天富发电厂变频改造方案的研究

摘要：随着电力改革和电力市场的发展，发电企业提高经济效益和社会效益是其根本任务。基于发电厂节能降耗的迫切要求以及高压变频调速技术的发展，本文结合重庆天富电厂的实际情况，探讨了天富电厂的变频改造方案，并对方案中具体设备的选型进行了论证。

关键词：节能；变频调速；高压变频器；发电厂

中图分类号：TN77 文献标识码：A

随着国家节能减排工作的不断深入，火力燃煤发电机组如何降低厂用电率、降低供电煤耗迫在眉睫。风机和水泵是火电厂中的主要耗能设备，其输入能量的20%-30%被挡板或节流阀所消耗。因此对风机和水泵进行节能改造具有很大潜力。当前作为大容量传动的高压变频调速技术在节能领域得到了广泛应用。目前重庆天富发电厂风机、水泵的流量调节仍然采用挡板节流的机械调节方式，造成了大量的电能浪费，其厂用电率高达11.15%。为了达到降低厂用电量，从而有效地降低发电成本，增强企业的竞争力的目的，必须对天富发电厂中的风机、水泵进行变频节能的改造。

1天富发电厂运行和设备概况

重庆天富发电有限公司总装机容量1×55MW，配高温高压循环流化床1×240t/h锅炉， 2006年安装投运。重庆天富发电有限公司煤矸石综合利用发电系统总的状况看运行正常，但整个系统仍有能量系统优化的潜力，首先是锅炉系统存在布风不均、燃烧不充分及排烟温度高，热效率低，与设计值差距较大；其次，公司现有厂用电率较高，目前为11.15%，系统中风机、水泵的流量调节方式采用机械调节方式，落后的方式造成电能浪费。

电厂实际负荷在65%～100%之间变化，导致锅炉风机的送风量、引风量及给水泵、循环水泵的流量也要随之而做相应变化。目前风机、水泵出力的调整是采用调控挡板开度调节来实现的，由于这种调节方式是靠节流来实现的，造成的能量损失很大。异步电动机在启动时启动电流一般达到电机额定电流的8～10倍，对厂用电形成冲击，同时强大的冲击转矩对电机和风机的使用寿命存在很大不利影响。因此，为进一步降低厂用电率，提高用电效率和增加供电量，从而达到降低给供电标煤耗的目的。需对风机、水泵系统进行变频节能改造。

图1 风机、水泵的实物图

自用电系统主要用电集中在1、2号给水泵、1、2号引风机、一次风机、二次风机上。故拟对1、2号给水泵、1、2号引风机、一次风机、二次风机，共6台高压电机进行变频节能改造。

2 天富发电厂变频改造方案

2.1 改造方案概况

2.1.1 改造系统控制原理

风机为一拖一方式进行控制，2台给水泵为一拖二方式。根据工艺要求需要切换方式：一次风机变频故障切换方式采用电动式人工切换方式，二次风机、引风机采用手动人工切换方式，给水泵采用变频故障自动切换到备用给水泵工频方式，正常切换方式灵活，易操作。并且改造后不影响要求不影响生产工艺。

基本原理：它是由3个高压隔离开关QS1～QS3组成。要求QS1、QS2不能和QS3同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开，再合QF；转到工频运行时，必须先断开QF，再断开QS1和QS2，再闭合QS3，后合QF。QS1、QS2、QS3隔离开关状态上DCS。

基本原理： 此图是双路电源情况下，一拖二旁路的方案，它是由六个高压隔离开关QS1～QS6组成。其中QS1和QS2，QS3和QS4，QS4和QS6，QS3和QS5做机械互锁。如果M1工作在变频状态，M2可以工作在工频状态；相反如果M2工作在变频状态，则M1可以工作在工频状态；如果检修变频器，两台负载都可以工频运行。QS1～QS6隔离开关状态上DCS。

2.1.2 变频装置控制方式

变频装置具有"就地"和"远方"两种控制方式，切换开关位于变频器控制柜处，可根据需要自由切换。在就地控制方式下，通过变频器上的人/机界面液晶屏，可进行就地启动、停止操作，可调整转速、频率；远方控制方式下，变频装置只接受机组DCS控制指令，并反馈变频器的主要状态和故障报警，运行人员可通过DCS画面进行启动、停止、调速等操作；电机旁应装有变频器事故按钮，突发事故时可紧急停止变频器运行。变频器装置在"就地"和"远方"两种控制方式下，均能实现开环、闭环控制。

2.1.3 电气各开关及控制的要求

变频器两端隔离开关，具有"运行"、"试验"、"检修"三个位置。变频器的各项保护功能完善，具有短路、过电压、欠电压、过电流、过载、过热、缺相、CPU出错、通讯故障、瞬停再启动等保护功能。

