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　　近兩年中國出現(xiàn)大面積的缺電，由于建設(shè)周期問題，不可能在短時間內(nèi)解決。采用各種節(jié)能降耗措施，降低現(xiàn)役機組的廠用電率，提高現(xiàn)役機組的出力，可以部分緩解用電緊張的“電荒”局面，進而有效緩解火電廠燃料運力緊張的局面。而節(jié)能降耗是國家的基本國策。中國華能集團公司通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、調(diào)整布局、保護環(huán)境、技術(shù)革新、加強管理等一系列措施，實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水和減少污染排放的目標(biāo)，通過實施節(jié)能專項工程，1998年率先在電力生產(chǎn)過程引進高壓變頻調(diào)速技術(shù)。

　　在火力發(fā)電廠使用著大量6kV高壓等級的電動機，是發(fā)電廠重要的動力設(shè)備。高壓變頻調(diào)速技術(shù)有著廣闊的空間和用武之地。采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)來降低廠用電量，成為電廠節(jié)能技術(shù)措施之一。

　　為了更好地推廣節(jié)能、環(huán)保變頻調(diào)速技術(shù)，滿足電力生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)挖潛力、節(jié)能降耗、提高效益的目的，以創(chuàng)新精神來作些探討分析，把已經(jīng)實施的高壓變頻節(jié)能專項工程，進行一次全方位的總結(jié)，進而形成比較完整完善的經(jīng)驗教訓(xùn)、方案和標(biāo)準(zhǔn)。

1  變頻節(jié)能的原理簡介

　　根據(jù)風(fēng)機、水泵的流量與功率的關(guān)系：

　　Q∝KXn（流量正比于速度）；

　　H∝KX2n（壓力正比于速度平方）；

　　P∝KX3n（功率正比于速度立方）。

　　以上式中，Q為流量；H為水壓；P為電機功率；K為比例系數(shù)。

　　由此可知，只要調(diào)節(jié)泵的速度就可得到用戶期望的流量，并可以節(jié)約電能。

　　根據(jù)異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為：n1=60f1/np，其中n1為同步轉(zhuǎn)速；f1為定子頻率；np為磁極對數(shù)。而異步電機的軸轉(zhuǎn)速為n=n1(1-s)=60f1(1-s)/np，其中s為異步電機的轉(zhuǎn)差率，s=(n1-n)/n1。由上可知，改變電機的供電頻率，可以實現(xiàn)電機的調(diào)速運行。

2  變頻器的基本原理

　　目前，變頻器基本上采用交-直-交電流型或電壓型變頻器，構(gòu)成如圖1所示。

3  高壓電機變頻調(diào)速方案介紹

經(jīng)過在華能火電廠的實踐，依據(jù)電機功率，高壓電機變頻調(diào)速有三種基本方案，如圖2所示。

表1  三種高壓變頻調(diào)速方案在華能電廠應(yīng)用情況

4  經(jīng)濟效益情況

　　從過去所作高壓變頻調(diào)速工程看，系統(tǒng)都能可靠穩(wěn)定運行，在經(jīng)濟和社會效益上取得不錯成績，都具有以下特性：
　　(1)  能方便協(xié)調(diào)生產(chǎn)，改善生產(chǎn)調(diào)節(jié)方式，提高了自動化水平。改善啟動特性，實現(xiàn)軟啟動，啟動電流小且平穩(wěn)，減少對電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊，減小機械振動和磨損，提高設(shè)備運行的穩(wěn)定性，減少設(shè)備運行的故障率，提高設(shè)備運行可靠性，延長使用壽命，降低設(shè)備運行維護費用。調(diào)節(jié)及自動投入能力增強，大大地減輕檢修人員的勞動強度，減少維護時間和工作量，節(jié)省運行維護費用，提高了經(jīng)濟效益。

　　(2)  變頻器功率因數(shù)大、電機以不同轉(zhuǎn)速運行，一般長期運行在40Hz，降低輸出功率，其運行電流變小，節(jié)約能源、節(jié)能率達(dá)20%～30%。并且噪音降低，改善環(huán)境。

