浅析高压变频器在大型火力发电厂节能中的应用.pdf

总第 1 2 9期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5- 2 7 9 8 。 2 0 1 0 ． 0 7 ． 0 4 8 浅析高压变频器在大型火力发 电厂节能中的应用 梁沛然 中国矿业大 学， 江苏 徐州2 2 1 0 0 0 摘要 通过对国内现有火力发电厂能源消耗情况分析， 介绍了高压变频器的工作原理， 以及其在电厂风 机和水泵中的应用， 进而得出高压变频器在大型火力发电厂节能降耗中的优越性。 关键词 高压 变频 ； 发 电厂 ； 节能； 应用 中图分类号 T M 6 2 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 5 2 7 9 8 2 0 1 0 0 7 0 1 1 6 一 o 3 近年来 ， 国家大力提倡走节约型发展之路 ， 做到 珍惜资源、 节约能源、 保护环境 、 可持续发展。 目前 国内仍然以燃煤 电厂为主， 怎样在火力发电厂来落 实和贯彻减能、 增效的方针政策 ， 大力促进火力发 电 厂节能技术应用是一个值得探讨的问题 ， 而实现节 能的唯一途径是推广应用各种新技术 、 新工艺、 新装 备和新管理 。在电厂 中， 电力生产的最大生产能力 是根据主机 锅炉、 汽机和发 电机 的出力决定 的， 辅机 各种风机、 泵及其驱动电动机 、 电气控制调节 系统等 的配置是根据 主机 的情况配置的 ， 一般情 况下 ， 在设计过程中均考虑一定的余量 ， 因此造成在 实际的运行过程中， 多数风机和泵的流量需要调节。 传统的流量调节方式是节流调节 挡板 、 阀门等 ， 存在反应慢、 调节精度低、 能耗大等问题 ， 而高压变 频因其调节性能优 良、 节能效果好等因素 ， 正逐渐被 广泛应用在电厂风机、 水泵等的流量调节 中。国内 电厂的厂用电电压一般为 6 k V和 1 0 k V， 功率较大 一般指超过 2 0 0 k W 的电动机基本上都采用高压 电动机， 这些电动机的能耗是电厂用电的主要部分 ， 高压变频指的就是这些电动机的变频调速。 1 国内火力发电厂能源消耗的分析 据国家 电动机调速技术产业化途径与对策的 研究 报告披露 ， 中国发 电总量的 6 6 ％ 消耗在电动 机上。具体到火力发电厂主要损耗是 送风机、 引风 机 、 一次风机、 排粉风机 、 脱硫系统增压风机 、 锅炉给 水泵 、 循环水泵、 凝结水泵 、 灰浆泵。但是这些主要 耗电设备在我国火力发电厂中普遍存在着“ 大马拉 小车” 的现象， 大量的能源在终端利用 中被 白白地 浪费掉。浪费的主要原因有 以下两点 1 运行方式技术落后。 目前我 国火力发 电 厂中除少量采用汽动给水泵 、 液力耦合器及双速电 机外 ， 其它水泵和风机基本上都采用定速驱动 ， 阀门 式挡板调节。这种定速驱动的泵， 在变负荷的情况 下 ， 由于采用调节泵 出 口阀开度 风机 则采用调节 人 口风门开度 的控制方式， 达到调节流量的 目的 ， 以满足负荷变化的需要。所以在工艺只需小流量 的 情况下， 其泵或风机仍以额定的功率、 恒定的速度运 转着 ， 特别是在机组低负荷运行时， 其人 口调节挡板 开度很小 ， 引风机所消耗的电功率大部分将被风门 节流而消耗掉 ， 能源损失和浪费极大。另外 ， 风机挡 板执行机构为大力矩电动执行机构 ， 故障较多， 风机 自动率较低 ， 存在严重的节流损耗。 2 实际运行效率低下。从 实际运行效率上 来说， 在机组变负荷运行时， 由于水泵和风机的运行 偏离高效点， 偏离最优运行区， 使运行效率降低。