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1 引言
　　我國火電廠(chǎng)尤其是老廠(chǎng)主要用電設備存在較嚴重的能源浪費現象，一般老廠(chǎng)自用電占發(fā)電量的9%~10%，其中送風(fēng)又占自用電的10%，引風(fēng)機占15%，給水泵占20%。而新建電廠(chǎng)自用電占發(fā)電量的6%左右，可見(jiàn)節能降耗的潛力是很大的。為此各火電廠(chǎng)都把挖潛節能降耗的工作提到議事日程，從技術(shù)改造著(zhù)手，尋求節能降耗的途徑和辦法。變頻調速技術(shù)無(wú)疑是電廠(chǎng)風(fēng)機水泵節能的重要途徑。
2高壓變頻節能原理
　　異步電動(dòng)機的變頻調速是通過(guò)改變定子供電頻率f來(lái)改變同步轉速而實(shí)現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動(dòng)機較為合理的調速方法。
　　由公式n＝60f/p（1-s）可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動(dòng)機的同步轉速。異步電動(dòng)機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，目前，變頻調速已成為異步電動(dòng)機較主要的調速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應用。
　　高壓變頻調速具有如下顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：
　?。?）由負載檔板或閥門(mén)調節導致的大量節流損失，在變頻改造后不再有節流損失。
　?。?）網(wǎng)側功率因數明顯提高。
　?。?）可實(shí)現零轉速啟動(dòng)，避免啟動(dòng)沖擊電流，減輕了沖擊扭振。
　?。?）高壓變頻器本身?yè)p耗極小，整機效率在97％以上。
　　對離心式風(fēng)機而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉速n成正比；輸出壓力H與轉速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉速n的立方成正比；即：
　　Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝（n1/n2）2，P1/P2＝（n1/n2）3
　　當風(fēng)機風(fēng)量需要改變時(shí)，如調節風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，則會(huì )使大量電能白白消耗在閥門(mén)及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時(shí)，當風(fēng)機低于額定轉速時(shí)，理論節電為：
　　E=〔1-（ n′/n）3〕×P×T （kW·h）
　　式中： n是額定轉速，n′是實(shí)際轉速，P是額定轉速時(shí)電機功率，T是工作時(shí)間。
　　可見(jiàn)，通過(guò)變頻對風(fēng)機進(jìn)行改造，不但節能，而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。
3風(fēng)光公司高壓變頻調速系統技術(shù)特點(diǎn)
　　風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無(wú)速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機。具體來(lái)說(shuō)，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點(diǎn)：
　?。?）采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。
　?。?）飛車(chē)啟動(dòng)功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動(dòng)。
　?。?）完整的工頻/變頻自動(dòng)互切技術(shù)?，F在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時(shí)能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路切換兩種型式，手動(dòng)旁路需人工操作，適應于無(wú)備用裝置或不重要的運行工況，自動(dòng)旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動(dòng)轉換至工頻運行。新風(fēng)光公司提供的自動(dòng)旁路切換柜，不僅可實(shí)現變頻故障情況下自動(dòng)由變頻轉換至工頻運行狀態(tài)，還可實(shí)現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能，整個(gè)轉換過(guò)程不會(huì )對用戶(hù)設備的運行造成任何影響。
　?。?）旋轉中再啟動(dòng)功能。運行過(guò)程中高壓瞬時(shí)掉電3s內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動(dòng)運行到掉電前的頻率。