　　(3)  優(yōu)異的調(diào)節(jié)性能，調(diào)節(jié)平穩(wěn)、調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)線性度可達(dá)0.99、控制精度高。機組可以深度負(fù)荷調(diào)峰―投運在不同轉(zhuǎn)速、滿足流量連續(xù)變化的要求。

　　(4)  可以非常平滑、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)，大大地改善自動控制系統(tǒng)的工作狀況，使系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)性能大大提高，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)。

　　(5)  投入變頻運行后，工藝參數(shù)都能很好滿足生產(chǎn)工藝的要求，風(fēng)機、泵可以隨機組負(fù)荷的變化而調(diào)節(jié)輸出功率，達(dá)到了節(jié)能的目的。風(fēng)機、泵單耗明顯降低（一般降低20%～60%）。

　　(6)  由于變頻器對電動機的軟啟動和保護等功能，降低了設(shè)備損壞，延長了使用壽命，減少了設(shè)備維護量。消除了因閥門開度調(diào)節(jié)引致的節(jié)流損失，提高了系統(tǒng)效率；節(jié)省了因沖蝕需經(jīng)常更換閥門的費用。

　　雖然有以上共性，由于設(shè)備、維護、操作、運行的水平不同，設(shè)備投入運行小時數(shù)差別巨大，投資回收期也千差萬別。如都在吸風(fēng)機上應(yīng)用，有的電廠應(yīng)用時，一旦有故障馬上退出運行，立即切入工頻運行模式，確保機組安全穩(wěn)定發(fā)電運行（因為每非計劃停機一次，電廠就損失很多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于節(jié)電帶來的效益），從而不考慮節(jié)能節(jié)電問題。但有的電廠，卻根據(jù)故障的情況，一般在機組負(fù)荷低谷的時候進行故障處理，更換高壓變頻器的模件單元等工作。某電廠125MW機組的吸風(fēng)機使用的國產(chǎn)高壓變頻器，通過這樣處理，國產(chǎn)高壓變頻器運行小時數(shù)跟機組運行小時數(shù)一樣，經(jīng)濟效益十分明顯。但在某電廠300MW機組的吸風(fēng)機使用的進口高壓變頻器，沒有通過這樣處理，進口高壓變頻器經(jīng)常處于備用狀態(tài)，其運行小時數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于機組運行小時數(shù)，經(jīng)濟效益十分不好。經(jīng)過調(diào)查分析，這兩者的差別，主要是對變頻器的認(rèn)識、使用情況不十分了解。

5  高壓變頻調(diào)速裝置供貨商情況

　　(1)  羅賓康（ROBICON）公司，至2004年底在電力行業(yè)電廠輔機共用151臺；

　　(2)  西門子公司，至2004年底在電力行業(yè)電廠輔機共用97臺；

　　(3)  羅克韋爾（AB）公司，至2004年底在電力行業(yè)電廠輔機共用59臺；

　　(4)  東芝公司，至2005年底在電力行業(yè)電廠輔機共用19臺；

　　(5)  利德華福，至2004年底在電力行業(yè)電廠輔機共用149臺；

　　(6)  東方凱奇；

　　(7)  成都佳靈。

6  應(yīng)用過程存在的問題

　　依托節(jié)能專項工程，并以科技創(chuàng)新精神，深入研究電力生產(chǎn)工藝情況，集成融合計算機控制技術(shù)、自動控制技術(shù)、通訊技術(shù)等多種技術(shù)進行二次開發(fā)，探索實踐實施高壓變頻調(diào)速技術(shù)改造工作，取得了許多驕人的業(yè)績。如在系統(tǒng)設(shè)計、方案實施、運行經(jīng)驗等方面積累了經(jīng)驗、培養(yǎng)了人才。但是許多項目的實施過程中，也出現(xiàn)了許許多多問題。其原因如下：

