1 000 MW机组引风机节能优化设计

关榕炆，田 斐

（南阳理工学院，河南 南阳 473004）

我国的大部分基础产业都与电力密切相关，是经济发展命脉的重要影响因素。目前，我国的经济稳步发展，工业化也稳步推进。国民日常生活以及工业生产的电力需求增加。

我国的火力发电量占总发电量的70%以上，由于火力工业的高能耗、高污染，火力工业处于节能减排的主要开创性方向[1]。并且，未来解决我国用电缺口的主要方式仍然是火电建设，我国还在能源问题上确立了“节能与发展平衡”的政策。依靠技术进步节约能源，解决能源问题。

目前，我国的机电设备约占风力涡轮机电机的3/5。用电量约占我国总发电量的30%。其中，风机是耗能最大的电气设备之一。本文以某电厂的项目为基础，选用其电厂的1 000 MW机组为研究对象，进行风机节能优化设计，优化引风机参数，设计引风机节能改造方案，分析实际效果，最终验证通过变频调速来实现引风机节能的必要性和可行性。

1 变频调速节能原理

采用调速控制装置，通过改变风机水泵转速，从而改变风机风量和水泵流量以适应生产工艺的需要，这种调节方式称为风机水泵的调速控制[2]。风机、水泵以调速控制方式运行能耗最省，综合效益最高。交流电机的调速方式有多种，变频调速是最佳的调速方案，其可以实现风机水泵的无级调速，而且可以方便地组成闭环控制系统，实现恒压或恒流量控制。

对于风机类负载来说，其输出功率与正常运行时运转速n之间呈现P=kn3的关系，电动机正常运行时的输出功率与其转子转速的立方成正比[3]。因此，当风机转速下降时，风机消耗的功率按立方成正比进行变化。根据异步电动机转速公式可知，当改变电源频率时，转速n与频率呈正相关关系，使运行转速n发生变化，因此转速可以随着电源频率的变化而变化。当异步电动机稳定的运行时，电源电压不会发生改变，调速过程中，使频率降低，因为电压保持恒定，磁通增大，铁芯内的磁电流也增大，磁路达到饱和，励磁电流也随之增大，磁芯和调速线圈过热，使得功率因数降低，因此，通常通过改变电源电压U1，并使U1和f1形成一定的相关性[4]。并且，仅靠改变电源的频率，功率的变化率很低，所以要加入1个恒压频比系数，在改变频率的同时，使电压也成比例变化，使功率有明显的降低，从而达到良好的节能效果。

2 变频调速系统仿真及结果分析

2.1 变频调速仿真研究

引风机变频调速模块框图如图1所示，本次引风机变频调速的总体设计主要由以下3部分组成，即整流逆变部分、变频部分及滤波部分。每一个部分在总体设计电路里发挥着不同的作用，缺一不可。

图1 引风机变频调速模块框图

根据变频调速模块框图在MATLAB里搭建的仿真模型如图2所示，并简要说明重要模块。

图2 引风机变频调速仿真模型

2.1.1 整流和逆变部分的设计

在三相电源的后面接入1个不可控整流桥，将电源中输出的交流电输入至整流器中，通过整流器将交流电转变为直流电，之后再接入1个逆变器模块，将输入逆变器模块的直流电再转变为交流电，输入到下1个模块，即滤波器模块。

2.1.2 变频部分的设计

实现引风机节能改造，需要1种频率与电压协调控制的三相整流电，即改变电路的频率，输出的电压也随之改变。所以，需要在节能改造中加入变频装置。调频模块的作用是通过改变不同负载条件下的工况，即改变不同负载条件下的输入频率，电机的转速会随着频率的变化而发生改变。本次设计采用恒压频比调频，仿真时在SPWM模块之前加1个恒压频比系数，在负载条件不同的情况下，频率发生改变，电压也随之发生变化，确保电压与频率的比值是一个定值[5]。PWM模块连接在整流器与逆变器之间，逆变桥交流侧输出为1组等幅而不等宽的矩形脉冲波形。

2.1.3 滤波部分的设计

电感与其并联的电容共同构成滤波部分，电感起到通过直流隔离交流的作用，电容起到隔离直流通过交流的作用。滤波器接于变频装置和电机之间，可以滤除电压波形中的谐波，使送到电机端的波形近似为标准的正弦波，从而减少误差。

