PDF《高压变频技术在火力发电中的应用》

87 对接 Application of high voltage frequency conversion technology in thermal power 高压变频技术在火力发电中的应用 摘要:火力发电在国内发电产能中依然占有很大比重,然而在其生产过程中仍存在巨量的损耗与浪费;

文章概述国内发电形式并着重提出 了针对火力发电能源损耗的变频解决方案,还有单元级联型高压变频器的原理及应用.

1 前言 中国是人口大国,也一直都是能耗大国,据统计,2015 年中国年发电总量居世界第一位,共达

56184 太瓦时,其中 火力发电可达到产电总额的 70% 以上. 到了

21 世纪初期,尽管太阳能,核能越来越被社会推崇, 它们也确实具有清洁,高效,可持续等诸多优势,我国各项规 划也偏向于发展新能源发电,但鉴于具体国内丰富的煤矿资源 以及庞大人口带来的耗电需求,中国依然以火力发电为主流, 知道近几年,火电的占比才开始已一个不到 1% 的速度缓慢 下降. 所谓火力发电,一般指利用煤炭、石油和天然气等燃料 燃烧时产生的热能加热水,使水变成高温、高压水蒸气,然后 由水蒸气推动发电机进行发电.不过在这个看似简单的发电过 程中,存在着巨大的能源损耗,据统计:火电厂每年产电总额 中有近 10% 用于自身的消耗,这因此也成为了我们节约能耗 的重大突破口.

2 中国火力发电厂能耗分析 根据国家《电动机调速技术产业化途径与对策的研究》 报告显示,中国发电总量的 66% 以上最终应用在电动机上. 且截止至

2015 年电动机装机容量已超过

4 亿千瓦,其中高压 电机约占一半. 对于高压电机而言, 有70%左右的负载是风机、 泵类、压缩机.实际应用到火力发电厂主要有以下九种风机和 水泵:送风机、引风机、一次风机、排粉风机、脱硫系统增压 风机、锅炉给水泵、循环水泵、凝结水泵、灰浆泵.这些风机、 水泵设备在火力发电厂中种类繁多,应用广泛,功耗甚多,其 平均耗电量能占到发电厂用电总量的 45%. 但是对于应用于电厂中的风机、水泵负载而言,其运行 功率往往过剩,导致大量能源被白白浪费,降低了发电厂的产 能效率,究其原因,有如下几点:?? 2.1 运行方式技术落后 据调查,我国火力发电厂中除少量采用汽动给水泵、液 力耦合器及双速电机外,其它水泵和风机基本上都采用定速驱 动,阀门式挡板调节.在变负荷的情况下,采用调节泵出口阀 开度(风机则采用调节入口风门开度)的控制方式,达到调节 流量得目的,满足负荷变化的需要.然而当现场工艺只需求小 流量时,其泵或风机继续且只能以额定的功率,恒定的转速运 转,尤其是在机组低负荷运行时,其入口调节挡板开度很小, 引风机运行的电功率大部分将被风门节流而消耗掉,造成巨大 的能源损失和浪费. 2.2 运行实际效率低下 从实际运行效率上来说,在机组变负荷运行时,由于水 泵和风机的运行偏离高效点,偏离最优运行区,运行效率自然 不高.据调查显示,我国 50MW 以上机组锅炉风机运行效率 低于 70%的占一半以上, 低于 50%的占 20% 左右. 这是因为, 我国许多大中型水泵与风机是套用定型产品,没有按照需求对 应设计,导致选型是分档而设,间隔较大,一般只能使用近似 型号的产品, 进而造成风机、 水泵实际运行过程中运行效率低, 能耗高.此外,在设计选型时需要考虑裕量,因而往往要加大 保险系数,进一步降低了运行效率.

3 降低火电厂能耗方案分析 综合各方面因素,我们可以从以下

3 个方面减轻火电厂 能耗. 3.1 提高锅炉效率 现代火电厂的大容量锅炉效率一般在 90%-94%,其在 运行过程中存在一下能源浪费:排烟热损失,机械不完全燃烧 热损失,散热损失,灰渣热损失等. 对接

88 89 对接 对此,我可以采用设计煤种或接近设计煤种,保障锅炉的 燃烧效率,如果入炉煤质量很难达标,我们也可以通过掺杂的 方式尽可能节省煤耗;

此外,火力发电厂中锅炉排烟热损失是 各项损失中最大部分,影响该损失的主要是排烟氧量及排烟温 度,这两个指标有些许偏差都会降低锅炉效率,因而我们可以 使用更为精确的仪表, 测量反馈值, 提升控制精度进而节省煤耗. 3.2 降低汽轮机热损耗 随着科学技术的不断发展,新型融合高新技术的汽轮机 已经面世,而由于不同等级的汽轮机热损耗不同,国家现已鼓 励使用大容量、高参数、热电联产机组来降低能源损耗;

