摘要

   電力是當(dāng)今社會(huì)最重要的能源，我過(guò)目前的裝機(jī)容量和發(fā)電容量均是世界第一的；我國(guó)已有火電、水電、核電等在內(nèi)的多種發(fā)電方式。但是清潔能源在我國(guó)電力結(jié)構(gòu)當(dāng)中占比不是很高，火力發(fā)電仍然是我國(guó)最重要的發(fā)電方式，火力發(fā)電大約占總發(fā)電量的70%左右；一段時(shí)期內(nèi)，火力發(fā)電在我國(guó)電力生產(chǎn)中仍占主導(dǎo)地位。火力發(fā)電廠自身也是用電大戶，因此發(fā)電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。而直接影響發(fā)電廠用電率的，是風(fēng)機(jī)、泵類等大容量輔機(jī)的運(yùn)行特性，因此本文就電廠的各種電氣產(chǎn)品為研究目標(biāo)，力求得出最節(jié)能的解決方案，降低發(fā)電廠自身的能耗比。

1、前言

   廠用電率是電廠主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一，我國(guó)電力行業(yè)一般認(rèn)為是發(fā)電廠電力生產(chǎn)過(guò)程中所必需的自用電量占發(fā)電量的百分比。目前我國(guó)火電廠機(jī)組容量約50%在300MW以下，這些中小機(jī)組的廠用電率長(zhǎng)期維持在8%左右，直接造成資源浪費(fèi)。但是經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，以及新型電氣設(shè)備的使用，可以大大降低廠用電率，下文將結(jié)合具體的設(shè)備分析。

2、廠用電分析

   火電廠的廠用電率有三種分類：綜合廠用電率，發(fā)電廠用電率和輔助廠用電率。其中，綜合廠用電率是后兩者之和。發(fā)電廠用電率是火電廠在發(fā)電過(guò)程中的自用電量占發(fā)電量的百分比，是廠用電消耗水平的具體反應(yīng)。主要由鍋爐的吸風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、制粉系統(tǒng)、一次風(fēng)機(jī)，汽輪機(jī)的電動(dòng)給水泵、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵以及除灰系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、水源系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)等用電量組成，約占綜合廠用電量的90%左右。輔助廠用電率是指火電廠生產(chǎn)過(guò)程中配電設(shè)備的損耗及生產(chǎn)辦公、設(shè)備檢修所消耗的電量占發(fā)電量的百分比。這部分電量消耗相對(duì)穩(wěn)定，約占綜合廠用電量的10%左右。發(fā)電廠用電率含量較大，是火力發(fā)電廠的主要經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)，它表征著機(jī)組是否運(yùn)行在最佳工況。我國(guó)常說(shuō)的廠用電率是指發(fā)電廠用電率。

   廠用電的構(gòu)成中，圍繞發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，有一整套的電氣系統(tǒng)，這整套的系統(tǒng)很復(fù)雜，所用電機(jī)也多，因此廠用電也主要消耗于此，主要包括高壓電機(jī)和低壓電機(jī)兩部分。其中的風(fēng)機(jī)、水泵等大型主要輔助設(shè)備所用的高壓大功率電機(jī)的用電量約占廠用電率的65%，是火電廠的主要耗能設(shè)備。所以，要降低廠用電率，主要應(yīng)從這些設(shè)備的節(jié)能降耗入手。

圖1.廠用電氣系統(tǒng)常見(jiàn)高低壓輔機(jī)

3、調(diào)速原因

   由電力拖動(dòng)原理可知，風(fēng)機(jī)和水泵類負(fù)載屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載:即電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)速的平方成正比[即]。按照流體機(jī)械的相似規(guī)律，當(dāng)風(fēng)機(jī)的靜壓等于零或水泵的靜揚(yáng)程等于零時(shí)，風(fēng)機(jī)與水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，其出口壓強(qiáng)與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而電動(dòng)機(jī)軸功率則與轉(zhuǎn)速的立方成正比:

