（山西鲁晋王曲发电有限责任公司山西省047500）
摘要：近几年，各大电厂纷纷开始研究如何减小厂用电率，节省能源消耗。按照现在火电厂的设计和运行水平，厂用电率一般高达9%左右，其中三大风机耗电率约占厂用电量的30%，而这些设备往往通过档板开度的变化来实现流量调整，造成节流损失，运行效率偏低，能源浪费。随着电力电子技术的飞速发展，变频调速技术逐渐成熟。变频器转速的调整是通过频率的改变而实现，最终得到理想的功率输出，从而产生优越的节能效果。电厂控制水平的提升，厂用电率的减小，可通过选用合适的变频器来实现。
关键词：节能降耗；引风机；高压变频器
1.火电厂能源利用现状
从柴薪到煤炭，再到石油天然气，时间推移，人类可利用能源种类也在增多，但是，以上能源均为不可再生能源，储量有限，随着利用量的增大，终有一天会枯竭；另外，随着化石能源使用增多，环境污染也越来越严重，例如，现在我国部分地区雾霾天气的增多，人类癌症率的增加，都与环境污染有关，人类越来越关注此类问题。一是能源危机，二是环境污染，为了解决上述问题，人类寻求出一系列新能源，而且得到了广泛的应用，如生物能、水能、地热能、风能、太阳能和核能。
虽然新能源为可再生能源，但是其受资源分布限制，利用率还是比较低，节能被视为另外一大类能源，从根本上节约能源，还能促进其它行业发展，形成循环经济模式，做到可持续发展。“九五”之后，国家开始高度重视节能，并将电机节能、建筑节能以及绿色照明等十大节能项目作为重点工程。据统计，2011年我国电机耗电量已经达到2万亿kWh，与全国用电量相比为60%，与工业用电量相比为80%；若将中小型电动机的效率仅提高2%，就可节约200亿kWh的电量，相当于3个100万kW级火电站的发电量，减少70万吨/年标准煤的燃烧能耗；因此，电动机节电是我国节能减排的主要手段。
在设计审查中，厂用电率视为一项主要评价标准，需要优化设计方案，将其控制在9%以内。风机、水泵作为主要的耗能设备，一般要消耗掉30%左右的厂用电量，而这些设备控制水平较低，主要通过风门调节来控制风量大小，不能根据负荷高低随时来调节运行状态。与国内电厂比较，国外电厂的厂用电率指标控制的很低，尤其是在辅机控制水平方面做的比较好，国外电厂早已对辅机设备采用变频调速装置，国内电厂仅对部分设备，例如凝结水泵、一次风机等采用调速装置，其他设备仍采用恒定转速来驱动，定速驱动在负荷越少时效率越低，造成资源浪费，跟随电力电子技术的飞速发展，变频调速技术也逐渐成熟；与其它调速方法比较，变频调速较理想；变频器转速的调整是通过频率的改变而实现，最终得到理想的功率输出，从而产生优越的节能效果，在各行业都应用广泛。
变频调速方式优点、缺点主要有：
a．优点：
1）节能。风机和水泵实际所需的输出功率随发电容量的减小而减小，但由于采用了节流阀控制，电机很大一部分功率损耗在节流阀上。如果是调峰电厂，电厂常常在额定出力以下运行，节流损失严重，而变频调速技术可以解决以上问题。2）优化控制水平。改变频率来调节转速，具有快速的反应、结构简单、控制水平高等优点，且对设备冲击力较小，减少设备维护量，使设备使用寿命延长。3）降低启动电流倍数。电动机直启，启动电流能达到6倍的额定电流，若变频启动，启动电流约为1.2倍，电流明显减小，优化了启动特性，冲击电流的降低对设备要求减小，比如绝缘要求降低，发热量减小，故障率减小，无形中增加了设备的使用寿命。
b．缺点
1）造价方面。高压变频器价格昂贵，而且变频器体积较大，需要单独的变频器室，土建造价增加，变频器运行发热量大，需要采用通风设施，暖通成本升高。2）电网影响方面。功率模块中的电力电子元器件，对电网有谐波干扰。对于火力发电厂来说，经实践，辅机设备采用变频调速可将厂用电量减少20%以上，采用变频器降低厂用电率效果非常明显；近几年，随着制造业的不断发展，变频技术飞速前进，产品不断小型化，质量优质化，运行稳定性增高，而价格却降低了，因此，在风机和水泵中利用高压变频技术非常重要，且应用范围会越来越广泛。
2.电机调速形式
感应电动机的转速为：
（1）
式中n——电机转速（r/min）；
f1——交流电源频率（Hz）；
s——异步电机的转差率；
p——电机的磁极对数。
由式（1）得，电机调速可分为：
（1）改变电动机的磁极对数
由异步电动机的同步转速：
（2）
式中
n0——电机同步转速（r/min）；
