高壓變頻器調(diào)速節(jié)能原理

1、引言

包頭稀土鋁業(yè)有限責(zé)任公司是一家大型現(xiàn)代化鋁電一體化工廠，一期工程于2003年10月28日投產(chǎn)。目前已形成88萬(wàn)噸/年產(chǎn)能，配套建設(shè)的熱電機(jī)組已經(jīng)陸續(xù)建成。包頭希鋁各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，是一個(gè)高起點(diǎn)、大容量、低污染的大型現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)。該項(xiàng)目被中國(guó)光彩事業(yè)促進(jìn)會(huì)列入全國(guó)光彩事業(yè)重點(diǎn)項(xiàng)目。公司鋁電和生物工程循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈，具有獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)力，被授予內(nèi)蒙古自治區(qū)級(jí)循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)。
包頭希望鋁業(yè)熱電廠總裝機(jī)容量1320MW，電廠一期4*155MW機(jī)組、二期2*350MW機(jī)組已全部并網(wǎng)發(fā)電。電廠現(xiàn)有2臺(tái)155MW凝汽式發(fā)電機(jī)機(jī)組運(yùn)行，隨著電網(wǎng)內(nèi)大機(jī)組的相繼投產(chǎn)，該廠的調(diào)峰任務(wù)越來(lái)越重，峰谷差日益增大，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行資料統(tǒng)計(jì)，155MW機(jī)組每日的負(fù)荷一般在73.6MW左右。系統(tǒng)處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備也要隨著負(fù)荷的變化作相應(yīng)的調(diào)整，必須通過(guò)關(guān)小擋板或閥門(mén)來(lái)調(diào)整風(fēng)量及流量。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出功率大量的能源消耗在擋板上，節(jié)流損失很大。異步電動(dòng)機(jī)在直接啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流一般達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定電流的5-7倍，啟動(dòng)電流過(guò)大將造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)，影響其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，同時(shí)電動(dòng)機(jī)自身繞組嚴(yán)重發(fā)熱，加速絕緣老化，縮短使用壽命。而高壓變頻器調(diào)速裝置可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)，通過(guò)調(diào)整頻率來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，滿足不同負(fù)載的工藝要求，是解決以上矛盾的有效手段。
2、高壓變頻器調(diào)速節(jié)能原理
2.1高壓變頻器工作原理
高壓變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。它是按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖寬度或幅度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)電壓和頻率的平滑變化。
根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由下式確定:
式中：n，f——分別為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，供電頻率； n，s——分別為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，轉(zhuǎn)差率。
由式(1)可知，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、電機(jī)的極對(duì)數(shù)有關(guān)，改變極對(duì)數(shù)的成為變極調(diào)速，此種調(diào)速屬于有極調(diào)速，調(diào)速不平滑，主要用于不需要頻繁變速的地方。改變電機(jī)轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方式有：調(diào)壓調(diào)速，電磁調(diào)速，繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，該種調(diào)速需要產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)差率，消耗轉(zhuǎn)差功率，屬于低效調(diào)速。而通過(guò)改變電機(jī)的輸入頻率的變頻調(diào)速，近似無(wú)級(jí)調(diào)速，是高效不耗能的調(diào)速方式，也是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方式。
2.2高壓變頻器節(jié)能原理
根據(jù)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)(或水泵)類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q、壓力(揚(yáng)程)H以及軸功率P具有如下關(guān)系：
Q，H——分別為風(fēng)量，風(fēng)壓； n、T——分別為轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩； P——軸功率。
由公式(2)、(3)、(4)可知，風(fēng)機(jī)(或水泵)的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，壓力(或揚(yáng)程)與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方降低，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的電機(jī)所需的電功率亦可相應(yīng)降低。因此調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速是風(fēng)機(jī)節(jié)能的重要途徑。

3．高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用情況
3.1高壓變頻器的組成
森蘭SBH系列高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，采用多個(gè)低壓變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出，屬于“高-高“電壓源型變頻器，該變頻器具有對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，滿足IEEE519-1992國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和GB/T14549-93國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輸入諧波的要求。輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、共模電壓等問(wèn)題，不必設(shè)置輸出濾波器，可直接拖動(dòng)普通的異步電機(jī)。

