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　　近兩年中國出現(xiàn)大面積的缺電，由于建設周期問題，不可能在短時間內解決。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)化結構、調整布局、保護環(huán)境、技術革新、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，通過實施節(jié)能專項工程，1998年率先在電力生產過程引進高壓變頻調速技術。

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

　　為了更好地推廣節(jié)能、環(huán)保變頻調速技術，滿足電力生產企業(yè)內挖潛力、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，把已經實施的高壓變頻節(jié)能專項工程，進行一次全方位的總結，進而形成比較完整完善的經驗教訓、方案和標準。

1  變頻節(jié)能的原理簡介

　　根據風機、水泵的流量與功率的關系：

　　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。

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

　　根據異步電動機的同步轉速，即旋轉磁場的轉速為：n1=60f1/np，其中n1為同步轉速；f1為定子頻率；np為磁極對數。而異步電機的軸轉速為n=n1(1-s)=60f1(1-s)/np，其中s為異步電機的轉差率，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，構成如圖1所示。

3  高壓電機變頻調速方案介紹

經過在華能火電廠的實踐，依據電機功率，高壓電機變頻調速有三種基本方案，如圖2所示。

表1  三種高壓變頻調速方案在華能電廠應用情況

4  經濟效益情況

　　從過去所作高壓變頻調速工程看，系統(tǒng)都能可靠穩(wěn)定運行，在經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)調生產，改善生產調節(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)，減少對電網和設備的沖擊，減小機械振動和磨損，提高設備運行的穩(wěn)定性，減少設備運行的故障率，提高設備運行可靠性，延長使用壽命，降低設備運行維護費用。調節(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，提高了經濟效益。

　　(2)  變頻器功率因數大、電機以不同轉速運行，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20%～30%。并且噪音降低，改善環(huán)境。

　　(3)  優(yōu)異的調節(jié)性能，調節(jié)平穩(wěn)、調節(jié)范圍寬、調節(jié)線性度可達0.99、控制精度高。機組可以深度負荷調峰―投運在不同轉速、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)自動調節(jié)性能大大提高，改善了調節(jié)品質。

　　(5)  投入變頻運行后，工藝參數都能很好滿足生產工藝的要求，風機、泵可以隨機組負荷的變化而調節(jié)輸出功率，達到了節(jié)能的目的。風機、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，降低了設備損壞，延長了使用壽命，減少了設備維護量。消除了因閥門開度調節(jié)引致的節(jié)流損失，提高了系統(tǒng)效率；節(jié)省了因沖蝕需經常更換閥門的費用。

　　雖然有以上共性，由于設備、維護、操作、運行的水平不同，設備投入運行小時數差別巨大，投資回收期也千差萬別。如都在吸風機上應用，有的電廠應用時，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，遠遠高于節(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，卻根據故障的情況，一般在機組負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機組的吸風機使用的國產高壓變頻器，通過這樣處理，國產高壓變頻器運行小時數跟機組運行小時數一樣，經濟效益十分明顯。但在某電廠300MW機組的吸風機使用的進口高壓變頻器，沒有通過這樣處理，進口高壓變頻器經常處于備用狀態(tài)，其運行小時數遠遠低于機組運行小時數，經濟效益十分不好。經過調查分析，這兩者的差別，主要是對變頻器的認識、使用情況不十分了解。

5  高壓變頻調速裝置供貨商情況

　　(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，深入研究電力生產工藝情況，集成融合計算機控制技術、自動控制技術、通訊技術等多種技術進行二次開發(fā)，探索實踐實施高壓變頻調速技術改造工作，取得了許多驕人的業(yè)績。如在系統(tǒng)設計、方案實施、運行經驗等方面積累了經驗、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。高壓變頻裝置是一個控制十分復雜的系統(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：如在某電廠凝結水泵高壓變頻器的應用中。此問題的核心是采用變頻調節(jié)后，凝泵的調節(jié)特性問題，以及與熱控DCS的配合問題。

　　某電廠#1機凝結水泵變頻調速系統(tǒng)在長期運行中出現(xiàn)凝結水泵轉速在1220轉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。最后通過工程技術專家分析，發(fā)現(xiàn)找到了問題的所在是設置變頻器的最低轉速與DCS輸出對應的轉速范圍有較大差別，后經過慎重考慮，現(xiàn)已經修改了變頻器的設置參數，滿足了生產實際需要。

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

　　經過討論分析，采用以下辦法來處理

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

　　(2)  設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（變頻器設置的最低頻率）。

　　變頻器設置修改的參數如下：頻率設置（frequency set）中的跳變頻率（SKIP FREQ）可有三個跳變頻率（SKIP FREQ1、2、3）設定，先設定SKIP FREQ1為14Hz，SKIP FREQ 2為2Hz，SKIP FREQ 3為1Hz。頻率設置（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置值（30Hz）十分近，可滿足變頻器在30～50Hz范圍內線性運行。

　　?  電廠運行情況千差萬別，方案設計千差萬別，設計人員的工程經驗不同。設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)的其它運行設備的影響。

7  高壓變頻調速節(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)電廠重要的動力設備。高、中壓電機變頻調速改造是電廠節(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)生產的面貌。應大力推廣變頻調速技術加快企業(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業(yè)政策，也是實現(xiàn)經濟增長方式轉變的有效途徑之一。

　　(2)  經過節(jié)能專項工程實踐，積累了大量經驗，對高壓功率變頻裝置應用中產生的很多如諧波、電機發(fā)熱、功率因數在低轉速時不理想、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)  根據實際需要，以投資回收期長短和技術經濟比較，選擇變頻調速方案。800kW電機以下系統(tǒng)，從性能價格比上考慮應選用高－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)  根據實際需要選擇合理的一次線結構方案，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準。

　　(6)  發(fā)電企業(yè)適合變頻改造的系統(tǒng)設備較多，如吸、送風機、一次風機、給水泵、循環(huán)水泵、凝結水泵等。高壓變頻調速技術有著廣闊的應用空間和發(fā)展前景。

　　(7)  變頻調速是電氣傳動系統(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計關系到系統(tǒng)應用的可靠、安全、經濟性。

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

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