　?。?）線(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)（星點(diǎn)漂移技術(shù)）。變頻器某相有單元故障后，為了使線(xiàn)電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過(guò)調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線(xiàn)電壓均衡輸出。
　?。?）單元直流電壓檢測：實(shí)時(shí)顯示檢測系統的直流電壓，從而實(shí)現輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實(shí)現對功率單元運行狀況的全面把握。
　?。?）單元內電解電容因采取了公司專(zhuān)利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍。
　?。?） 散熱結構設計合理，單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結構，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過(guò)壓范圍（≥1.15Ue），設備可靠性更高。
　?。?） 具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會(huì )導致重大事故。變頻器在發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發(fā)生。
　?。?0） 限流功能：當變頻器輸出電流超過(guò)設定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過(guò)程中或因負載突然變化而引起的過(guò)流保護，最大限度減少停機次數。
　?。?1） 故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過(guò)電流保護時(shí)，可自動(dòng)復位，繼續運行。
4  高壓變頻器在昆明鹽礦電廠(chǎng)的應用
　　昆明鹽礦1993年6月建成投產(chǎn)，是云南省較大的鹽及鹽化工原料生產(chǎn)基地，云南省第一家無(wú)磷環(huán)保型洗滌助劑生產(chǎn)企業(yè)。昆明鹽礦自備電廠(chǎng)45t鍋爐配用一臺送風(fēng)機配用電機功率315kW/10kV，一臺引風(fēng)機配用電機功率400kW/10kV。該廠(chǎng)近年來(lái)，機組壓負荷調峰和兩班制調速運行時(shí)間占機組運行小時(shí)數的60%，引、送風(fēng)機長(cháng)期處在節流運行。針對上述能源浪費的現象，該廠(chǎng)在2009年機組大修，對100MW機組的引、送風(fēng)機采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器，進(jìn)行變頻節能改造。
4.1高壓變頻器主回路控制方案

　　改造前：原系統10kV高壓開(kāi)關(guān)柜至電機，電機與風(fēng)機直接連接，通過(guò)風(fēng)門(mén)擋板的開(kāi)度來(lái)調節流量。
　　改造后：系統10kV高壓開(kāi)關(guān)柜至風(fēng)光高壓變頻器，風(fēng)光高壓變頻器與電機相連，通過(guò)調節電機的轉速來(lái)調節流量，電機與風(fēng)機間不用做任何改動(dòng)，且變頻調節時(shí)風(fēng)門(mén)檔板可全開(kāi)。
　　根據現場(chǎng)要求，此次2臺變頻器采用一拖一手動(dòng)旁路控制方案，其一次電路如圖1所示。

　　圖1旁路柜中，共有3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動(dòng)機構，實(shí)現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開(kāi)時(shí)，電機變頻運行；當K1、K3斷開(kāi)，K2閉合時(shí)，電機工頻運行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護和調試。
　　旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時(shí)，絕對不允許操作旁路隔離開(kāi)關(guān)與變頻輸出隔離開(kāi)關(guān)，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
　　故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開(kāi)關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當變頻器出現故障時(shí)，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無(wú)效。
　　保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
4.2高壓變頻器控制邏輯

　　利用DCS控制系統的預留點(diǎn)，設計高壓變頻改造控制、運行監視系統，系統包括工、變頻的運行、停止命令按鈕；轉速調節按鈕；變頻器復位按鈕、緊急停止按鈕；變頻器運行電流、電機轉速顯示；高壓柜以及變頻合閘顯示；變頻器故障報警顯示。
