摘要：据统计我国火电厂平均发电煤耗396 g/(kWh)，比发达国家高出60～80 g/(kWh)，其中一个主要原因就是国内火电厂的厂用电率明显偏高，主要厂用辅机运行效率低下，使厂用电率长期徘徊在7.5%左右……
关键词：变频器 火电厂 辅机传动系统
0 前言
据统计我国火电厂平均发电煤耗396 g/(kWh)，比发达国家高出60～80 g/(kWh)，其中一个主要原因就是国内火电厂的厂用电率明显偏高，主要厂用辅机运行效率低下，使厂用电率长期徘徊在7.5%左右。由于以下原因，近年来火电厂的厂用电率还有上升的趋势： ①随着锅炉设备的改进与完善和电厂管理水平的提高，漏风、漏水率明显降低，使风机、水泵出现了明显的功率裕量过大问题，使原有的“大马拉小车”现象更为突出。②随着装机容量的增加，有些电网供电容量出现富裕，部分机组长期处于低负荷运行状态，进一步恶化了电厂辅机的运行经济性。③由于电网负荷结构的变化，负荷的峰谷差拉大，大型火电机组也要参与调峰和深调峰运行，将来甚至可能两班制运行，原有的辅机流量调节方式不能完全适应调峰要求，也会出现电能浪费和调节特性变差的情况。
因此，为了抑制日益增长的厂用电率，提高火电厂经济效益，有相当多的电厂不惜投巨资，采用新兴的变频调速技术对主要辅机传动系统进行更新改造。近二年中压变频器基本上取代了其他变速驱动方式(例如液力耦合器、双速电机和串级调速驱动等)成为电厂辅机传动系统节能改造的主要技术措施之一。
1 火电厂大中型辅机变频器的应用现状
目前，国内火电厂主要辅机传动系统变频器应用推广情况如表1所示。
由表1不难看出：
(1) 火电厂所采用的变频调速传动系统几乎包括了目前所有的设备配置方案，即高压方案、中压方案、高低高方案和低压方案。各种方案的设备配置情况如表2所示。其中采用保留原有6 kV电动机的高压方案使用最多，约占总台数的85%(74台)及总容量的93%(89 650 kW)；而采用中压方案和低压方案的寥寥无几，总共只有9台4 780 kW。
表1 目前火电厂辅机传动系统变频器使用情况统计表
| 序号 | 变频器生产厂家及型式 | 安 装 总台数 |
总装机 容量/MW |
应 用 电 厂 | 使用的传动系统 | 传动电动机的容量范围/kW | 电动机电压/kV | |
| 1 | 美国罗宾康公司 Harmong Perfect系列 |
30 | 34.54 | 大庆新华电厂等11个电厂 | 送、引风机24台灰浆泵5台，给水泵1台 | 560～2 300 | 6 | |
| 2 | 德国西 门子公司 |
Simcvert-MV | 20 | 24.86 | 首钢热电厂等10个电厂 | 送引风机 | 630～2 500 | 6 |
| 3 | Simmmovert-A (高-低-高) |
4 | 2.2 | 锦州电厂等3个电厂 | 500～570 | 6 | ||
| 4 | 德国西 门子公司 |
Simovevt-P (高-低-中) (高-低-低) |
9 | 4.78 | 山东龙口电厂等4个电厂 | 320～1000 | 0.38 0.66 | |
| 5 | 美国罗克威尔A-B公司 | Bulletin1557 | 4 | 4.8 | 河南鹤壁电厂等2个电厂 | 送引风机各2台 | 800～1600 | 6 |
| 6 | PowerFlex-7000 | 12 | 14.27 | 河北沙岭子电厂等5个电厂 | 送引风机11台灰奖泵1台 | 31.5～1800 | 6 | |
| 7 | ABB公司ACS 1000 | 3 | 7.5 | 上海宝钢电厂 | 引风机 | 2500 | 6 | |
| 8 | 北京利德华福 Harsvert-A |
4 | 3.2 | 四川华莹山电厂 | 送引风机 | 800 | 6 | |
| 9 | 北京先行 HVF | 1 | 0.25 | 北京国华三河电厂 | 水泵 | 2.50 | 6 | |
| 10 | 合 计 | 87 | 96.4 | 31个电厂 | ||||
表2 各种方案的设备配置情况表
| 设备配置 方 案 名 |
进线变压器 | 变 频 器 | 出线降压变压器 | 电 动 机 |