由式（2）可以看出，同步转速与电源频率成正比，与磁极对数成反比，当电源频率恒定不变时，通过改变磁极对数可达到调节同步转速的目的。磁极对数的变化可通过调整定子绕组的接线来实现，这种接法简单。但这种控制方式，电动机转速的调节是非连续的，有级的，分为一档、二档、三档。比较适合非连续调速，自动化水平要求不高的场所。
（2）变频调速
由公式（1），电动机转速与电源频率、转差率成正比，与磁极对数成反比，当磁极对数和转差率恒定时，通过改变电源频率达到调节电机转速的目的，由此，要想获得连续、平滑的电机转速，通过平滑地调节电源频率就可达到。变频调速调节范围广，从基频向下调节，异步电动机正常运行时，定子相电压和频率、主磁通的关系见式（3）。
（3）
式中1
U——定子相电压（V）；
k——定子绕组的绕组系数；
N——定子绕组每相匝数；
m——气隙磁通（Wb）；
主磁通保持恒定，频率减小的同时必须减小电压，属恒转矩调速方式。由于电动机的额定电压是一定的，输入的电源电压不能高于其额定值，当频率从基频向上调节时，电动机端电压只能保持额定，频率增高，磁通降低，最大转矩减少，属恒功率调速方式。变频调速可以明显减小电机启动电流，启动性能良好。因此，调速方案中最完美的应该是变频调速。
（3）变转差率调速
变转差率调速可以分为调压调速、绕线式异步电动机转子回路串电阻调速和串级调速。变频器出现之前，电机调速大部分采用变转差率调速。该形式存在以下不足：调速幅度不大、速度响应慢，稳控性差，满足不了大部分用户对交流电机调速的要求。
①调压调速系统：将晶闸管串入到恒定交流电源与交流电动机当中，起到控制电压的作用，该调速方式仅对短时调速的设备适用。
②绕线式异步电动机转子回路串电阻调速：通过改变转子回路所串电阻来进行调速，结构简单，调节速度不连续，随着电阻的增大，机械特性变差，在较低转速时，损耗增加，稳控性不好。
③绕线式异步电动机串级调速系统：在电动机转子回路中接入反向电势，要求反向电势与转子电势频率相同，只要改变这个附加的，同电动机转子电压同频率的反向电势变化，电动机转速相应连续变化；反向电势与电动机转速成反比。从三相异步电机转速公式来看，电机调速的本质是改变同步转速和不改变同步转速。从调速效率和能耗来看，电机调速可分为高效调速和低效调速：转差率不变的调速称为高效调速，无转差损耗；转差率有损耗的调速称为低效调速。从专业划分方式来看，电机调速又可分为电气调速和机械调速：电气调速可分为6种，分别为变极调速、变频调速、调压调速、电磁调速、串级调速、转子串电阻调速；机械调速主要是液力耦合器调速。其中变极调速、变频调速和串级调速为高效调速，其余为低效调速。
随着电力电子技术的飞速发展，电子元器件的精细化、产品化，控制水平的先进化，交流调速的应用需求渐渐增大，变频器技术飞速发展，以致变转差调速方式逐渐被取代。由此，以上三种调速形式中，变频调速是最完美，最有发展前景的交流调速方案。
3.引风机变频节能改造
某电厂2×330MW热电联产工程于2011年12月投产，电厂厂址地面高程540m。引风机通过主轴上叶轮的旋转运动来维持空气压能，以及流动性能。引风机主要由吸气口、叶轮和排气口等组成。气体由吸气口进入引风机内部，叶轮在电动机的带动下旋转，使气体在离心力的作用下由排气口排出，于是引风机内形成了一定的负压，外部气体又进入引风机，接着被排出，只要电机一直工作，气体就这样连续的流动着，实际上叶轮将机械能转化为动能。
3.1改造前引风机配置及接线
本工程1号炉配套两台引风机，并列运行，功率为1800kW。1号炉1号、2号引风机分别接至主厂房6kVIA段9号柜、6kVIB段9号柜。
3.2引风机变频改造
（1）引风机变频一次接线改造
1号、2号引风机分别配置一台高压变频器，电源分别引自主厂房6kVIA段9号柜、6kVIB段9号柜。原有1号、2号引风机、电动机及其基础保留，将原有1号、2号引风机至6kVIA段9号柜、6kVIB段9号柜的电缆改接至1号、2号引风机变频器进线柜。
“一拖一”高压变频调速系统一次接线图如图1所示。
图1变频调速一次接线图
变频运行方式下：6kV电源经高压断路器至变频装置进线刀闸QS2，再到高压变频器，后经出线刀闸QS3接至电动机；工频运行方式下：6kV电源经高压断路器由旁路刀闸QS1接至电动机。变频装置故障状态下，切断进线刀闸QS2和出线刀闸QS3，旁路刀闸QS1合闸，电动机在工频模式下继续运行。为了防止误操作，旁路柜内各隔刀需要相互闭锁。
