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高壓變頻調(diào)速與電廠節(jié)能
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1、引言
根據(jù)我國的電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),高壓變頻主要指3kV、6kV、10kV這幾個(gè)電壓等級(jí)的變頻器,國內(nèi)電廠的廠用電電壓一般為6kV、10kV,功率較大(一般指超過200kW)的電動(dòng)機(jī)基本上都采用高壓電動(dòng)機(jī),這些電動(dòng)機(jī)的能耗是電廠用電的主要部分,高壓變頻指的就是這些電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。
2、電力生產(chǎn)的特殊性
電力作為一種產(chǎn)品,與其它產(chǎn)品相比較具有它自身的特殊性。一般來說普通產(chǎn)品的生產(chǎn)與銷售使用是相對(duì)獨(dú)立的,產(chǎn)品可以在倉庫中存儲(chǔ)、周轉(zhuǎn),可以預(yù)先生產(chǎn)好備用。電力這種產(chǎn)品的生產(chǎn)與消費(fèi)是同時(shí)完成的,電力幾乎不能存儲(chǔ),因此電力生產(chǎn)必須是連續(xù)的;電力生產(chǎn)的多少是根據(jù)用戶的使用情況決定的,因此電力生產(chǎn)的負(fù)荷是變化的。電力產(chǎn)品的這種特點(diǎn)決定了電力生產(chǎn)系統(tǒng)中各種設(shè)備的配置就需要根據(jù)最大生產(chǎn)能力來進(jìn)行配置,而不能根據(jù)平均的電力需求配置系統(tǒng)。在電廠中,電力生產(chǎn)的最大生產(chǎn)能力是根據(jù)主機(jī)(鍋爐、汽機(jī)和發(fā)電機(jī))的出力決定的,輔機(jī)(各種風(fēng)機(jī)、泵及其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電氣控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)等)的配置是根據(jù)主機(jī)的情況配置的,一般情況下,在設(shè)計(jì)過程中均考慮一定的余量,因此造成在實(shí)際的運(yùn)行過程中,多數(shù)風(fēng)機(jī)和泵的流量需要的調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)方式是節(jié)流調(diào)節(jié)(擋板、閥門等),存在反應(yīng)慢、調(diào)節(jié)精度低、能耗大等問題,而高壓變頻因其調(diào)節(jié)性能優(yōu)良、節(jié)能效果好等因素,正逐漸被廣泛應(yīng)用在電廠中風(fēng)機(jī)、水泵等的流量調(diào)節(jié)中。
3、變頻節(jié)能在電力生產(chǎn)中的綜合效果
根據(jù)流體力學(xué)原理,風(fēng)機(jī)或泵類設(shè)備的輸出流量與其轉(zhuǎn)速成正比,輸出壓力與其轉(zhuǎn)速的平方成正比,其消耗的功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比。采用變頻調(diào)速改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而改變風(fēng)機(jī)或泵的轉(zhuǎn)速,以此來調(diào)節(jié)流量。在這種調(diào)節(jié)方式下,可以將節(jié)流調(diào)節(jié)的閥門或檔板等開度調(diào)至最大,減小管道系統(tǒng)的阻力,節(jié)約因克服調(diào)節(jié)阻力而引起的能耗。同時(shí),采用變頻調(diào)節(jié)后,管道系統(tǒng)的阻力能保持在使風(fēng)機(jī)或泵工作的高效率點(diǎn),減少因風(fēng)機(jī)或泵的效率降低而造成的能耗損失。
從節(jié)能的效果來看,對(duì)節(jié)流調(diào)節(jié)的變頻改造,產(chǎn)生的節(jié)能效果并非僅僅是當(dāng)前所改造的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能效果,而是并行工作的多臺(tái)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能效果。如果兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行,一臺(tái)運(yùn)行風(fēng)量不足,兩臺(tái)運(yùn)行時(shí)則需要進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié),往往是兩臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)都進(jìn)行風(fēng)門調(diào)節(jié),對(duì)其中一臺(tái)進(jìn)行變頻改造后,則兩臺(tái)風(fēng)機(jī)都可以運(yùn)行在風(fēng)門全開的狀態(tài)下,這樣產(chǎn)生的節(jié)能效果即為節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)兩臺(tái)風(fēng)門的能耗。
