高压变频调速技术在火力发电厂节能中的应用

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  1、引言

  近年来,随着国家节能减排政策的大力推广,火电厂的设备节能改造也开始逐步进行,而风机、水泵作为火电厂数量最多的辅助设备,具有非常显着的节能空间。同时,火电厂装机容量不断加大,导致机组的调峰力度随之增大,机组的负荷在运行周期内也有较大范围的改变,实现风机、水泵流量的实时调节势在必行。目前,我国火电厂大多采用节流阀对风机、水泵的流量进行调节,虽然可实现流量的变化,但并没有根本改变电动机的输出功率,没有达到节能的效果。但电力电子技术和计算机控制技术的快速发展,火电厂风机等辅助设备的节能改造普遍开始采用变频调速装置,取得了令人满意的效果。

  2、高压变频调速系统的主要优缺点

  2.1主要优点分析

  1)调速效率高。高压变频调速系统可使风机、水泵等设备的电动机在运行频率发生改变后仍保持额定转差率基本不变,也就是使电动机维持在改变后频率的同步转速附近运行,这样的好处是电动机的转差损失不变。同时,当速度发生变化时,只有变频装置中产生能量损耗,但电动机的自身损耗及效率会降低,其原因主要是由于高次谐波的影响。

  2)调速范围宽。高压变频调速系统的调速范围可达10:1或20:1,可实现频率在50~5Hz或50~2.5Hz范围内的调节,同时在此调速范围内仍能保持系统具有较高的效率,因此低转速状态下运行的负载应用效果更为显着。

  3)在变频调速系统发生故障或者有其他经济运行方案需要时,变频装置可停止运行,此时设备的电能将由电网直接供给,这就确保了再系统故障时,风机、水泵等设备的运行不受影响,或者在更为经济的运行条件下,如设备在额定频率范围状态下工作,此时采用节流等方式调节更为经济,这样既保证了整个电力系统的安全可靠,又使得系统的节能效果更为显着。

  4)变频调速装置除了可以调节流量外,还可以同时作为电动机的软启动装置使用。

  2.2主要缺点分析

  1)虽然理论上变频调速系统可适用绝大部分设备的节能改造,但目前在高压大容量传动设备中还不能普遍推广,其主要原因有两个方面:一方面是火电厂装机容量越来越大,与之相适应的辅助机组供电电压可达到3~10kV,但功率开关器件往往不能承受如此高的电压;另一方面是高压大功率变频调速系统无论是设计、生产还是安装运行,都需要较高的技术,其经济成本也较高,而过高的投入将造成设备改造后无法取得实际的经济和节能效益。

  2)变频器分为电流型和电压型两种类型,二者的共同点是产生的电流或电压的波形均为高次谐波,因此设备及其供电电源的运行将受到很多负面影响。较典型的表现是,电动机在运行过程中由于高次谐波的影响将产生更多的附加损耗,温升随之增加,进而导致其效率和功率因数均降低、噪声增大等问题。此外,电动机转矩在高次谐波的影响下降发生脉动现象,脉动的频率可用6kf(k=1,2,3…)表示,当次频率与系统的固有频率相近时,将引发变频装置与设备的共振现象。但采用一定的措施是可以使变频器输出的高次谐波有所降低的,如采用PWM变频器或采用多重化技术的电流型和电压型变频器将大大改善装置的输出波形。

  3、各种变频调速方式的节能效果比较

  风机、水泵的流量调节方式可分为非变速调节和变速调节两大类,各种调速方式的差别主要表现在对转差功率的处理上,即转差功率消耗型(如液力耦合器调速、液力调速离合器调速、电磁转差离合器调速、鼠笼式异步电动机定子调压调速以及绕线式电动机转子串电阻调速)、转差功率回馈型(绕线式异步电动机的串级调速)以及转差功率不变型(变级调速、变频调速、直流电动机调速),第一种属于低效调速方式,后两种属于高效调速方式。高效调速方式的节能效果相差不大,因此本文着重讨论低效调速方式的节能效果的差异。

  如上所述,目前我国采用的低效调速方式共有五种,其差别是采用的变频器类型不同,但它们存在一个共同点,也就是各低效调速方式的调速效率等于转速比(ηv=n2/n1=i),但其节能效果仍存在很大差别。

  首先,装配了液力耦合器调速和绕线式电动机转子串电阻调速的风机和水泵等设备的电动机在运行时的转速仍然可以达到未改造时的额定转速,因此其节能效果也是最好的。这两种调速方式下的电动机运行转速为额定转速的2/3时将产生最大的转差损失,其值为0.148,也就是在实际运行中,改造设备达到最高转速时所需的轴功率值。

  其次,风机和水泵等设备在装配了液力耦合器调速和电磁转差离合器调速时,其电动机在运行时的转速并不能达到额定转速,因此这两种调速方式的节能效果与上述两种相比较低。在这种调速方式下,水泵和风机与变频装置相连接的主动部分与被动部分之间要存在一定的转速差才能正常运行。风机和水泵的最高转速比为,其中为设备运行时的最高转速,液力耦合器的最高转速比in范围为0.97~0.98,以往的电磁转差离合器最高转速比in范围为0.83~0.87,而目前新产品的 范围为in0.94~0.96。与上述两种方式相同,采用这两种方式改造的设备运行时的最大转差损失也产生在2/3额定转速下,此时转差损失最大,可用计算,设备在非额定转速下的转差损失可用表示,由上式可知,在转速比i一定的条件下,in越小则越大。此外,由于采用这两种变频调速方式的设备达不到额定转速,因此要采取措施加大设备的出力,例如加大风机、水泵等设备的额定容量等。

  对于调压调速装置,调速线路的晶闸管要产生换流损失,晶闸管换流产生的高次谐波也会影响到电动机的性能。此外调速调压装置通常配置高转子电阻的鼠笼式电动机,它的效率比普通的鼠笼式电动机要低。因此,它是上述低效调速方式中节能效果最差的。

  4、结语

  高压变频调速技术在火力发电厂节能改造中得到了广泛的应用,取得了良好的效果,火电厂应积极鉴定新方法的有效性,在正确鉴定的基础上合理开发,把高压变频技术变为改进的表帅,为我国节能减排增效政策的实施贡献力量。


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