高壓變頻器在火電廠應用中對電氣設計產生的影響

摘 要 火力發(fā)電廠采用高壓變頻器后對電氣專業(yè)設計產生的影響，提示電氣設計人員在高壓變頻器使用中，應注意的變頻器安裝問題、保護配置問題、廠用電切換問題等。

【關鍵詞】高壓變頻器 保護配置 廠用電切

目前，我國火力機組的平均煤耗為350g/kWh，比發(fā)達國家高30-50g/ kWh，而廠用電率的高低是影響供電煤耗和發(fā)電成本的主要因素之一。按照現在的火力發(fā)電機組發(fā)電能力進行分析，三百兆瓦機組的主力發(fā)電廠，廠用電占其年發(fā)電量的7%。風機、水泵等負載的用電量占比例則達到了30%多，而6kV以上風機的耗電量還會進一步增加。相關研究發(fā)現提高風機系統(tǒng)和水泵系統(tǒng)運行效率的節(jié)電率大約在30%以上。至少可以降低20%的廠用電量，廠用電率下降1～2%。隨著科學的發(fā)展，技術的進步，高壓變頻技術日趨成熟，發(fā)電企業(yè)為了節(jié)能降耗，減少發(fā)電成本，高壓電動機的變頻調速應用日趨廣泛。

火電廠中，主要的耗能設備為風機和水泵。在非智能控制模式下，其一般處于連續(xù)低負荷運行狀態(tài)，而且多采用定速驅動，水泵通過出口閥門調節(jié)流量，風機通過進口風門（靜葉）調節(jié)能量，都存在著嚴重的節(jié)流損耗。而在機組處于調峰變負荷模式下，由于二者的運行偏離高效率運行點，存在嚴重的資源浪費問題。相關調查結果表明，我國兆瓦以上機組鍋爐高壓輔機大部分的運行效率都不高于70%。低于50%的占20%左右，在發(fā)電利用小時不足的地區(qū)，此現象更為明顯。由于目前的機組負荷普遍偏低，輔機設備效率就更低了，大量能源白白浪費。因而很有必要對電廠高壓輔機設備進行降耗節(jié)能改造，以此來實現相應節(jié)能降耗的目的，且對促進經濟增長起到一定的促進作用，合理的轉變經濟增長模式。

當前，為了適應節(jié)能的號召，進一步降低廠用電，火力發(fā)電廠的凝結水泵、一吃風機、二次風機、引風機等高壓電機廣泛加裝高壓變頻器，高壓電動機加裝變頻器后，對火電廠的電氣設計中，包括對所接母線電壓、廠用二次保護、高壓廠用電源切換、高壓變頻器的安裝等帶來影響。下面以某電廠一、二次風機電機變頻改造經驗進行分析總結，避免由于采用高壓變頻器后，對廠內電氣部分帶來的技術問題。

1 變頻調速和節(jié)能的原理

對風機采用擋板控制進行風量控制的效率較低，容易導致能源浪費問題。因而一些火電廠開始采用轉速調節(jié)方式進行節(jié)能，這種調節(jié)方式有多種，其中變頻調速方式應用頻率最高。

采用變頻器進行控制風量有多方面的優(yōu)點，其也是一種常用的變頻節(jié)能技術，以下對其原理進行具體論述。

1.1 風機的參數和特征

1.1.1 風機的基本參數

風量Q：其表示一定時間內流過風機的空氣量（立方米每秒）；

風壓H：其表示空氣流過時產生的壓力，每立方米空氣接受的風機的總能量就是風機的全壓，其主要包括靜壓Hg和動壓Hd兩部分；

功率P：其含義為風機工作有效總功率；

效率η：也就是風機的有用功和額定功率的比值，其主要和風機的軸功率損耗有關，可以通過此參數來衡量風機工作的優(yōu)劣，風機效率有多種，可以依據其工作方式及參數，而劃分為如下幾種：