   如果流量下降到額定流量的80%，電動(dòng)機(jī)軸功率將下降到額定值的51.2%;如果流量下降到額定流量的60%，則軸功率將下降到額定值的21.6%。即使考慮到調(diào)速裝置本身的損耗等因素，其節(jié)電效果也是十分可觀的?？梢?jiàn)風(fēng)機(jī)、水泵采用調(diào)速驅(qū)動(dòng)是一種非常有效的節(jié)能方式，因?yàn)榇蠖鄶?shù)風(fēng)機(jī)和水泵都需要根據(jù)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)流量，對(duì)于調(diào)峰機(jī)組則尤其如此。為這類機(jī)組配套的各類風(fēng)機(jī)、水泵均應(yīng)采用調(diào)速驅(qū)動(dòng)，以獲得最佳節(jié)能效果。經(jīng)試驗(yàn)證明，對(duì)于風(fēng)機(jī)和水泵類負(fù)載，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可以節(jié)電20%~50%。因此可以看出采用高壓變頻器能夠達(dá)到非常良好的節(jié)能效果。

4、高壓變頻器

   由于以前高壓變頻器的功率有限，而且價(jià)格昂貴，大多以國(guó)外品牌為主，售后沒(méi)有保障，但是高壓調(diào)速使用的地方恰好又是關(guān)鍵的工藝點(diǎn)，所有在很多大功率場(chǎng)合都采用液力耦合器調(diào)速這種機(jī)械調(diào)速方式，給高壓變頻器的普及以及節(jié)能改造帶來(lái)了困難；但是目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多家企業(yè)能自主研發(fā)生產(chǎn)高壓變頻器了。

   高壓變頻器在技術(shù)上主要采用：一、低耐壓器件的多重化技術(shù)；二、高耐壓器件的多電平技術(shù)。一般以第一種使用較多，采用級(jí)聯(lián)擴(kuò)容方式的高壓變頻器又叫完美無(wú)諧波變頻器。單元串聯(lián)多電平技術(shù)就是采用多組低電壓小功率IGBT，PWM變頻單元串聯(lián)輸出為高壓變頻器，實(shí)現(xiàn)大功率集成。其特點(diǎn)是由低壓的功率器件所組成的功率單元相串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)高壓的輸出。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：

圖2功率單元級(jí)聯(lián)線高壓變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

   級(jí)聯(lián)型高壓變頻器的原理是采用移相變壓器，該變頻器對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。輸出的波形好，不存在由諧波引起的電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲、輸出du/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電動(dòng)機(jī)。同時(shí)這種形式的高壓變頻器帶來(lái)兩個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)：

圖3級(jí)聯(lián)型高壓變頻器拓?fù)鋱D

   1.高可靠性，每一個(gè)功率單元都是一個(gè)小型的低壓變頻器，每相的電壓由功率單元的輸出電壓疊加而成，當(dāng)一個(gè)功率單元出現(xiàn)故障后，只會(huì)使相電壓降低，通過(guò)旁路切除后系統(tǒng)能繼續(xù)運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)單元損壞而導(dǎo)致其它單元損壞的連環(huán)故障。

   2.此種方式的高壓變頻器解決了對(duì)電網(wǎng)的污染問(wèn)題，功率因數(shù)高。高壓電經(jīng)過(guò)移相變壓器的移相變壓后，給功率單元供電的二次繞組相互存在一個(gè)相位差，可以實(shí)現(xiàn)輸入電壓多重化。以6KV變頻器為例，每相由6個(gè)額定電壓為577V的功率單元串聯(lián)，三相共有18個(gè)功率單元，分別由輸入隔離變壓器的18個(gè)二次繞組供電，18個(gè)二次繞組分3組，每組之間存在相位差，形成相當(dāng)于18脈沖整流。使得電壓總畸變率只有3%，電流總畸變率小于4%。