電廠的節(jié)能,更重要的是體現(xiàn)在系統(tǒng)效率的提高。在沒有進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)時(shí),電廠的循環(huán)水泵一般采用多極電機(jī),根據(jù)季節(jié)調(diào)整電機(jī)接線,改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)循環(huán)水流量,或者是根據(jù)季節(jié)調(diào)整并聯(lián)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)和泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)來調(diào)節(jié)循環(huán)水流量,這種調(diào)節(jié)操作簡單,但調(diào)節(jié)精度低。采用變頻調(diào)節(jié)時(shí),如果根據(jù)循環(huán)水的實(shí)時(shí)出水溫度調(diào)節(jié)循環(huán)水流量,將凝汽器的過冷度調(diào)節(jié)在一個(gè)最優(yōu)的范圍內(nèi),提高鍋爐運(yùn)行的整體效率,這樣節(jié)能效果更加突出。要利用變頻調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)精度高,操作方便的特點(diǎn),優(yōu)化控制系統(tǒng),提高系統(tǒng)效率。
4、電力生產(chǎn)對(duì)高壓變頻的要求
由于電力生產(chǎn)的特殊性,電力生產(chǎn)對(duì)應(yīng)用高壓變頻有很高的要求。
首先要求高壓變頻具有很高的可靠性,主要包含幾方面的內(nèi)容:
?。?)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的適應(yīng)能力,即能夠在較大的電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍內(nèi)正常工作,這個(gè)范圍一般是-20%~+10%;
?。?)電網(wǎng)重合閘后繼續(xù)運(yùn)行的能力,即在電網(wǎng)瞬時(shí)失電,恢復(fù)供電后變頻器不能停止運(yùn)行,要能夠記憶并快速恢復(fù)至失電前的運(yùn)行狀態(tài);
(3)具備冗余設(shè)計(jì),即允許變頻裝置局部故障,不影響其它部分的運(yùn)行,能夠在局部故障的狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)行;
?。?)能夠在線維護(hù),即在變頻裝置連續(xù)運(yùn)行的情況下排除局部故障;
?。?)諧波小,這包括變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響即輸入電流諧波和變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響即輸出的電壓、電流諧波;
(6)其次要求高壓變頻使用方便:
尺寸較小,可靠墻安裝,對(duì)安裝場(chǎng)地的要求低;
高壓電纜安裝方便,控制接口齊全,易于實(shí)現(xiàn)集散控制;
維護(hù)簡單,使用壽命長。
?。?)在滿足上述要求的前提下,還要求高壓變頻裝置具有高的性能價(jià)格比。
5、電力生產(chǎn)中變頻節(jié)能的各個(gè)環(huán)節(jié)及節(jié)能效果
電力生產(chǎn)的設(shè)備中可以進(jìn)行變頻改造的設(shè)備是很多的,例如1臺(tái)300MW火力發(fā)電機(jī)組一般配置引風(fēng)機(jī)2臺(tái),單臺(tái)功率2500kW;送風(fēng)機(jī)2臺(tái),單臺(tái)功率1600kW;排粉風(fēng)機(jī)4臺(tái),單臺(tái)功率850kW;再循環(huán)風(fēng)機(jī)2臺(tái),單臺(tái)功率475kW;鍋爐給水泵2臺(tái),單臺(tái)功率5600kW;循環(huán)水泵3臺(tái),單臺(tái)功率1100kW;凝結(jié)水泵2臺(tái),單臺(tái)功率1000kW等。這些風(fēng)機(jī)水泵都需要根據(jù)運(yùn)行的負(fù)荷情況進(jìn)行流量調(diào)節(jié),因此都有節(jié)能的空間,只是不同的情況下節(jié)能的效果有差異而已。
一般來說,對(duì)節(jié)流調(diào)節(jié)方式進(jìn)行變頻改造,風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果比泵的節(jié)能效果好,這主要是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)基本上是無靜壓系統(tǒng),流量基本上和轉(zhuǎn)速成比例,因此功率就是和流量的三次方成比例這種關(guān)系;泵類系統(tǒng)靜壓較高,不適用流量和轉(zhuǎn)速成比例的原則,在低轉(zhuǎn)速的情況下,流量為零,功率的計(jì)算應(yīng)為流量乘以壓力,而不能使用功率和流量的三次方成比例的關(guān)系。