全壓效率ηt=QHt/P

靜壓效率ηg=QHg/P

1.1.2 風機的特性曲線

和風機性能有關的曲線有多種，主要包括：

H-Q曲線：其具體表示在轉速一定情況下，風壓與風量的對應關系；P-Q曲線：表示在轉速不變情況下，功率與風量的關系；η-Q曲線：其表示在同樣條件下，風機的效率特性

各種類型的風機，在轉速不同情況下，相應的H-Q曲線存在一定的差異，

根據風機相似方程：

風機在運行過程中，如果轉速出現了變化，且轉速從n變到n，則存在如下關系：

根據以上關系可知，風量與轉速成正比；軸功率與轉速之間存在正相關關系。

1.1.3 管網風阻特性曲線

當管網的風阻R固定情況下，若風量與通風阻力的關系是固定的，則風量與通風阻力K的關系可以通過下式描述

K=RQ2

式中：

K-表示通風阻力，Pa；

R-風阻，（kg/m2）

Q-風量，（m3/s）

K-Q的關系也就是風阻特性曲線，可以通過其對風機性能進行描述。

進一步分析可知風阻的K-Q曲線與管網阻力曲線存在一個交點，其也就是風機的工況點M。而風機在不同轉速n、n時的K-Q曲線與R風阻特性曲線相交的工況點分別為M及M，與R1風阻曲線相交的工況點為M1及M1。

1.1.4 電動機容量計算

風機在運行過程中，其相應的電機輸出軸功率可以表示如下：

P=QP/（ηTηF）

式中：

ηT-風機的效率

ηF-傳動裝置的效率。

1.2 風機的節(jié)電方法及節(jié)能原理

分析以上關系可知，風機負載轉矩與轉速的二次方存在正相關關系，而軸功率與轉速的三次方也存在同樣的關系，因而可以通過調節(jié)風機的轉速而起到調節(jié)能耗。

以下主要是采用擋板閥門及變頻調速方式進行轉速調節(jié)，且分析對應的能耗變化情況，從而幫助理論上理解變頻調速方式下的節(jié)能原理。

（1）當流量Q=1情況下，通過風機擋板和變頻器進行調速時用到的功率將會一致，這兩種方式可以根據需要選擇。

（2）當流量從Q=1變?yōu)?.7情況下，通過風機擋板進調速對應的輸入功率可通過BI0L所包圍的面積進行描述，而在變頻模式下則通過DG0L包圍的面積表示，前者明顯大于后者的。

（3）當流量變?yōu)镼=0.5時，則通過風機擋板調節(jié)對應的功率通過CJ0P包圍的面積進行描述，而變頻模式下對應的為EF0P包圍的面積，前者也明顯大于后者的。

根據以上分析可知變頻調速技術時比采用風門擋板調速用到的能量也明顯少很多，因而可以看出變頻調速的節(jié)能效果更好。

根據風機理論，風機運行過程中，其流量可通過閥門或者擋板進行調節(jié)，而起到節(jié)能的目的，其輸入功率的計算公式為：

Pnn=P*Hnn*Qnn

其中：Hnn=U-（U-1）Q2nn

U為系統(tǒng)流量為零時壓力極值

據此可以看出，風門擋板時的風機輸入功率可以通過下式表示：

Pnn=P*Hnn*Qnn=P*[U-（U-1）Q2nn]*Qnn

式中：Pnn為某個狀態(tài)下的輸入功率標么值；Qnn為某個狀態(tài)下的流量標么值；P為額定狀態(tài)下的輸入功率。

1.3 采用變頻調速時的功率計算

接著對異步電機功率進行分析，這種電機的轉數可表示為n=60f（1-s）/p

這幾個參數之間的關系如下：

流量和轉速正相關；壓力和轉速平方正比例功率和轉速立方正比例

假設：額定流量為Q0，額定功耗為P0；功耗為Pg.in；則可以在以上分析基礎上確定出如下關系：

P0：n03=Pg.in：n13

所以采用變頻器調速后，變頻器的輸入功率為：

考慮變頻器和電機效率后，輸入功率為：

式中：

P0-被拖動的電機的軸功率

η1-被拖動的電機效率

η2-變頻器效率

綜上所述，引風機實際運行轉速越低、節(jié)電功率成3次方的增加，也就是說節(jié)能的空間越顯著、效益越高。

2 高壓變頻器容量的選擇

變頻器容量的選擇，主要以電動機容量及所驅動的負載進行核定，技術指標主要是電機功率（kW）、輸出容量（kVA或kW）、額定輸出電流（A）、輸入、輸出電壓（kV），一般輸出電壓以電機額定電壓選擇，額定輸出電流為變頻器可以連續(xù)輸出的最大交流電流有效值，輸出頻率對于不同的負載有不同的要求，一般大容量變頻器調整范圍在0～50HZ，即轉速調整范圍在0～額定轉速之間。