调 查显示 ， 我国 5 0 MW 以上机组锅炉风机运行效率低 于 7 0 ％的 占一半以上， 低于 5 0 ％的占 1 ／ 5左右。这 是因为， 我国许多大中型泵与风机套用定型产品， 由 于型谱是分档而设， 间隔较大， 一般只能套用相近型 产品， 造成泵与风机的实际运行效率低， 能耗高。同 时在设计选型时往往加大保险系数 ， 裕量过大， 也是 造成运行工况偏离最优区， 实际运行情况运行效率 低下的原因。 2 高压变频器工作原理 我们知道当交流用电设备的供 电频率发生变化 时， 与频率成正比的功率将随之发生变化。频率高 则功率大； 频率低则功率小。所以变频调速装置即 变频器就是基于这个原理 ， 将固定频率的交流电变 化为频率是连续可调的交流 电。根据负荷的变化 ， 通过调整风机 、 泵类 、 压缩机等有 电设备 的输入频 率， 调整风机、 泵类、 压缩机的转速， 使被控风机、 泵 类、 压缩机的出口流量随负荷的变化而变化 。在满 收稿日期 2 0 1 0 - 0 2 - 2 5 作者简介 梁沛然 1 9 8 8一 ， 男， 山西长治人， 中国矿业大学在读本科生。 1 1 6 梁沛然 浅析高压变频器在大型火力发电厂节能中的应用 第1 9卷第7期 足不同负荷需要 的情况下 ， 减少用 电量 的损耗 ， 提高 用 电率 。 近年来 ， 随着电力 电子技术 、 计算机技术 、 自动 控制技术的迅速发展 ， 电气传动技术面临着一 场革 命， 即交流调速取代直流调速、 计算机数字控制技术 取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频 调速技术是 当今节电、 改善工艺流程以提 高产 品质 量和改善环境 ， 推动技术进 步的一种 主要手段。变 频调速以其优异的调速和起制动性能 、 高效率 、 高功 率 因数和节 电效果 、 广泛 的适用范 围及其 它许 多优 点而被国内外公认 为是最有发展前途的调速方式。 3 高压变频器在火力发 电厂应用的综合效 果 高压变频器在火力发电厂多用 于锅炉的风机 、 引风机 、 凝结水泵 、 给水 泵等 高压 电机 的调频调速 ， 为提高电厂的用电率降低能源消耗起到了极大的作 用 。 根据流体力学原理 ， 风机或泵类设备 的输 出流 量与其转速成正 比， 输 出压力与其转 速的平方成正 比， 其消耗的功率与其转速 的三次方成正 比。采用 变频调速改变电动机的转速 ， 从 而改变风机或泵 的 转速， 以此来调节流量 。在这种调节方式下 ， 可以将 节流调节 的阀门或挡板 等开度调至最大 ， 减小管道 系统 的阻力 ， 节约 因克服 调节 阻力 而引起 的能耗。 同时， 采用变频调节后 ， 管道系统的阻力能保持在使 风机或泵工作的高效率点 ， 减少因风机或泵 的效率 降低而造成的能耗损失。 从节能的效果来看 ， 对节流调节的变频改造 ， 产 生的节能效果并非仅仅是当前所改造的电动机系统 的节能效果 ， 而是并行工作的多台电动机 系统 的节 能效果。如果两台风机并联运行 ， 一台运行风量不 足 ， 两台运行时则需要进行节流调节 ， 往往是两台风 机同时都进行风门调节 ， 对其 中一台进行变频改造 后 ， 则两台风机都可以运行在风门全开 的状态下 ， 这 样产生的节能效果即为节 流调节时两 台风 门 的能 耗 。 电厂的节能 ， 更重要的是体 现在系统效率 的提 高。在没有进行变频调节时， 电厂的循 环水泵 一般 采用多极电机 ， 根据季节调整 电机接线 ， 改变电机的 极对数来 改变电动机转速从 而调节循环水流量 ， 或 者是根据季节调整并联运行的电动机和泵的运行台 数来调节循环水流量 ， 这种调节操作简单 ， 但调节精 度低。