| 高压方案 | 6 kV/6 kV变压器 | 6 kV变频器 | 无 | 6 kV电动机 |
| 中压方案 | 6 kV/4.16 kV变压器 6 kV/3 kV变压器 6 kV/2.3 kV变压器 |
4.16 kV变频器 3 kV变频器 2.3 kV变频器 |
无 无 无 |
4.16 kV变频器 3 kV变频器 2.3 kV电动机 |
| 高低高方案 | 6 kV/380 V或600 V | 380 V或660 V变频器 | (380 V或660 V)/6 kV变压器 | 6 kV电动机 |
| 低压方案 | 6 kV/660 V变压器 | 660 V变频器 | 无 | 660V电动机 |
| 6 kV/380 V变压器 | 380 V变频器 | 无 | 380 V电动机 |
(2) 到目前为止，火电厂辅机传动系统中已使用或正在安装的变频器总台数约为87台，总功率达96 400 kW，其中功率在1 000 kW及以下者约48台，功率在1 000～2 000 kW者约39台，功率在2 100～2 500 kW者约6台。
2 变频器在电厂辅机节能改造应用中的经济性评价
现仅引用一实例进行如下计算分析：
某电厂一台125 MW调峰机组，备有2台以简易导流器调节的Y4-73NO.28D离心式引风机，其额定参数为：转速n=960 r/min，风量qvos=380 000 m3/h，全压pcos=3 973 Pa，效率η1＝85.5％，轴功率P=480 kW。配套电动机为JSQ-158-6型，额定功率700 kW，电压Un=6 kV，电流In=83 A， cosφ＝0.87，效率ηdn=93.5%。机组的厂用电率高达9.74%，为降低厂用电率拟改造其调节方式，以变速调节取代原有的导流器调节。拟采用的变速方案有2个：变频调速和液力调速离合器调速。拟通过技术经济比较择优选用。电厂提供的计算条件是：①机组在满负荷运行时引风机实际风量仅为额定风量90%；②管路阻力曲线经过引风机的额定工况点；③机组负荷模式如表3所示；④改造后的剩余使用寿命按10年计，年利率i=6%，上网电价按0.2元/(kWh)计。
表3 机组负荷模式
|
机组负荷率/% |
100 |
90 |
80 |
70 |
60 |
|
年运行小时数/h |
1000 |
2000 |
500 |
500 |
3000 |
按上述数据，作如下计算。
2.1 原有调节方式下引风机耗电量
由产品查得Y4-73型引风机的无因次特性曲线，并在其上画出管路的阻力曲线。该曲线是过坐标原点和额定工况点的二次抛物线，其表达式为
(1)
式中，为管道系统无因次全压；为引风机的流量系数；为引风机额定全压系数和额定流量系数，由特性曲线可查得在导流器全开时，引风机的无因次特性参数为；为引风机的功率系数。利用这些特性参数，可计算得到原有调节方式下引风机的耗电量，计算采用常规方法［1］，计算步骤和结果如表4所示。
表4 采用导流器调节时引风机的耗电量计算
| 计算 序号 |
主机负荷率/% | 100 | 90 | 80 | 70 | 60 |
| 1 | 流量qv/m3·h-1 | 342 000 | 307 800 | 273 600 | 239 400 | 205 200 |
| 2 | 流量系数 | 0.18 | 0.162 | 0.144 | 0.126 | 0.108 |
| 3 | 功率系数(由查特性曲线) | 0.084 | 0.075 | 0.068 | 0.062 | 0.056 |
| 4 | 轴功率 | 415.67 | 371.1 | 336.49 | 306.8 | 277.1 |
| 5 | 电源功率PB=P/ηd/kW | 455.3 | 409.6 | 373.88 | 343 | 312.75 |
| 6 | 年耗电量=PB×年运行小时数/kWh | 455 300 | 819 200 | 186 940 | 171 780 | 938 250 |
| 7 | 年总耗电量 | 2 571 470 | ||||
注：表中ηd为电动机效率，由电动机效率曲线查得。
2.2 改用变频器调速时，引风机耗电量和节电率计算
