厂中，厂用电率是影响电厂经济效益的重要指标。包括电动机、照明、超暖通风等设备耗用的电能，电厂辅机中风机、水泵类占厂用电率约75%。风机水泵可能存在负载所需的功率远小于电动机的额定功率也就是常说的“大马拉小车”的现象，机组人员满负荷工作运行时，风门开启程度只有25%～30%，风机设备风阀调节性能差，风阀运行在极小的开启状态，增加了风阻。因此，选择合适的高低压厂用电动机变频调速系统，使用变频调速技术对一次风机和凝结水泵等设备进行改造，进而达到降低厂用电率、提高经济效益、降低发电成本的目的。随着我国经济的日益高速发展，发电厂的数量和装机容量的持续增加，负荷变动情况错综复杂，发电机组必须适时调峰，根据实际的负荷变化而变化，这一点也越来越依赖于变频调速装置实现。

发电厂中厂用电动机的故障，15%左右是由电机硬启动时产生的过大电流及大电流在电机绕组端部产生的过大电磁力引起的，电厂的调峰运行会使得电机启停次数的增多，从而导致了设备故障率的增加，缩短了电动机的使用寿命 ，使得设备的检修费用和运行的人力成本大大增加。变频调速装置可以实现平滑无极调速，特别是高压变频器的使用能够获得更多的节能。据统计我国火电厂中厂用电设备的一次风机和凝结水泵类进行变频调速改造后，节电率可达到20%～50%。因此，为了在市场大环境下滑的情况下提高发电企业的市场竞争力，控制成本获得更多的盈利，可以通过对发电厂的辅机设备，特别是一次风机和凝结水泵的电动机进行变频调速技术改造，进而最大程度地降低火力发电厂的生产成本。

1 变频器的工作原理

作为一项新技术，交流变频调速技术能够实现无级平滑调速，能够减小电机的启动电流、起动转矩大，具备调速精度高、容易实现自动化控制、效率高等特点，以显著的节电效果和广泛的适用性，成为电气控制技术改造的主要方向[1]。交流变频调速技术目前通过改变脉冲宽度调制电压输出波形进行控制，即PWM方式。从工作原理上说目前最优异方式为空间矢量控制变频器，模拟直流电机的调节方式，是较为理想的一种调速方式[2]。

异步电动机的转速为

(1)

式中：n为电动机的转速，r/min；p为电动机的磁极对数；s为电动机的转差率；f为电源频率，Hz。

从式(1)中可以看出，磁极对数一定，转差率不变时，通过改变同步转速和电机转速来改变电源频率，同时，频率的降低会导致磁通量的增加，所以降频的同时还要降压，这应由电机的工作频率和不同的电压大小来进行协调管理控制，所以称之为一个可变频率可变电压调速系统，即变频调速[3]。

泵的功率与转速的关系为

(2)

式中：N为功率，kW；n为转速，r/min。

从式(2)中已知，功率的三通方形和速度，并且减速速度可以大大降低功率。对于一个水泵，流量与转速成正比。当流量从100%降低到75%时，速度降低到75%，电机功耗降低到30.4%，即节省69.6%的电能。考虑到调节阀门时功耗，实际功耗与额定功耗的差值，以及转速下降引起电机的效率下降等因素，节电效果还是相当显著的。

2 变频调速技术在火力发电厂中的应用

2.1 节能应用

变频器可以依据负载的变化情况自动调节电机的频率，这样既满足负载的需要又能起到节能的作用[4]。电机的能耗与转速成3次方关系，假设电机在85%额定转速工作，其功耗可降至61.4%。将变频器应用于凝结泵的电流做出以下比较(见表1)：