　　DCS系統輸出 4~20mA電流信號控制JD-BP38高壓變頻調速系統的運行頻率， 來(lái)控制電機的運行轉速。JD-BP38高壓變頻調速系統反饋4~20mA電流信號指示JD-BP38高壓變頻調速系統的輸出頻率、輸出電流。JD-BP38高壓變頻調速系統同時(shí)接收DCS控制系統的啟動(dòng)、停止、急停、復位控制信號，調整運行狀態(tài)。
　　當JD-BP38高壓變頻調速系統故障時(shí)，系統輸出故障停機和報警信息，用于提示用戶(hù)啟動(dòng)故障處理措施，同時(shí)JD-BP38高壓變頻調速系統將信號發(fā)送給DCS，在DCS系統上顯示故障，以便于及時(shí)的排除故障。如果系統出現緊急情況，DCS監視人員立即點(diǎn)擊變頻器緊急停止按鈕，此時(shí)變頻器立即封鎖輸出，并及時(shí)跳開(kāi)高壓斷路器開(kāi)關(guān)。
　　為保證JD-BP38高壓變頻調速系統操作的安全性，需從改造電機的進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜把斷路器的狀態(tài)信號接入JD-BP38高壓變頻調速系統。JD-BP38高壓變頻調速系統輸出的故障跳閘信號接入斷路器的分閘回路，連跳高壓信號接入安全回路，當出現嚴重故障時(shí)及時(shí)跳開(kāi)斷路器，保護JD-BP38高壓變頻調速系統及電機。
　　如圖2所示，當所有開(kāi)機條件都具備后，DCS發(fā)出變頻運行命令，變頻器內置PLC發(fā)出“合閘”信號至10kV高壓柜，高壓斷路器開(kāi)關(guān)合閘，變頻器進(jìn)行軟充電，5S后充電完成，變頻器處于就緒狀態(tài)，由DCS給出4~20mA信號控制變頻器頻率來(lái)改變電機轉速。
4.3高壓變頻器運行及試驗測試
　　改造后，對高壓變頻器進(jìn)行模擬調試、空載調試、帶負荷調試都達到了設計要求。測試項目及結果是：
　?。?） 功率因數測試：引、送風(fēng)電機功率因數均在0.97~0.99。
　?。?） 變頻器效率測試：兩臺變頻器效率均在97%~98%。
　?。?） 變頻器對公用電網(wǎng)的諧波影響測試：測試10kV電網(wǎng)系統總畸變率1.48%~1.84%，符合國家標準小于4%的規定，測試110kV、220kV電網(wǎng)系統總畸變率1.02%~1.42%，符合國家標準小于2%的規定。
　?。?） 用變頻和工頻啟動(dòng)電流比較：變頻啟動(dòng)電流小，電流平滑上升，工頻啟動(dòng)電流則是額定電流的6~7倍，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流大，直接威脅電機安全運行和使用壽命縮短。
　?。?） 變頻器頻率范圍和精度測試：變頻器頻率調節的范圍0~50Hz，調節范圍寬、調節靈活，達到設計要求的±3%。
4.4變頻改造節能情況
　　2009年12月23日，變頻器正式投入運行，至今運行良好。變頻器使用方便，可靠穩定，維護量小。改造達到了預期目的。
　?。?）直接經(jīng)濟效益分析
　　引風(fēng)機、送風(fēng)機長(cháng)期在低負荷運行（60～100MW）時(shí)，電機頻率一般為30~47Hz范圍，并且長(cháng)時(shí)間運行在40Hz左右，昆明鹽礦發(fā)電廠(chǎng)節能服務(wù)中心對風(fēng)機正常運行時(shí)參數實(shí)際測量：測試結果為315kW/10kV節電率為38%，400 kW/10kV節電率為40%。
　　根據上面的測試結果，一臺機組按照每年運行5500小時(shí)計算，
　　每臺機組每年可節約電量=引送風(fēng)機容量×機組年運行小時(shí)數×變頻器平均節電率
　　=（315kW×38%+400kW×40%）×5500h=1538350kW?h；
　　增加上網(wǎng)電價(jià)收入=年節約電量×上網(wǎng)電價(jià)=1538350kW?h×0.25元/kW?h=384587.5元；
　　年節約標煤量=年節約電量×供電煤耗=1538350kW?h×0.42kg/kW?h=646107kg；
　　年節約煤碳購置費用=年節約標煤量×標煤?jiǎn)蝺r(jià)=646.107t×800元/t=516885.6元。
　　采用變頻調速的經(jīng)濟效益是可觀(guān)的。
　?。?） 間接經(jīng)濟效益分析
　　用變頻器啟動(dòng)電機，對電機、電纜、開(kāi)關(guān)等無(wú)沖擊電流（用工頻啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流是電機額定電流的6~7倍，經(jīng)常造成電機、電纜、開(kāi)關(guān)損壞，機組被迫減負荷或停機）。設備隨生產(chǎn)工藝變負荷運行，大大降低了設備負荷率，延長(cháng)了風(fēng)機、電機等設備的使用壽命。減少設備維護費用和違約電量造成的經(jīng)濟損失。這部分隱形的間接效益也是可觀(guān)的，每年節約50~100萬(wàn)元左右。
5 結束語(yǔ)
　　隨著(zhù)廠(chǎng)網(wǎng)分開(kāi)，競價(jià)上網(wǎng)日趨激烈，如何降低發(fā)電成本，提高發(fā)電企業(yè)競價(jià)上網(wǎng)的競爭能力，加強內部管理，挖潛節能是電廠(chǎng)必須認真研究的一件大事，采用高壓變頻器對電廠(chǎng)高能耗用電設備如送風(fēng)機、引風(fēng)機、給水泵、循環(huán)水泵等進(jìn)行技術(shù)改造，不僅能收到直接的降低廠(chǎng)用電、降低供電煤耗，增大上網(wǎng)電量帶來(lái)的直接經(jīng)濟效益，而且設備乃至機組的安全可靠性提高，減少機組故障帶來(lái)的隱形經(jīng)濟效益。高壓變頻器技術(shù)在發(fā)電廠(chǎng)有值得推廣應用的廣闊空間。