（2）引风机变频二次接线改造
原引风机6kV开关柜每面柜内配置两块综合保护装置，一块为WDZ-5232（电动机综合保护装置），另一块为WDZ-5231（电动机差动保护装置）。本次将进行变频改造的引风机对应的6kV开关柜（6kVIA段9号柜、6kVIB段9号柜）中WDZ-5231（电动机差动保护装置）更换为WDZ-5234（变频电动机差动保护装置），将WDZ-5232（电动机综合保护装置）更换为WDZ-5237（变频器电机综合保护装置）。
（3）引风机变频柜交、直流控制电源的引接
1号、2号引风机高压变频器柜交流控制电源拟各引自1号炉引风机房MCC10BJH02GS007回路、10BJH01GS003回路。1号、2号引风机高压变频器柜直流控制电源拟各引自主厂房公用PC及保安MCC直流分电柜121Z、122Z回路。
3.3引风机变频器室布置
高压变频器由进线柜、变压器柜、功率柜和旁路柜构成，长度大约7米左右，体积庞大，面对面布置，还要考虑风道等设备，需要单独设置变频器室。变频器室最好在电机设备周围就近布置，且周围环境不能影响变频器运行。再者，室内不应有较大灰尘、腐蚀或爆炸性气体、导电粉尘等。结合上述因素，现有的引风机房内没有空余位置，本次改造在引风机房后部中间位置新建引风机变频器室，室内设电缆沟与原有厂区电缆沟连通。
3.4变频器的电缆选择
本次改造引风机电机功率为1800kW，回路工作电流约为216.5A，原工程采用ZRC-YJV22-6-3×185电缆不需要更换，电缆接至变频器进线柜，新增由进线柜至电动机的电缆。本次改造工程进出控制室的控制信号电缆选用kvvp2-22电缆，电缆排布根据规范要求，按照由高到低、由强到弱。本次改造电缆敷设主要采用电缆沟的敷设方式，在新增的变频器室内设电缆沟（宽×高：1000×1000）与原有厂区电缆沟连通。
3.5接地
为保护人身和设备安全，本期新建变频器室内设接地网，接地网与厂区原有主接地网相连。水平接地网采用60×8的扁钢，并尽可能利用自然接地体。
3.6通风部分
引风机变频器室内的变频柜散热量较大，室内环境温度要求限制到0～40℃之间，需要设置降温通风系统。降温设备采用直接蒸发空气处理机，布置于空调机房内。直接蒸发空气处理机的冷却水接自厂区生活水管道。空气处理机同时设置加热段，冬季变频器室内温度低于运行要求温度时，向室内送热风，以确保变频器正常工作。变频器排出的热风经风道送至空气处理机，经降温或者升温处理后送至变频器室。变频器室同时设置常规的事故排风。
3.7节电效果分析
（1）维护工作量减少
变频改造前，引风机采用工频运行，需要一直保持在990r/min条件下运行，变频改造后，在相同负荷情况下，引风机的转速可明显降低，在机组满负荷条件下，改造后转速可降低至900r/min；低负荷的情况下，转速会更加低，因此风机的振动也会由原来的4mm/s降低到2mm/s之内，对于引风机的安全稳定运行提供了保证，改造后可节省年检修维护费用约23万元。增加变频器，引风机不需要挡板来调节风量，电机、风道、挡板等的磨损可减少为改造前的1/3，大大延长了机械设备的使用寿命，间接效益不可估量。
（2）工作强度降低
变频器控制系统实现全数字控制，故障可实现自诊断，功能齐全，控制方式方便灵活。变频器远程变频运行由DCS实现，生产人员的劳动强度减小，效率提高，使运营得到可靠保障。
（3）减少了对电网的冲击
由于变频器上电时充电电流较大，可达额定电流的6~8倍，因此充电电流对厂用电系统造成强烈的冲击，使得厂用电电压瞬间跌落，影响其他设备的正常运行；再者高压变频器存在短时间内断电重新上电的情况，即使直流环节残电电压较高，且充电电流较小，但由于变压器的剩磁以及合闸时电网电压相位不匹配等，在高压上电时，使得变压器激磁偏磁导致铁心饱和，可产生2至10倍于额定电流的激磁涌流，同样对厂用电构成干扰。解决上述问题需要在变频调速装置内设置激磁涌流和预充电电路，通过预充电电路，在变频器高压上电时，能将电流限制在1倍额定电流之内，做到对厂用电的零冲击。
结束语
以长久发展的眼光看，电厂锅炉引风机加装高压变频装置将对推动发电企业发展起到至关重要的作用。为此，应当加强风机变频改造节能的研究。
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