采用变频调节时 ， 如果根据循环水的实 时出 水温度调节循环水流量 ， 将凝汽器的过冷度调节在 一 个最优的范围内， 提高锅炉运行 的整体效率 ， 这样 节能效果更加突出。要利用变频调节调节精度 高、 操作方便 的特点 ， 优化控制系统 ， 提高系统效率。 4 高压变频器在火电厂应用 的经济效益分 析 以高压变频器在火 电厂凝结水泵改造中的应 用为例来分析高压变频器在火 电厂应用的经济效益 和社会效益 。 1 节能。异步感 应 电动机 的转 速 n与 电压 频率．厂 、 转差率 s 、 电机极对数 P三个参数有 如下关 系 n 6 O f 1一s ／ p 。改变电压频率 可 以改 变电 动机转速。由于凝结泵 对转速精 度要求不是非 常 高 ， 在异步感应电动机的设计制造完成后 ， 在带负载 运行过程 中由于负载变化 ， 转差率会略有变化 ， 但变 化极小 ， 因此可以近似认为电机转 速与变频器输出 电压频率成线性关系 。所以将频率不变的工网电压 变换为不同的频率电压时 ， 电机转速也会随之改变。 在进行变频调速 改造前 ， 凝结泵 电机始终处于 1 0 0 ％工作负荷状态下 ， 调节凝结器和除氧器中的水 位即凝结泵的出水量完全依赖调节出 口阀门开度改 变管路的阻力来实现。当水量减小时 ， 减小阀门开 度 ， 忽略泵机和 电机效率变 化 ， 电机功率变化不 明 显。当采用变频调速后 ， 当水量减小时 ， 通过变频调 速 ， 减小电机转速从 而达到减小流量的 目的 ， 电机功 率明显下降 ， 节能效果十分明显 。 2 减少 电机启 动时的电流 冲击 。电机直接 启动时的最大启动电流为额定 电流的 7倍 ； 星角启 动为 4 ． 5倍 ； 电机软启动器也要达到 2 ． 5倍 。观察 变频器启动的负荷 曲线 ， 可以发现它启动时基本没 有冲击 ， 电流从零开始 ， 仅是随着转速增加而上升 ， 不管怎样都不会超过额定电流。因此凝泵变频运行 解决 了电机启动时的大电流 冲击问题 ， 消除了大启 动电流对 电机 、 传动系统和主机的冲击应力 ， 大大降 低 日常的维护保养费用。 3 延长设备 寿命 。使用变频 器可使 电机转 速变化沿凝泵的加减 速特性 曲线变化 ， 没有应 力负 载作用于轴承上 ， 延长 了轴承 的寿命。同时有关数 据说 明， 机械寿命与转速的倒数成正 比， 降低凝泵转 速可成倍地提高凝泵寿命， 凝泵使用费用 自然就降 低了。 4 降低噪音。凝结泵改用变频器后 ， 降低水 泵转速运行的同时 ， 噪音大幅度地降低 ， 当转速降低 5 0 ％时 ， 噪音可减少 十几个绝对分贝。同时消除了 停车和启动时的打滑和尖 啸声 ， 克 服了由于调门线 性度不好 ， 调节品质差 ， 引起管道锤击和共振 ， 造成 给水系统上水管道强烈震 动的缺陷 ， 凝结泵变频运 1 1 7 2 0 1 0年7月 梁沛然 浅析高压变频器在大型火力发电厂节能中的应用 第1 9卷第7期 行后 ， 噪音 、 振动都大为减少 ， 变化相当可观。 5 其他许多变频调速改造前存在 的问题都 得到合理的解决。如使用 阀门调节少 了， 精度 提高 了。出口的压力变小 ， 对精处理过程的化学设备影 响小了等等。 5 结语 高压变频经过十多年的发展 ， 技术 已经成熟 ， 尤 其是单元串联多电平方式的高压变频装置 ， 具备冗 余功能， 单元模块化设计 ， 单元内变频技术和功率元 件成熟， 输出谐波小等优点 ， 在国内迅速发展 ， 有些供应商甚至可以供应具备单元在线更换功能的 产品， 可靠性有了很大的提高。