3 使用高壓變頻器后電動機保護的新問題

3.1 裝設縱聯差動保護

根據《火力發(fā)電廠廠用電技術設計規(guī)定DL-T 5153-2002》， 2MW及以上的高壓異步電動機應該進行差動保護，在出現相間短路故障情況下起到保護繞組的目的；對2MVA及以上的變壓器應進行縱聯差動保護，且在保護裝置接線時選擇三相三繼電器式接線模式，以滿足響應速度要求。如圖1所示。

說明：QF1：10KV高壓斷路器；QF2：變頻器旁路斷路器；QF3：變頻器高壓輸入斷路器；QF4：變頻器輸出斷路器。

目前，此種電機在設計過程中一般都設置了繼電保護裝置，且大部分的電機都選擇了微機型綜合保護裝置，這些裝置都安裝在電動機開關柜中，而保護電流分別取自互感器和開關柜。

3.2 現場電動機加裝變頻器所采用的改造方式

這種類型的改造方式多為工變頻互切方式，當變頻器故障時，自動檢同期切換為旁路帶電機的工頻運行方式；在工頻運行方式下，合環(huán)切換為變頻運行方式，達到不停風機切換的方式。保護配置：當電機在工頻模式下，常規(guī)高壓保護能夠滿足電動機運行時的保護配置使用要求；當電動機在變頻模式下，則考慮到線路中設置的變頻器裝置，而變頻器的輸入電流和頻率不存在直接關系，而如果依據常規(guī)高壓電動機的保護配置，則可能無法實現相關保護功能。因而對變頻模式下的電機而言，不可以將變頻器納入差動保護的范圍，主要是對電機單獨保護。差動保護模式下，相應起始端電流互感器應置于變頻器的輸出端。

3.3 現場解決方案

正常變頻運行時，高壓變頻器后的電氣設備由變頻器的保護裝置進行保護，10kV開關柜到高壓變頻器之間的高壓設備，包括高壓電纜和變頻器中的變壓器，由10kV高壓開關柜的變壓器保護裝置進行保護。變頻轉工頻運行后，變頻器的保護裝置退出，由10kV高壓開關柜的電動機保護裝置和電動機差動保護裝置保護高壓電纜及電機等電氣一次設備，因此，整定保護定值的時候要注意保護范圍的問題。

4 高壓變頻器接入高壓廠用，對母線電壓的影響

當高壓變頻器未接入廠用母線時，母線電壓計算方法：

Um：電動機正常啟動的母線電壓

U0：廠用母線的空載電壓

X：變壓器的電抗

S：合成負荷

其中：S=S1+Sq

S1為電動機啟動前，廠用母線上的負荷，Sq為電動機的啟動容量。

其中：Kq為電動機的啟動電流倍數；Pe為電機的額定功率；η為電機額定效率；cosα為電機的功率因數。

高壓變頻器接入廠用母線之前，電機工頻啟動時，一般電機啟動電流為額定電流5～7倍；當啟用變頻器啟動時，高壓變頻器具備軟啟動的功能特性，一般啟動電流為額定電流的1.5～2倍。因此，可以理解為電機工頻啟動電流是變頻啟動電流的3～5倍。

目前國內主流高壓變頻器設計裝有移相變壓器，一般，在電動機啟動時，移相變壓器會產生4～6倍的過電流，因此，可以理解為電機變頻啟動電流是工頻啟動電流的4～6倍。

綜上所述，在高變頻器軟啟動和移相變壓器的共同作用下，對母線沖擊的電機啟動電流基本不變，對廠用母線電壓影響不大，對高廠變的容量設計影響可忽略不計。

5 控制邏輯的研究

風機采用高壓變頻器控制，主要考慮的是風機變頻器故障，退出運行，切換至工頻運行，或某一臺風機故障，切換至另一臺備用風機運行等各種對機組風量的影響，一般設計中，每臺鍋爐的兩臺風機各配備一臺高壓變頻器，并在就地配置風機變頻操作控制單元；為此外為了確保相關粉塵和室溫的指標滿足要求，還在風機的空隙間設置了相應的變頻器設備間；