2.2 改造方案中具体设备的选型

2.2.1 变频器额定容量的选定

变频器选型时，应充分考虑所应用的场合和使用工况条件的最恶劣情况，留有足够的设计裕度和采取必要的保护措施。变频器额定容量可用下式计算选定。

式中：P为变频器容量（KVA），Iout为变频器额定输出电流（A）

Vout为变频器输出电压（V）， I为推荐配用电机额定工作电流（A）

对连续运行变频器容量P0（KVA），必须满足如下几点：

① 变频器容量必须大于负载所要求的输出，即

② 变频器容量不能低于电机容量，即

③ 变频器电流Iout应大于电机电流，即Iout≥ kIM

④ 起动时变频器容量应满足下式

以上各式中：

Iout为变频器电流；GD2为电机轴端换算；tA为加速时间，根据负载要求确定；K为电流波形补偿系数（PWM控制方式取1.05～1.10）；TL为负载转矩；η为电动机效率（通常取0.85）；cosΦ为电机功率因数（通常取0.75）；IM为电机额定电流；UM为电机额定电压；nM为电机额定转速。

2.2.2 变频器与电动机配套问题

在实际应用中，必须考虑变频器与电动机的匹配问题，如低速时的冷却、电动机的稳定性和频繁起动等。

对于调速范围比较宽，特别是具有恒转矩和恒功率调速两个运行范围的电动机来说，由于具有在低速时电流和磁通基本保持不变的恒转矩特性，使其散热困难，因此不能采用自带风扇冷却。因为这种冷却方式对高速和低速运行工况不利，低速运行时冷却效果差；高速时则电机效率严重下降。通常情况下，如果采用自带风扇冷却或管道通风，冷却风量的选择原则是每20kW电动机损耗需要1m3/s 的风量。除了尽可能减少各种损耗外，还需对空气的流场和温度进行认真分析，减少温度分布的不均匀系数，提高电动机线圈端部的传热性能，增强电动机机座本身的散热能力。

由于电动机动态稳定性与系统的状态有关，在电源容量大的工频电源系统中可以稳定运行，而采用变频器供电时，系统运行可能发生不稳定。实际应用中发现，当一台电动机专用一个变频电源时，通常运行稳定；而多台电动机共用一个变频电源时，就变得不稳定了。

分析这些现象，可能有两方面的原因：一方面，电动机固有的低频不稳定性和电动机与变频器相互影响造成运行不稳定。在低频时这种不稳定表现为持续地振荡，也就是转子转速在同步转速附近摆动；另一方面，可能是超出变频器的换向能力而使其保护动作，导致不能正常工作。电动机和变频器之间相互影响造成的不稳定主要是由于电动机机械系统的惯性或变频器直流环节中滤波电感和电容之间发生能量交换造成的。

由于变频器可以在很低的频率下起动电动机，对于一些大容量的调速系统，不仅可以频繁起动，还可以频繁正反转，使交流电动机在四象限内运行。但频繁的起动和正反转会使电动机经常处于循环交变应力的作用下，对电动机的机械部分和绝缘会带来疲劳和加速老化的问题。

3 变频节能改造的效果分析

3.1 变频改造后的节能分析

目前天富发电厂的一、二次风机，引风机（#1-#2），给水泵（#1-#2）的变频节能改造已完成，每台机组的变频设备均已投运，取得显著节能效果。为计算变频改造的节能效益，将天富发电厂变频节能改造前后一年中同时段发电厂各改造设备的用电情况列出，如表1所示。

表1 改造前后设备的用电量情况

从上表可知，经变频节能改造后日均节电量为W1=113411-94497=18914 kW·h。如果按照发电厂一年运行300天计算，改造后一年的节电量为W2=18914×300=567.42万kW·h。按照发电成本0.3元/ kW·h计算，变频节能改造的年收益为0.3×567.42=170.2万元，具有非常可观的经济效益。同时，节电567.42万kW·h约合19860吨标煤，具有节能减排的社会效益。

3.2 改造后的优缺点讨论

①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。观察变频器起动的负荷曲线，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。

②延长设备寿命

使用变频器可使电机转速变化沿理想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，降低风机、水泵的转速可成倍地提高它们寿命，使用费用自然就降低了。

③降低噪音

我厂水泵改用变频器后，降低水泵转速运行的同时，噪音将大幅度地降低，当转速降低于50HZ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，水泵变频运行后，噪音、振动都大为减少，变化相当可观。

结语

通过对天富电厂55MW机组引风机系统的不同改造方案进行分析比较得出：变频调速是先进、实用、可靠的调速技术；经济上，从降低引风机电耗，降低年运行费用，降低发电成本，从"大力节约能源，加快建设资源节约型社会"考虑，选用变频器进行引风机调节是经济、可行的。

参考文献

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