我国能源紧张 ， 单位 G D P能耗高 ， 电力生产和使用负荷变化较大， 电厂 中风机和水泵的节能空间很大 ， 采用高压变频调节 取代传统的节流调节 ， 节能降耗大有可为。 参考文献 [ 1 ] 徐甫荣． 高压变频器调速技术应用实践[ M] ． 北京 中 国电力 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 倚鹏． 高压大功率变频器技术原理与应用[ M] ． 北 京 人民邮电出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 责任编辑 李月成] 上接第9 4页 4 结语 随着煤矿生产不断 向深部水平发展 ， 对控制水 平和规模的要求越来越高， 从而又加速了机电一体 化技术的发展和进步 ， 目前各种高新技术的发展， 如 网络、 光纤 、 人工智能及生物工程等高新技术 已渗入 到机电一体化技术之 中， 使机 电一体化产品功能更 强大 、 性能更优越 ， 使机 电一体化产 品功 能越来 越 强 ， 智能化程度也越来越高， 因此采用新的机电一体 化技术装备的煤矿， 能够使企业获得更加显著的技 术 、 经济和社会效益 ， 这也是一个煤矿企业循环促进 不断发展的过程 。 参考文献 [ 2 ] 张念超． 我国煤矿机 电一体化技术 的发展现状浅析 [ J ] ． 学术探讨， 2 0 0 8 8 ． 李建勇． 机 电一体化技术 [ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 4． [ 责任编辑 李月成】 上接第 1 1 5页 参考文献 l 1 8 李进， 祖银芳．国内多晶硅生产现状与发展[ J ] ． 科 技创新导报， 2 0 0 8 3 2 0 0 2 0 1 ． 冯瑞华， 马廷灿， 姜山， 等． 太阳能级多晶硅制备技术 与工艺[ J ] ． 新材料产业 ， 2 0 0 7 5 5 96 2 ． 苏维． 多晶硅生产的节能减排措施[ J ] ． 有色金属加 工 ， 2 0 0 8 ， 3 7 2 5 7 5 9 ． 梁骏吾． 兴建年产一千吨电子级多晶硅工厂的思考 [ J ] ． 中国工程科学 ， 2 0 0 0 ， 2 6 3 33 5 ． 梁骏吾． 电子级多晶硅的生产工艺[ J ] ． 中国工程科学， 2 0 0 0， 2 1 2 3 43 9 ． 苗军舰， 陈少纯， 丘克强． 西门子法生产多晶硅的热力 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 学[ J ] ．无机化学学报， 2 0 0 7 ， 2 3 5 7 9 58 0 1 ． 李国栋 ， 张秀玲 ，胡仰 栋．电子级 多 晶硅生产 工艺 的 热力学分析[ J ] ． 过程工程学报， 2 0 0 7 ， 7 3 5 2 0 5 2 5 ． 刘建军． 多晶硅生产中回收氢气的净化[ J ] ． 有色冶炼， 2 0 0 0 ， 2 9 6 1 71 9 ． 郭瑾， 李积和． 国内外多晶硅工业现状[ J ] ． 上海有色 金属 ， 2 o 0 7 ， 2 8 1 2 0 2 5 ． 黄兆斌．多晶硅生产中节能和提高原料利用率初探 [ J ] ． 上海金属 有色分册 ， 1 9 8 1 4 8 8 9 3 ． 刘汉元， 戴 自忠． 多晶硅氢还原炉的硅芯棒加热启动 方法 中国， 2 0 0 7 1 0 0 5 0 3 1 2 ． 3 [ P ] ． 2 0 0 71 0 2 3 ． [ 责任编辑 李月成] ] ] ] ] ] ] I二