　　?  高壓變頻調(diào)速節(jié)能工程是一個系統(tǒng)工程，系統(tǒng)融合了電力電子、電磁干擾防護、自動控制、計算機、通訊等多種技術(shù)。高壓變頻裝置是一個控制十分復(fù)雜的系統(tǒng)，需要方方面面的知識。而不僅僅只是買一臺變頻器接好線就可以了，在實施過程中也出現(xiàn)以下問題：如在某電廠凝結(jié)水泵高壓變頻器的應(yīng)用中。此問題的核心是采用變頻調(diào)節(jié)后，凝泵的調(diào)節(jié)特性問題，以及與熱控DCS的配合問題。

　　某電廠#1機凝結(jié)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)在長期運行中出現(xiàn)凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速在1220轉(zhuǎn)左右時無法投自動的現(xiàn)象。此問題發(fā)生后，電廠請變頻器廠家技術(shù)員去處理，也沒有找到原因，變頻器本身沒有問題，而DCS控制系統(tǒng)也沒有問題。最后通過工程技術(shù)專家分析，發(fā)現(xiàn)找到了問題的所在是設(shè)置變頻器的最低轉(zhuǎn)速與DCS輸出對應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍有較大差別，后經(jīng)過慎重考慮，現(xiàn)已經(jīng)修改了變頻器的設(shè)置參數(shù)，滿足了生產(chǎn)實際需要。

　　問題的原因是DCS的輸出4～20mA對應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍在0～1480r/m（電機額定轉(zhuǎn)速），而變頻器為了保護電機不在低轉(zhuǎn)速下長期運行，并維持凝結(jié)水系統(tǒng)有一定的流量和壓力,變頻器設(shè)置了890r/m(30Hz)的最低轉(zhuǎn)速限制，即變頻器實際在4~20mA控制信號下的轉(zhuǎn)速范圍在890～1480r/m之間，這兩者有一定差值。問題分析：經(jīng)過手動設(shè)置輸出在64.1%，75%，發(fā)現(xiàn)變頻器的轉(zhuǎn)速在1224 r/m，1300 r/m，如果由DCS輸出64%，75%，按64%*1480=950，75%*1480=1100，這兩者的差值達(dá)到274，190，而在DCS系統(tǒng)設(shè)置了輸出減反饋偏差達(dá)20%以上時切除自動，274/1224*100%=22%，190/1300*100%=14.6%，所以在1220轉(zhuǎn)時無法投自動。

　　經(jīng)過討論分析，采用以下辦法來處理

　　(1)  設(shè)置變頻器的跳變頻率，使變頻器的轉(zhuǎn)速從0直接快速運行在890 r/m以上。

　　(2)  設(shè)置變頻器的跳變頻率，使變頻器的模擬量輸入在4～16mA（0～50%）以下時，均運行在890轉(zhuǎn)（變頻器設(shè)置的最低頻率）。

　　變頻器設(shè)置修改的參數(shù)如下：頻率設(shè)置（frequency set）中的跳變頻率（SKIP FREQ）可有三個跳變頻率（SKIP FREQ1、2、3）設(shè)定，先設(shè)定SKIP FREQ1為14Hz，SKIP FREQ 2為2Hz，SKIP FREQ 3為1Hz。頻率設(shè)置（frequency set）中的跳變頻帶寬度（SKIP FREQ BANG）為15Hz，從而SKIP FREQ1為14Hz加上跳變頻帶寬度（SKIP FREQ BANG）為15Hz等于29Hz，即變頻器不會運行在29Hz以下。這個合值與變頻器的最低頻率設(shè)置值（30Hz）十分近，可滿足變頻器在30～50Hz范圍內(nèi)線性運行。

　　?  電廠運行情況千差萬別，方案設(shè)計千差萬別，設(shè)計人員的工程經(jīng)驗不同。設(shè)計人員對變頻裝置輸出的波形含有大量頻譜很寬的諧波的工程處理，變頻裝置對電源裝置諧波干擾，對同一電源系統(tǒng)的其它運行設(shè)備的影響。