2.2 变频调速仿真结果分析

2.2.1 变频之前仿真结果分析

（1）100%工况（50 Hz）。电机的输入功率、电机转速、转矩和电流的波形图如图3、图4、图5和图6所示。

图3 100%工况下变频前输入功率波形图

图4 100%工况下变频前转速波形图

图5 100%工况下变频前转矩波形图

图6 100%工况下变频前电流波形图

（2）75%工况（37.5 Hz）。电机的输入功率、电机转速、转矩和电流的波形图如图7、图8、图9和图10所示。

图7 75%工况下变频前输入功率波形图

图8 75%工况下变频前转速波形图

图9 75%工况下变频前转矩波形图

图10 75%工况下变频前电流波形图

（3）50%工况（25 Hz）。电机的输入功率、电机转速、转矩和电流的波形图如图11、图12、图13和图14所示。

图11 50%工况下变频前输入功率波形图

图12 50%工况下变频前转速波形图

图13 50%工况下变频前转矩波形图

图14 50%工况下变频前电流波形图

从波形图中可看出，在未经变频调速节能之前的电机运行在3种工况下，随着工况的降低，输入功率有降低趋势但仍然较大，转速随频率降低而降低，电流稍有减少，但仍然很大，转矩也很大，耗能有所减少，但是耗能情况仍就比较严重。

2.2.2 变频之后仿真结果分析

对电机变频调速节能改造之后，通过改变输入的电压频率来实现负载条件的改变。所以在改变输入频率的情况下，乘上恒压频比系数，即电机的额定电压与额定频率的比值，让不同工况下的输入电压也随之发生改变，最终达到变频调速的目的。

（1）100%工况（50 Hz）。电机的输入功率、转速、转矩和电流的波形如图15、图16、图17和图18所示。

图15 100%工况下变频后输入功率波形图

图16 100%工况下变频后转速波形图

图17 100%工况下变频后转矩波形图

图18 100%工况下变频后电流波形图

（2）75%工况（37.5 Hz）。电机的输入功率、转速、转矩和输入电流的波形如图19、图20、图21和图22所示。

图19 75%工况下变频后输入功率波形图

图20 75%工况下变频后转速波形图

图21 75%工况下变频后转矩波形图

图22 75%工况下变频后电流波形图

（3）50%工况（25 Hz）。电机的输入功率、电机转速、电机转矩和电机电流的波形如图23、图24、图25和图26所示。

图23 50%工况下变频后输入功率波形图

图24 50%工况下变频后转速波形图

图25 50%工况下变频后转矩波形图

图26 50%工况下变频后电流波形图

从波形图可以看出，经变频调速改造之后，电机运行在100%工况下，需要耗费较大的输入功率，电流也很大，电机的转矩也很大，转速近似等于额定转速并逐渐趋于平稳。与变频调速之前的100%工况相比，输入功率略微降低但并没有明显的变化，75%工况下，输入功率也比变频前的75%工况下有所减小，达到了一定的节能效果。在50%工况下，数据都低于其余2个负载工况下的结果。与变频调速节能前的50%工况下相比，输入功率明显降低。节能效果十分显著。

3 节能计算

3.1 节能量计算

对在3种工况下的变频调速节能改造前、后的输入功率进行计算，分别比较同种工况下的输入功率，然后算出节能量。最终验证变频调速可以得到良好节能效果。

3.1.1 变频节能之前

3.1.2 变频节能之后

3.1.3 节能量计算

从仿真和计算中可以看出，在100%工况下，即满载条件下，节能效果不明显，但随着频率的降低，节能量越来越大，节能效率也逐渐增大，节能效果越来越明显，充分验证了变频调速可以达到良好节能效果这一结论，验证了通过变频调速来实现引风机节能的必要性和可行性。

3.2 节能效益计算

以75%工况下的节能量为例，假设火力发电厂机组每年运行7 000 h，那么1台风机1 a就可节约536.2×7 000=375.34万度电。假设一度电0.5元，那么1台引风机1 a就可节约375.34×0.5=187.67万元，数据非常可观，说明了变频调速可以达到良好的节能效果。

4 结论

风机是我国大型火力发电厂中最为耗电的电气设备。本文针对风机的节能问题进行研究。通过变频器来进行调速，改变电机的输入频率，使电机运行在不同的工况下，从而使不同工况下的电机的转速发生改变，通过比较节能前后输入功率的大小来验证不同工况条件下的节能效果，降低能耗，降低火力发电生产成本。为了满足我国风力电厂日益增加的风力节能环保技术要求，对风力变频器节能改造生产工艺的改进需要越来越明显。变频节能改造不仅使某1 000 MW的引风机得到良好的节能效果，同时，引风机电机设备的变频节能改造对于如冷凝泵、一次式高压风机等风力发电厂中其他重要的电力辅机的节能具有借鉴作用[6]，值得去将此技术推广。