根據(jù)高壓變頻再國內(nèi)的使用情況來看,進(jìn)行凝結(jié)水泵高壓變頻改造的情況最多,這主要是因?yàn)槟Y(jié)水泵的運(yùn)行可靠性要求較低,短時(shí)停止運(yùn)行不會(huì)影響整個(gè)機(jī)組的正常運(yùn)行,同時(shí)凝結(jié)水泵一般為一開一備,即使變頻故障需要停機(jī)維修也不會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行造成大的影響。從節(jié)能的角度講,因?yàn)槟Y(jié)水隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化較大,因此從節(jié)流調(diào)節(jié)改為變頻調(diào)節(jié),節(jié)能效果比較明顯,從實(shí)際使用的效果來看,節(jié)電率甚至可達(dá)50%。其次引風(fēng)機(jī)的變頻改造較多,節(jié)能效果也很明顯,一般節(jié)電率為30~50%。送風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、灰漿泵的變頻改造也較多,給水泵的高壓變頻改造很少,幾乎沒有,這可能是因?yàn)榻o水泵功率大、可靠性要求極高,節(jié)能效果不太明顯幾方面的原因。
6、高壓變頻應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題
高壓變頻器選用一般可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定功率或額定電流來配置相應(yīng)的變頻裝置。在選用變頻器時(shí)根據(jù)估算的使用功率來選配變頻器是不合適的。這是因?yàn)椴捎米冾l器以后所消耗的電功率是在轉(zhuǎn)速降低的情況下得出的,根據(jù)變頻器設(shè)計(jì)的原則,為了維持氣隙磁通量基本不變,應(yīng)使定子端電壓和頻率成比例地調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)速(即頻率)降低的情況下,變頻器地輸出電壓也相應(yīng)地降低,定子電流變化較小。按照使用功率選用的變頻器額定電流是在50Hz、額定電壓時(shí)的功率,其額定電流較小。這樣選用的變頻器在實(shí)際使用過程中容易出現(xiàn)過電流故障,因此不建議這種選配方法。
高壓變頻器選用的功率元器件都是半導(dǎo)體器件,使用時(shí)的溫度限制很嚴(yán)格,過溫的情況下很容易損壞元器件,因此使用環(huán)境要求充分考慮通風(fēng)和降溫措施,采用室外循環(huán)通風(fēng)時(shí)尤其要考慮進(jìn)風(fēng)通道的設(shè)計(jì)。在使用過程中,維護(hù)好通風(fēng)和降溫設(shè)備是保證變頻器正常工作的一項(xiàng)重要工作。
7、高壓變頻技術(shù)現(xiàn)狀
高壓變頻技術(shù)的主要方式有直接元器件串聯(lián)方式、三點(diǎn)平方式和單元串聯(lián)多電平方式等電路拓?fù)湫褪?。單元串?lián)多電平方式的高壓變頻技術(shù)因其諸多特點(diǎn)而在國內(nèi)得到快速發(fā)展并得到用戶的普遍認(rèn)可。當(dāng)前國內(nèi)的單元串聯(lián)多電平高壓變頻技術(shù)從控制方式的實(shí)現(xiàn)形式上來說主要有兩種:采用智能化單元的多處理器方式和集中控制的單處理器方式。
?。?)多處理器方式的變頻器
每個(gè)功率單元均為智能化單元,單元擁有自己的處理器,實(shí)現(xiàn)單元中的逆變控制、單元中各種狀態(tài)量的檢測(cè)和保護(hù)、接收外部指令和輸出狀態(tài)等任務(wù)。主控制器中的處理器主要完成和用戶的人機(jī)接口以及協(xié)調(diào)所有功率單元的一致工作。整套裝置為多處理器共同工作,功能模塊化,容錯(cuò)能力強(qiáng),技術(shù)先進(jìn),可靠性高。
?。?)單處理器方式的變頻器
此種變頻器中主控制器實(shí)現(xiàn)并協(xié)調(diào)所有單元的逆變工作,完成與其它系統(tǒng)的接口,工作量大,對(duì)單元來說僅僅作為主控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu),容錯(cuò)能力差,單元的測(cè)量和保護(hù)動(dòng)作較慢。
這兩種方式的高壓變頻技術(shù)在國內(nèi)均有廠家推出產(chǎn)品,應(yīng)用的情況也不錯(cuò)。采用智能化單元的廠家實(shí)現(xiàn)了單元的主動(dòng)投切和單元在線更換功能,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)連續(xù)可靠運(yùn)行的能力。
8、結(jié)束語
高壓變頻經(jīng)過十多年的發(fā)展,技術(shù)已經(jīng)成熟,尤其是單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻裝置,具備冗余功能,單元模塊化設(shè)計(jì),單元內(nèi)變頻技術(shù)和功率元件成熟,輸入輸出諧波小等優(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)迅速發(fā)展,有些供應(yīng)商甚至可以供應(yīng)具備單元在線更換功能的產(chǎn)品,可靠性有了很大地提高。我國能源緊張,單位GDP能耗高,電力生產(chǎn)和使用負(fù)荷變化較大,電廠中風(fēng)機(jī)和水泵地節(jié)能空間很大,采用高壓變頻調(diào)節(jié)取代傳統(tǒng)地節(jié)流調(diào)節(jié),節(jié)能降耗大有可為。
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