其原理框圖如圖1 所示： 電網(wǎng)輸入經(jīng)多副邊移相變壓器提供多套副邊輸出分別給功率單元供電，再由多個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相輸出的方式構(gòu)成三相輸出，主控系統(tǒng)通過(guò)控制每個(gè)功率單元的PWM輸出來(lái)控制變頻器輸出電壓的頻率和幅值，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。主控系統(tǒng)和單元之間通過(guò)光纖進(jìn)行通訊，既保證信號(hào)的可靠傳輸，同時(shí)保證主控制部分與高壓部分的絕緣隔離。

3.2高壓變頻系統(tǒng)配置方案

此次7套SBH高壓變頻器應(yīng)用于電廠一期4*155MW機(jī)組，負(fù)載為3臺(tái)凝結(jié)水泵，功率為200kw，4臺(tái)送風(fēng)機(jī)，功率為630kw。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，7套高壓變頻器的現(xiàn)場(chǎng)主回路均采用手動(dòng)一拖一的方案，如下圖：
1、QS1、QS2和QS3為3臺(tái)高壓隔離開(kāi)關(guān)，QF為用戶側(cè)高壓開(kāi)關(guān)。QS2、QS3之間存在機(jī)械連鎖。
2、刀閘開(kāi)關(guān)不能帶負(fù)荷分合閘操作。當(dāng)要對(duì)QS1、QS2、QS3進(jìn)行操作時(shí)，必須將上級(jí)開(kāi)關(guān)分?jǐn)嚅_(kāi)，才允許進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。
3、QS1、QS2閉合時(shí)，QS3斷開(kāi)時(shí)，QF閉合時(shí)，電機(jī)由變頻器控制調(diào)速運(yùn)行。QS1斷開(kāi)、QS2斷開(kāi)、QS3閉合時(shí)，電機(jī)可由QF直接啟停并進(jìn)行保護(hù)，變頻器可完全和電網(wǎng)脫離，便于維護(hù)與檢修。
3.3運(yùn)行情況及節(jié)能效益
7套高壓變頻器于2011年11月10日到11月29日完成安裝及所有現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試項(xiàng)目。11月30日所有設(shè)備正式投入生產(chǎn)，所有變頻器運(yùn)行良好，節(jié)能效果明顯。
通過(guò)記錄現(xiàn)場(chǎng)#5爐、#6爐各兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)變頻改造投運(yùn)后的耗電量，可以得出，相對(duì)于改造前#5爐、#6爐一周可節(jié)電量約為49272 kwh，同比節(jié)電率為20%，節(jié)電效果明顯。

下表為#5爐、#6爐風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能周對(duì)比數(shù)據(jù)

除去檢修時(shí)間，每年按300天計(jì)算，電費(fèi)單價(jià)為0.5元/kwh，則年節(jié)省電費(fèi)為：630*20%*300*24*0.5≈45萬(wàn)元。
4、總結(jié)
我國(guó)擁有為數(shù)眾多的小型電力企業(yè)和各行業(yè)大型企業(yè)的自備電廠，這些電廠多數(shù)為中、小型機(jī)組，數(shù)量多，單機(jī)容量小。不僅發(fā)電機(jī)組陳舊，其所屬的主要輔助設(shè)備也較落后，效率低，設(shè)備選型不當(dāng)，大馬拉小車。風(fēng)機(jī)水泵的流量壓力調(diào)節(jié)方式基本為進(jìn)出口閘門(mén)的調(diào)節(jié)，耗能大，經(jīng)濟(jì)效益差，設(shè)備損壞嚴(yán)重，采用高壓變頻技術(shù)對(duì)高能耗用電設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，不僅能直接收到降低廠用電、降低供電煤耗、增加上網(wǎng)電量帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行，減少設(shè)備故障等都起到了積極的作用。
森蘭SBH系列高壓變頻器可靠性高，輸入輸出波形質(zhì)量好，適合于電廠輔機(jī)的變頻調(diào)速，能提高電廠運(yùn)行和供電的可靠性，節(jié)約大量能源，為電廠帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。