改用变频器调速时管路的阻力曲线不变，各运行工况点必位于管路阻力曲线上，故可利用管路的阻力曲线方程由已知风量qv按下式计算相应的引风机全压p
(2)
变频调速时引风机效率ηf基本不变，则可用下式计算轴功率
P=pqv/1000ηf (3)
由上述公式计算得，在变频调节方式下引风机的耗电量和节电率如表5所示。
表5 采用变频器调速时引风机的耗电量和节电率计算
|
计算序号 |
主机负荷率/% |
100 |
90 |
80 |
70 |
60 |
|
1 |
风机风量qv/m3·s-1 |
95.0 |
85.5 |
76.0 |
66.5 |
57.0 |
|
2 |
全压 |
3 215.4 |
2 602.4 |
2 056.3 |
1 574.3 |
1 156.6 |
|
3 |
引风机内效率ηi/% |
85.5 |
85.5 |
85.5 |
85.5 |
85.5 |
|
4 |
引风机全效率ηf/% |
83.5 |
83.5 |
83.0 |
82.5 |
82.5 |
|
5 |
引风机轴功率P=pqv/1000ηf/kW |
365.8 |
266.5 |
188.3 |
126.9 |
79.9 |
|
6 |
电动机负载率β |
0.523 |
0.381 |
0.269 |
0.18 |
0.114 |
|
7 |
电动机效率ηd/% |
90.5 |
88.2 |
84.7 |
78.7 |
68.2 |
|
8 |
变频器ηv/% |
97 |
96 |
94 |
92 |
91 |
|
9 |
电源输出功率PB=P/ηd·ηv/kW |
416.7 |
314.7 |
236.5 |
175.3 |
128.7 |
|
10 |
年耗电量=PB·年运行小时数/kWh |
416700 |
629 400 |
118 250 |
87 650 |
386 100 |
|
11 |
年总耗电量/kWh |
1 638 100 | ||||
|
12 |
变频调速方式节电率=(2 571 470-1 638 100)/2 571 470=0.363=36.3% | |||||
2.3 改用液力调速离合器时引用机的耗电量和节电率计算
采用液力调速离合器时，仍属于调速调节方式，故引风机的风量qv，全压p，引风机的效率ηf和轴功率P都与变频调速毫无差别，不同之处仅在于需考虑液力调速离合器的传动效率。其值与引风机转速成正比，即ηv=n/no=qv/qv，os… (4)
应用式(3-4)计算得到采用液力调速离合器时，引风机的耗电量和节电率如表6所示。
2.4 三种调节方式经济性分析比较
拟采用的二种改进方案的初投资如表7所示。
表6 采用液力调速离合调速时引风机的耗电量
| 计算序号 | 主机负荷率/% | 100 | 90 | 80 | 70 | 60 |
| 1 | 引风机轴功率P(取自表5) | 365.8 | 266.5 | 188.3 | 126.9 | 79.9 |
| 2 | 液力调速离合器效率ηv=n/no=qv/qv，os | 0.9 | 0.81 | 0.72 | 0.63 | 0.54 |
| 3 | 电动机输出功率Pd=p/η/kW | 406.4 | 329.0 | 261.5 | 201.4 | 148.0 |
| 4 | 电动机效率ηd | 0.91 | 0.90 | 0.88 | 0.86 | 0.81 |
| 5 | 电源输出功率PB=pd/η | 446.6 | 365.6 | 297.2 | 234.2 | 182.7 |
| 6 | 年耗电量=PB×年运行小时数/kWh | 446 600 | 731 200 | 148 600 | 117 100 | 548 100 |
| 7 | 年总耗电量/kWh | 1991600 | ||||
| 8 | 节电率=(2 571 470-1 991 600)/2571 470=0.226=22.6% | |||||
表7 二种改造方案的初投资
|
变 频 调 速 方 案 |
液力调速率合器方案 | ||||
|
干式变压器 |
变频器、控制屏 |
电 动 机 |
