0 引言
过去, 中国火力发电厂的设计、制造受技术条件影响，电厂主要用电设备如引风机、送风机、排风机、磨煤机、给水泵、循环泵等高耗能设备，其输出功率不能随机组负荷变化而变化，只能通过改变挡板或阀门的丌度来进行调整，造成很大部分能量消耗在节流损失中[1]。进入80年代后, 国外变频技术被中国引进吸收，并很快在许多行业得到了推广和应用,收到了良好的节能效果。火电厂高压电机变频改造在现代科学技术不断发展的基础上满足社会生产用电量不断增加的外在需求，其对提高节能效果，节省生产成本，提高火电厂的社会和经济效益有着十分重要的现实意义。
1 变频与节能原理概述
1.1 变频原理
功率单元串联叠加是高压变频器所采用的串联方式，其主电路开关的主要组成部分是功率极大的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。它采用空间矢量多重化脉冲宽度调制(PWM)技术，每一相由若干个单元串联而成，其中任何一个功率单元所输出的电压波形和串联后所输出的相电压波形均可获得几十个各不相同的电压等级。一旦电压的等级增多，各等级的电压就会相应减少,对电机绝缘机所造成的破坏也会相应减少，同时输出电压的谐波数量也会随之减少[2]。可以说增加电压等级的数量，显著提高了变频器输出能力，使输出波形接近正弦波，确保电网清洁、零污染。因此，串联叠加方式的变频器不会对处于同一电网的灯具、电脑等电气设备产生谐波干扰，减少了人们对共振、谐波的分析工作，同时也节省了谐波装置相关费用。
1.2 节能原理
汽机凝结水泵电机经变频改造后，其输出量在满足工艺要求的同时，还能节省大量电能，具体节省比例见以下推算过程。根据风机类负载和汽机凝结水泵电机的工作特点可知：
汽机凝结水泵机的流量与其转动速度成正比例关系：
Q2/Q1=N2/N1， (1)
同时，汽机凝结水泵机的电机轴功率与转动速度的立方值也成正比例关系：
P2/P1=(N2/N1)3， (2)
根据变频器工作原理可知其转动速度与转动频率也是正比例关系：
N2/N1= f2/f1， (3)
式(1)至式(3)中，Q为流量，m3/h;N为转速，r/s;P为轴功率， W;f为频率，Hz。假如f下降20%(50 Hz下降到40 Hz)，结合以上比例关系推算如下：
Q2=N2/N1×Q1，(4)
因为：N2/N1=f2/f1，故：
Q2=f2/f1×Q1; (5)在f下降20%的情况下，
Q2=Q1×80%，(6)
P2=(N2/N1)3×P1，(7)
在f下降20%的情况下，
P2=(80%)3×P1=P1×51.2%，(8)
由此可见，频率下降20%时，轴功率占原料的51.2%，从而节约48.8%。该推算显示的是理想状态的节电率，在实际工作过程中，由于运行状况各不相同，产生的效果不可避免地会和以上计算结果有一定差异，但从计算结果来看，效果非常明显，变频改造的必要性不言而喻。
2 变频改造的显著优势
2.1 安全可靠性分析
安全性是工程的灵魂，必须予以高度重视。因此，高压变频器的安全分析也就非常必要。通过软启动技术，有效防止了因工频启动而产生的强大冲击转矩和电流，在增加电动机、负载的使用年限的同时，大大减少了对电网的冲击力，确保机组正常运行。高压变频器拥有完整的保护体系，在发生欠压、短路、变频器发生过压、过热、过流等情况时，其系统可进行自动检测，并根据检查结果给予及时的智能提示、保护、报警，从而保证设备正常安全运行。
2.2 高压变频器优势
在交流高压电机直接启动的短暂过程中，往往会产生极为强烈的电流和转矩冲击力，导致以下3个不良后果：a) 由于阻尼绕组和转子笼型绕组在这一过程中承受极高机械应力和热应力，从而致使笼条破损的发生;b) 引起定子绕组绝缘磨损，从而致使定子绕组绝缘击穿;c) 这一过程中的强大电流会导致铁芯松弛，从而增加机电发热。变频器能实现启动转矩高并不造成冲击力，有利于增加电动机的服务时间，对电网冲击也相对较弱，从而确保整个机组安全正常运行[3]。近年来，随着中国科技不断发展，新的科技被广泛运用于工业领域，电厂的自动化水平也越来越高，对辅助设备的控制性能的要求也日益增长，这就要求相关工作者结合实际，充分利用高压变频器的优势调整水泵、风机的速度，这不但可以对水泵、风机流量起到调节作用，还能大幅度减少对电能的消耗，从而实现改善工艺和降低能耗的目的。
3 变频改造相关技术方案
根据笔者多年的现场工作实践经验，提出以下3个变频改造相关技术方案。