   3.輸出電流波形完美，逆變器輸出采用多電平移相式PWM控制技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯(cuò)開(kāi)一定電角度，實(shí)現(xiàn)多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，du/dt很小，使得電動(dòng)機(jī)絕緣不會(huì)受到影響。功率單元采用較低的開(kāi)關(guān)頻率，以降低開(kāi)關(guān)損耗，且可以不用浪涌吸收電路，提高變頻器的功率。由于采取多電平移相式PWM，等效輸出開(kāi)關(guān)頻率很高，且輸出電平數(shù)增加，可大大改善輸出波形，降低輸出諧波，諧波引起的電動(dòng)機(jī)發(fā)熱、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都大大降低。所以這種變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有特殊的要求，可用于普通的高壓電動(dòng)機(jī)，也可以用于舊電動(dòng)機(jī)，且不必降額使用。由于輸出du/dt較低，不會(huì)產(chǎn)生輸出電纜較長(zhǎng)時(shí)行波反射引起的浪涌電壓增加而造成的電動(dòng)機(jī)絕緣破壞問(wèn)題，所以對(duì)變頻器輸出至電動(dòng)機(jī)之間的電纜長(zhǎng)度沒(méi)有特殊限制。

   高壓變頻器在電廠中一般使用在非常關(guān)鍵的工藝點(diǎn)，如引風(fēng)機(jī)和冷卻水泵，因此高壓變頻器的可靠性要求非常高。為此，高壓變頻器一般還會(huì)提供除單元旁路外的整機(jī)旁路。單元旁路可以切除掉故障的單元，使整機(jī)的輸出電壓減小，但是仍然可以使用。整機(jī)旁路主要提供工頻旁路，即在變頻器重故障停機(jī)時(shí)能夠迅速切換到工頻保障生產(chǎn)不受影響。

   國(guó)內(nèi)生產(chǎn)高壓變頻器的主要廠家有匯川、利德華福、榮信、智光、東方日立等，可以供用戶選擇。同時(shí)，由于技術(shù)的進(jìn)步，目前高壓變頻器不僅產(chǎn)品成熟，而且價(jià)格相對(duì)以前而言降了不少，十年前國(guó)產(chǎn)變頻器大約500元/KVA，進(jìn)口的大約700元/KVA；現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)的大約300元/KVA，價(jià)格已經(jīng)便宜很多，因此大規(guī)模推廣成為可能。

5、其它輔機(jī)節(jié)能

   另外正確的選擇電機(jī)容量也是很重要的，由于在設(shè)計(jì)時(shí)考慮裕量、不太了解負(fù)載工況等情況往往會(huì)選擇容量大一些的電機(jī)，使平均過(guò)載率低，造成“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象。對(duì)不需進(jìn)行調(diào)節(jié)操作的輔機(jī)，若長(zhǎng)期空載或低負(fù)載運(yùn)行，則應(yīng)采取節(jié)電措施。如安裝輕載節(jié)電器等，在空載或低負(fù)載運(yùn)行時(shí)，降低電動(dòng)機(jī)的端電壓，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。而對(duì)輕、重載交替工作的電機(jī)，可采用Y-△裝置自動(dòng)切換定子繞組接線方式，輕載時(shí)，采用Y接線，重載時(shí)，采用△接線。通常當(dāng)負(fù)載率低于40%時(shí)，由接線切換為丫接線，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

6、結(jié)束語(yǔ)

   本文從電廠節(jié)能出發(fā)，分析了熱電廠的節(jié)能的關(guān)鍵在于減少?gòu)S用電，而廠用電占比最高的又是風(fēng)機(jī)和水泵，如果采用變頻調(diào)速，將能達(dá)到良好的節(jié)能效果，況且目前變頻器的價(jià)格已經(jīng)很低，對(duì)于節(jié)能改造而言是小投資大回報(bào)，同時(shí)高壓變頻技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其可靠性和穩(wěn)定性以及快速投切能力都能給電廠用電帶來(lái)保障，因此液力耦合調(diào)速將逐漸被變頻調(diào)速替代。

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