合计 | ||
|
调节装置费用/万元 |
18 |
52.5 |
15.5 |
86 |
11.25 |
|
安装工程费用/万元 |
10 |
3 | |||
|
初投资总计/万元 |
96 |
14.25 | |||
下面用静态差额回收期法和动态总费用现值法比较三种调节方式的经济性。静态差额回收期法被定义为二种调节方案投资差额与年运行成本节约额之比，即
Pa=(I2-I1)/(C1-C2) (5)
式中，Pa为回收期，a；I2-I1为方案2与方案1的投资差额，万元；C1-C2为方案1与方案2的运行费用差额，万元。
总费用现值法是指将设备的总投资和设备有效使用期的运用费用按资金的时间价值规律拆算到有效使用期第一年的总费用PV。当多个方案比较时，总费用现值PV最小者为最优方案，即
PV=I+Cf (6)
f=［(1+i)t-1］/［i(1+i)t］ (7)
式中，I为设备总投资现值，万元；C为年运行费用，万元；f为现值系数；i为贷款年利率，i=6%;t为有效使用年限，t=10年。
根据式(5)和式(6)、式(7)对三种调节方式经济性进行了比较计算，计算结果如表8所示。
表8 三种调节方式的投资回收期和总费用现值比较
| 调节方式 | 投资现值I/万元 | 年耗电量/kW·h | 年耗电费C/万元 | 改进后年节约电费/万元 | 回收期/a | 现值系数f | 电费现值/万元 | 总现值PV/万元 |
| 入口简易导流器 | 0 | 2 571 470 | 5143 | 0 | 0 | 736 | 378.5 | 378.5 |
| 液力调速离合器 | 14.25 | 1 991 600 | 39.83 | 11.6 | 1.23 | 7.36 | 293.2 | 307.4 |
| 变频调速 | 96 | 1 638 100 | 3776 | 1867 | 514 | 736 | 24.1 | 337.1 |
由上述计算结果不难看出：尽管变频调速方案节电率高达36.3%，比液力调速离合器方案高出13.7个百分点，年节电电费高达18.67万元，也比液力调速离合器方案高出7.07万元，节电效果可谓显著。但其总费用现值却比液力调速离合器方案高29.7万元，投资回收期也比液力调速离合器方案高出3.91年，变频调速方案的经济性明显地差于液力调速离合器方案。若要使变频调速方案的总费用现值与液力调速离合器方案的总费用现值相当，变频调速装置的初投资额应降到66.3万元以下，降幅约为31%。
3 结论
(1) 对于调峰或低负荷运行的火电机组而言，以变频调速取代传统的入口简易导流器调节或液力变速机械调节都有明显的节电效果。同时变频调速在消除电动机启动冲击和提高自动装置投入率诸方面也有独到之处。推广使用这项技术，对降低居高不下的厂用电率，提高电厂经济效益和机组运行可靠性方面必将发挥重要作用。
(2) 据本文的调研统计，近几年我国火电厂在推广应用变频调速方面取得了长足进展。但在方案经济性对比计算中，多次发现变频调速方案在目前给定条件下并不占优势，其主要原因是：①变频器特别是中、高压变频器初投资过高；②电厂电价只能按成本电价或上网电价计算，电价相对较低。
降低变频调速方案的初投资是变频器在火电厂节能改造中推广应用的重要条件之一，也是有可能的，作者将另文作进一步的阐述。
(3) 在火电厂辅机传动系统的节能改造中，预先对改进方案进行节电效果和经济性评价二方面的估算是十分必要的，通过估算不仅可以对各种调节方案作到心中有数，而且可以发现不同方案存在的问题。
4 参考文献
［1］ 吴强民.泵与风机节能技术问答.北京：中国电力出版社，1998.
［2］ 李遵基等.中压变频器在火电厂送风机控制中的应用.中国电力，2000，33(6).
［3］ 王贺岑等.风机变频改造节能技术在火电厂的应用研究.中国电力，2002，35(6).
［4］ 周德贤等.变频调速应用实例分析，变频器世界，2002，6(2).
［5］ 马小亮.大中功率节能调速传动的合理电压等级.第七届中国电子与传动控制学术会议集，2001.
［6］ 徐 璟等，用于风机的变频调速异步电动机高效运行方法.清华大学学报(自然科学版)，2002，42(3).