其次 也可以通过控制其运行方式,防止汽轮机辅助设备故障停机造 成热耗升高;

第三更改其运行参数,通过调整主蒸汽压力、主 蒸汽温度、再热蒸汽温度等系列参数,控制汽轮机在理想条件 下运行,也能起到降低热损耗的功用. 3.3 降低发电厂用电量 发电厂本身就是耗能大户, 各种高压大功率的风机、 水泵、 空压机负载需要的能量占电厂发电总量的 10% 左右,过去我 们这些负载都是接在电网侧工频满载运行,这样一刀切的运行 方式不光带来了巨大的能耗损失,同时也对电机,对负载造成 极大的损害,严重降低了使用寿命与安全可靠性.对此,我们 通过采用高压变频器的方式,通过改变其运行频率,控制其转 速最终控制其输出功率, 根据实际工艺的需求对应其运行状态, 进而达到节能的终极目标.

4 单元级联型高压变频器 高压变频器的原理:即通过整流逆变环节,将电网侧工 频电压转化为频率可调的电压,通过控制其输出频率来最终控 制电机的运行功率,达到节能目的. 而单元级联型高压变频器是现在国内市场应用范围最为 广泛的高压变频设备,采用电压叠加原理设计:每个功率单元 输出电压为 0-690v,如图

1 所示,这样每一相电压可以达到 3450v,线电压为 6kv. 如图

2 所示,配件方面,高压变频器采用顶尖且精准的 三芯合一(FPGA、DSP、ARM)三种芯片各司其职,保证 了其运行时的高效性能;

完备的输入输出电压电流检测系统更 是进一步保障了其工作状态的稳定与安全;

灵活的温控系统在 避免系统过热的同时也节约了能源的损耗,种种迹象显示:单 元级联型高压变频器业已成为一个成熟而重要的产业.

5 单元级联型高压变频器优势 以额定功率 2000kw 的一次风机为例:电机实际运行频 率在 35~45Hz 之间,取中间值 40Hz,则与工频 50Hz 相比, 其实际功耗为额定功耗的 0.512 左右(功率比为频率比的三 次方),电厂风机一年

365 天,每天

24 小时运行,则每年可 节约

8970240 千瓦时,根据国家规定电价,0.5 元/千瓦时, 可以为电厂节约

40 万的经济支出;

此外变频调节后,由于负 载电机不必长时间满载运行, 其机械损耗和电损耗也大大降低, 故而延长了电机的使用寿命,又进一步节约支出成本. 图1单元级联型高压变频器原理拓扑图 图2单元级联型高压变频器系统拓扑图 而发电厂现场的大功率高压风机、水泵众多,累计起来 节能成果十分可观. 除此之外, 国内外高压变频器高端厂家诸如德国西门子、 ABB、 利德华福、 苏州汇川, 其产品还具有众多其他应用优势 : 5.1 飞车启动功能 由于现场情况要求,电机不停止运行的情况下,变频器 将根据电机实际转速的反馈信号正常启动,避免耽误生产,或 因频繁启停增加电机损耗.如图

3 所示. 5.2 软启动 在高压场合如果直接将电机工频启动,会对电网侧造成 巨大冲击,对电机负载也会有巨大的损耗,而软启动的根本就 是保证电机在安全范围内的小电流条件下,顺利启动,保障高 压网测和电机双方的安全. 5.3 控制电源冗余设计 高压变频器采用双回路控制电源切换系统,即除用户提 供的控制电外,变频器的变压器二次侧也会提供低压控制电, 二者通过电气回路互锁,保障在用户控制电突然中断时系统正 常工作.此外,高压变频器还配有 UPS(不间断电源),确 保在突然断电时依然可以维持半小时的控制电输出,安全可靠 性更高.如图

4 所示. 5.4 输出谐波小稳定性高 高压变频器一般采用功率单元级联的方式,通过移相变 压器使得输出 30/48(对应每相 5/8 功率单元)脉波,输出 谐波最小可达 0.8%,均优于 GBT14549-93 及IEEE519-

1992 的要求,对电网也起到一定的保护效果.而且功率单元 具有旁路功能,当其中某一单元故障时,不影响变频器正常工 作, 只是输出电压稍有降低, 为现场的持续运行提供有力保障. 如图

5、6 所示.

6 结论 通过对火电厂能耗及单元级联型高压变频器的原理优势 分析:应用单元级联型高压变频器在火力发电厂的各类风机与 负载上,既满足火电厂对电源高纯度的需求,同时也可以根据 工况通过调频方法控制电机转速进而达到节能的最终目的.而 软启动、双路电源切换、飞车启动等高新技术也确实对火电厂 的稳定工作提供有力的保障. 图4双路电源电路分析图 图3飞车启动分析图 图5典型

6 脉波输出电压电流波形图 图6单元级联法输出电压电流波形图 ........