3.1 方案一
锅炉引风机和锅炉送风机使用的拖动方式均为一拖一，且带自动旁路，如图1所示;汽机凝结水泵使用的拖动方式为一拖二，也带自动旁路，如图2所示;
3.2 方案二
锅炉引风机使用的拖动方式为一拖一，且带自动旁路，如图1所示;锅炉送风机和汽机凝结水泵使用的拖动方式均为一拖二，且带自动旁路，如图2所示。
3.3 方案三
锅炉引风机使用的拖动方式为一拖一，无自动旁路，如图3所示;锅炉送风机和汽机凝结水泵使用的拖动方式为一拖一，且带自动旁路，如图1所示。
图1 一拖一且带自动旁路示意图
图2一拖二且带自动旁路示意图
图3一拖一无自动旁路示意图
变频器只能同时为1台电机供电。如：电机1处于变频工作状态时，KM2、KM3与KM1应相互锁住，这样可有效防止操作失误;同样，电机2处于变频工作状态时,KM5、KM6与KM4应相互锁住，这样可有效防止操作失误;KM2与KM5、KM3与KM6之间具有电气互锁，可有效防止操作失误;在同一时间内，KM2只能与KM3或者KM1闭合工作，可以通过电气互锁，实现误操作防止。三套设备均使用变频一拖一拖动方式，不带旁路，也不需增加任何高压电气控制相关设备，但其安全性能较低，不宜采用。
3.4 方案选择
介于引风机和送风机在锅炉运行时须运行，为确保安全运行，引风机应采用一拖一拖动方式且带旁路(见图2)。这样在变频器发生故障时，可及时切换到工频。由于汽机凝结水泵大多是一用一备，采用一拖二拖动方式和自带旁路是最佳选择。
4 变频改造后节能状况和经济效益
为了节约用电成本，为公司谋求更多经济效益，华电漯河公司对4台凝结水泵电机进行了变频节能技术改造。该公司已经改造成功4台上海电机厂生产的汽机凝结水泵(450 kW-6 kV，型号为：YLKK450-4)，其运行情况见表1。
表1 改造过的凝结水泵运行工况记录
实际运行频率
HZ实际运行电压
V实际运行电流
A实际运行频率
HZ实际运行电压
V实际运行电流A
505 78747.9341425736.76
495 56147.5340409135.63
485 46946.1039393534034
475 28844.4338378433.24
465 10743.6337363431.89
454 93042.1736347830.90
444 76140.7135325929.83
434 58939.6534311228.99
424 42237.85———
进行变频改造前电机输出功率计算如下：
P1=1.732×6×48×0.80=399 kW;(9)
节能变频改造后，按照全年平均频率值42 Hz，电机输出功率计算如下：P1=1.732×4.422×37.85×0.95=276 kW。(10)
由此可见，实施节能变频改造后，平均每小时节约电量可达123 kW˙h;平均节能比率：123/399≈0.3=30%;2台机组每年按6 000 h运行时间计算，整年节电量高达：2×123×6 000=1 476 000 kW˙h。按照按上网电价0.42元/(kW˙h)计算,年效益0.42×1 476 000=619 920元。
汽机凝结水泵、送风机、引风机等设备的运行情况非常类似，因而，可参照汽机凝结水泵运行时的节电比率，对送风机、引风机的运行情况进行推算。由于锅炉引风机、送风机设计时余量考虑充足，因此节能空间更大。下一步，该公司将按照上述变频技术改造方案，逐步对1#、2#锅炉引风机、送风机等高压电机进行技术改造，以达到更好节能改造效果。
5 结语
火电厂高压电机变频改造不仅大大节约了厂用电，提高节能效果，节省生产成本，还有利于设备安全运行，减少设备维护费用和生产成本，有效避免了各种意外停机导致的损失。同时，它能延长电机等相关设备使用寿命，减少轴承磨损和噪音，有利于良好工作环境的建立。因此，相关工作者必须高度重视，把上述改造技术方案科学合理地运用到火电厂高压电机的变频改造工作中，从而提高火电厂的经济效益，减轻火电厂员工的劳动强度，为公司经济、安全稳定可持续发展做出重要贡献。
参考文献:
[1] 祁 杰.有关发电厂高压电机节能变频改造的思考[J].科技与企业,2013(18):364-365.
[2] 张海涛,冯春华.流化床锅炉高压电机变频改造效果及问题分析[J].科技致富向导,2012(17):247.
[3] 沈 滢,崔东辉.浅析发电厂高压电机变频改造技术[J].内蒙古科技与经济,2011(12):81.
原标题:火电厂高压电机变频改造