在主控制室DCS上設置了切換操作端，且通過其對變頻器進進行各種控制操作。與此同時還設置了獨立的變頻器調節(jié)操作端，在運行過程中可以通過變頻器調節(jié)操作端而起到轉速調節(jié)目的。DCS系統(tǒng)根據鍋爐爐膛壓力、風量相關信號進行對應的風機轉速控制，并據此來實現風機的控制和對鍋爐爐膛壓力調節(jié)的目的；

鍋爐風機加裝變頻器以后，風機的調節(jié)方式也發(fā)生改變，而變?yōu)橄鄳冾l轉速調節(jié)，這樣可以顯著的降低節(jié)流損失，且在一定程度上改善了風機運行的特性曲線，避免了一些低壓壓頭差相關的問題，且有利于避免節(jié)流調節(jié)方式下系統(tǒng)阻力線不合理的問題。風機運行穩(wěn)定性也明顯提高，且風機在非穩(wěn)定區(qū)運行時，出現葉片激振的缺陷也避免，這樣還可以消除失速搶風現象，有利于提高設備的安全性。

為了適應電力生產的特殊需要，在變頻調節(jié)過程風機變頻器設置了“工頻-變頻”和“變頻-工頻”之類的功能，這樣可以方便的切換，。而在也導致很大的波動。而通過450兆瓦負荷下的熱態(tài)試驗表明，在此種切換過程中還出現一定的正壓，在不進行人為干預的情況下，相應的系統(tǒng)調節(jié)可以滿足；工頻切變頻操作中，也不會對爐膛壓力造成明顯的影響。

6 變頻器安裝應注意的事項

高壓變頻器重點考慮變頻器中電解電容及其他功率器件的散熱問題，從節(jié)能的角度，一般采用水冷式散熱，從變頻器出來的熱風，經過通風管道排放到散熱器中，溫度會有一定降低，而散熱器中通過較低溫度的水，熱風經過散熱片后，熱量通過冷風從散熱片吹出，這樣就可以實現熱量散出的目的，從而保證變頻器控制室內是溫度在合理的范圍內。安裝空冷器要求必須在密閉環(huán)境中，避免出現泄漏情況。流入空冷器的水應該滿足一定要求，主要為酸堿度為7.0左右，無腐蝕性質的雜質，進水水壓為0.3兆帕。但為防止因冷卻水故障導致變頻器退出運行，因此，一般建議，在變頻器室中裝設空調等降溫設備，作為極熱天氣下滿負荷運行時，室內溫度較高的輔助手段。

7 結束語

綜上所述，高壓變頻器改造，需要將前期的數據分析充分，并進行大量的調研和論證，綜合考慮采用變頻器對機組風量、爐膛壓力及電氣、熱工的影響。隨著高壓變頻技術的發(fā)展， 以及國家產業(yè)政策的支持，變頻器的應用領域不斷的擴大，變頻技術在電力行業(yè)重要輔機設備上的推廣，收到了顯著的經濟效益，也代表了今后更多行業(yè)節(jié)能技術的方向。

參考文獻

[1]高壓變頻調速系統(tǒng)DHVECTOL-HI系列技術手冊.四川：東方日立（成都）電控設備有限公司，2012.

[2]張燕賓.變頻調速應用實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[3]張淼，馮垛生.變頻器的應用與維護[M].廣東：華南理工大學出版社，2009.

[4]高寶桐，高振華，呂長海.600MW火電機組鍋爐引風機變頻器改造效果分析[J].變頻器世界，2009（03）：42-45.

[5]江承林.高壓變頻器在垃圾焚燒發(fā)電廠引風機節(jié)能中的應用[J].自動化博覽，2016（05）：80-84+87.

作者簡介

杜振海（1974-），男，四川省內江市人。工程師，四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限責任公司檢修部電氣專責工程師。

作者單位

四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限責任公司 四川省內江市 641005