7  高壓變頻調(diào)速節(jié)能項目實施建議

　　(1)  在發(fā)電廠使用著大量高中壓等級的電動機，是發(fā)電廠重要的動力設(shè)備。高、中壓電機變頻調(diào)速改造是電廠節(jié)能降耗的有效途徑之一。交流電機變頻調(diào)速是電氣傳動系統(tǒng)的一次革命，將極大地改變工業(yè)生產(chǎn)的面貌。應(yīng)大力推廣變頻調(diào)速技術(shù)加快企業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。節(jié)能、降耗、環(huán)保、提高效益符合國家的產(chǎn)業(yè)政策，也是實現(xiàn)經(jīng)濟增長方式轉(zhuǎn)變的有效途徑之一。

　　(2)  經(jīng)過節(jié)能專項工程實踐，積累了大量經(jīng)驗，對高壓功率變頻裝置應(yīng)用中產(chǎn)生的很多如諧波、電機發(fā)熱、功率因數(shù)在低轉(zhuǎn)速時不理想、維修麻煩等問題，找到較好的解決辦法。從筆者這幾年的運行實踐看，變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性完全能滿足發(fā)電企業(yè)的要求，其節(jié)能降耗的良好優(yōu)點將發(fā)揮巨大效用。

　　(3)  根據(jù)實際需要，以投資回收期長短和技術(shù)經(jīng)濟比較，選擇變頻調(diào)速方案。800kW電機以下系統(tǒng)，從性能價格比上考慮應(yīng)選用高－低方式，選用機電一體化模式，特別在基建項目，機電一體化系統(tǒng)價格和成本更低，運行費用也十分低。

　　(4)  根據(jù)實際需要選擇合理的一次線結(jié)構(gòu)方案，為了穩(wěn)定運行考慮，建議選用工頻旁路系統(tǒng)。

　　(5)  在電力企業(yè)進行變頻改造時，必須堅持“安全第一，節(jié)能降耗，投資回收期短，系統(tǒng)改動最小，空間適宜”等五項原則。安全為前提，節(jié)能為目的，投資回收期是檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

　　(6)  發(fā)電企業(yè)適合變頻改造的系統(tǒng)設(shè)備較多，如吸、送風(fēng)機、一次風(fēng)機、給水泵、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵等。高壓變頻調(diào)速技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用空間和發(fā)展前景。

　　(7)  變頻調(diào)速是電氣傳動系統(tǒng)工程，而變頻器僅僅是其中的一部分。變頻器容量的選擇、電氣保護和控制回路的設(shè)計關(guān)系到系統(tǒng)應(yīng)用的可靠、安全、經(jīng)濟性。

　　(8)  選好節(jié)能工作實施的途徑十分關(guān)鍵，發(fā)電廠安全性、可靠性尤為重要，對采用新技術(shù)、新工藝持慎重態(tài)度，經(jīng)常會在推廣中遇到阻力，由于新上一套設(shè)備要求電廠運行人員改變原來的運行操作習(xí)慣，需要經(jīng)過培訓(xùn)和實際配合練習(xí)以及人員素質(zhì)的提高。

　　(9)  由于系統(tǒng)工程的技術(shù)創(chuàng)新是各種技術(shù)融合、共生，相互滲透作用的結(jié)果，從而需要專業(yè)技術(shù)人員來實施，以彌補電廠技術(shù)人員的技術(shù)儲備不足。實施節(jié)能工程項目，既可以培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人員，進而迅速地推廣到下一個電廠。如經(jīng)過變頻節(jié)能工程實踐，專業(yè)技術(shù)人員積累了大量經(jīng)驗，對高壓功率變頻裝置應(yīng)用中產(chǎn)生的很多如諧波、電機發(fā)熱、功率因數(shù)在低轉(zhuǎn)速時不理想、維修麻煩等問題，能夠找到較好的解決辦法。