表1 凝结泵改造前后电流比较

依据表1，估算对凝结泵进行变频改造后的情况：

按平均每年190 MW估算，年利用率按300天计算，有

以电价0.21元/kW·h-1计算，每台凝结泵可节约20.3万元/年。

2.2 软起动应用

电机直接起动时的冲击电流最大值能够达到额定电流的5～7倍，星三角启动也能达到额定电流的4～5倍，在短暂的启动过程中，电机的绕组会承受很大的应力，超过端环的承受能力时就会出现断裂。电机启动时的大电流还会产生过大的冲击转矩，造成电动机端环断裂，定子端部绕组绝缘的机械磨损，导致绕组发热，使得电机绝缘老化导致击穿烧机。启动时的大电流还会造成电机铁心振动，使得铁心松弛进而可以引起电动机发热。凝结泵改造为变频运行之后，从启动的负荷曲线可以看出，启动时没有出现大电流冲击，电流平稳地随着转速的上升而增大，不会超过额定电流，解决了硬启动时大电流带来的一系列问题。使得电机带动负载后能更好地适应负荷的变化，不会产生冲击电流，不会引起电网电压的波动，使电网进入不稳定运行状态。另外直接启动可能造成的电动机绕组发热绝缘老化甚至烧毁等事故，给发电厂主机设备的安全运行带来威胁，因此锅炉和汽机类辅机的电动机采用变频调速软起动方式，对于电机的安全运行、延长检修周期，提高调节效率，降低了设备的损坏几率，节约了日常维护的费用。另外，变频调速系统本身能够实现过压保护，过流、过载保护等完善的电气保护功能，能够确保设备安全工作。

2.3 控制应用

火力发电厂汽机和锅炉等各种辅机设备中，各类风机和水泵类设备占80%以上。结合辅机运行工况，随着电厂调峰力度的增大，需要对风机水泵进行实时调节，可以在风机水泵电机上设置电气旁路，正常情况下电动机变频运行，当变频控制器有故障时，自动选择到工频工作。如图1所示，进行如下改造：

图1 加装变频器的电气主回路

(1)对电动机进行可调频率可调电压控制，原来连接的动力电缆不变，但为防止高频信号干扰，影响其他仪表及保护回路，将原电缆使用钢带接地，变频器控制线使用屏蔽电缆。

(2)电厂重要辅机使用工频运行与变频器运行回路并联的方式，在变频调速系统不能正常工作时，自动调整为工频运行，做到安全第一，节能第二；每台发电机组配备两台凝结水泵，采用明备用方式。使用一拖二模式的自动工/变频切换，使用一拖二的控制方式可以提高变频调速设备的利用率，达到最优的节能效果。

(3)变频器使用控制就地控制和远方调度中心控制，这里重点介绍远方控制，监控中心通过操作面板，既可以远程调控，又可以实时监视设备的运行状态，加上声光报警系统，实现设备可靠运行调整，记录并处理突发事件。

(4)电源主回路改造使用微机型保护元件作为设备的后备保护，调整变频器的频率上下限，防止因故障而造成电动机转速下降至零点造成停机等严重故障，使电厂重要辅机工作的安全性得到保障。

(5)加装电气连锁回路，变频器一旦发生故障，启动备用电机或旁路开关冗余备份，避免电厂发生重特大事故，造成重大损失[5]。

如图2所示，某火电厂进行凝水泵和风机的变频调速改造，改造总容量为1 900 kW。改造后凝结水泵出口阀门始终处于全开位置，通过调节变频器输出频率改变水泵转速，达到调节水泵流量，调节除氧器水位的目的，机组所带负荷是不断变化的，变频器的输出也随之调整，变频器运行稳[6]，调整性能良好。

图2 电动机变频改造前后性能对比

3 结 论

火力发电采用变频调速技术，已充分显示出其优越性，并逐步替代了传统的调节方式，是目前电厂电机节能改造、保障主机安全运行的最为有效的方式。变频调速系统可以进行定制的设定、控制器的投停、主机保护、调速系统自检、事件记录等功能[7]，并且减少了发电厂的设备运行维护、检修费用，缩短了停产周期，节能环保，经济效益十分突出。在新电厂建设和老旧电厂改造中， 变频器将在保证系统稳定运行，节能降耗和调速方面具有更为广阔的应用前景。