摘要

   電力是當(dāng)今社會最重要的能源，我過目前的裝機容量和發(fā)電容量均是世界第一的；我國已有火電、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；一段時期內(nèi)，火力發(fā)電在我國電力生產(chǎn)中仍占主導(dǎo)地位?；鹆Πl(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、泵類等大容量輔機的運行特性，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)濟指標(biāo)之一，我國電力行業(yè)一般認(rèn)為是發(fā)電廠電力生產(chǎn)過程中所必需的自用電量占發(fā)電量的百分比。目前我國火電廠機組容量約50%在300MW以下，這些中小機組的廠用電率長期維持在8%左右，直接造成資源浪費。但是經(jīng)過多年的發(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、送風(fēng)機、制粉系統(tǒng)、一次風(fēng)機，汽輪機的電動給水泵、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)濟運行指標(biāo)，它表征著機組是否運行在最佳工況。我國常說的廠用電率是指發(fā)電廠用電率。

   廠用電的構(gòu)成中，圍繞發(fā)電機組的正常運行，有一整套的電氣系統(tǒng)，這整套的系統(tǒng)很復(fù)雜，所用電機也多，因此廠用電也主要消耗于此，主要包括高壓電機和低壓電機兩部分。其中的風(fēng)機、水泵等大型主要輔助設(shè)備所用的高壓大功率電機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)常見高低壓輔機

3、調(diào)速原因

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

   如果流量下降到額定流量的80%，電動機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?？梢婏L(fēng)機、水泵采用調(diào)速驅(qū)動是一種非常有效的節(jié)能方式，因為大多數(shù)風(fēng)機和水泵都需要根據(jù)發(fā)電機組負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)流量，對于調(diào)峰機組則尤其如此。為這類機組配套的各類風(fēng)機、水泵均應(yīng)采用調(diào)速驅(qū)動，以獲得最佳節(jié)能效果。經(jīng)試驗證明，對于風(fēng)機和水泵類負(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，而且價格昂貴，大多以國外品牌為主，售后沒有保障，但是高壓調(diào)速使用的地方恰好又是關(guān)鍵的工藝點，所有在很多大功率場合都采用液力耦合器調(diào)速這種機械調(diào)速方式，給高壓變頻器的普及以及節(jié)能改造帶來了困難；但是目前國內(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，采用級聯(lián)擴容方式的高壓變頻器又叫完美無諧波變頻器。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，實現(xiàn)大功率集成。其特點是由低壓的功率器件所組成的功率單元相串聯(lián)，從而實現(xiàn)高壓的輸出。它的結(jié)構(gòu)簡圖如下：

圖2功率單元級聯(lián)線高壓變頻器結(jié)構(gòu)簡圖

   級聯(lián)型高壓變頻器的原理是采用移相變壓器，該變頻器對電網(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)補償裝置。輸出的波形好，不存在由諧波引起的電動機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲、輸出du/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電動機。同時這種形式的高壓變頻器帶來兩個很大的優(yōu)勢：

圖3級聯(lián)型高壓變頻器拓?fù)鋱D

   1.高可靠性，每一個功率單元都是一個小型的低壓變頻器，每相的電壓由功率單元的輸出電壓疊加而成，當(dāng)一個功率單元出現(xiàn)故障后，只會使相電壓降低，通過旁路切除后系統(tǒng)能繼續(xù)運行，不會出現(xiàn)一個單元損壞而導(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電網(wǎng)的污染問題，功率因數(shù)高。高壓電經(jīng)過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相位差，可以實現(xiàn)輸入電壓多重化。以6KV變頻器為例，每相由6個額定電壓為577V的功率單元串聯(lián)，三相共有18個功率單元，分別由輸入隔離變壓器的18個二次繞組供電，18個二次繞組分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開一定電角度，實現(xiàn)多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，du/dt很小，使得電動機絕緣不會受到影響。功率單元采用較低的開關(guān)頻率，以降低開關(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，諧波引起的電動機發(fā)熱、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動都大大降低。所以這種變頻器對電動機沒有特殊的要求，可用于普通的高壓電動機，也可以用于舊電動機，且不必降額使用。由于輸出du/dt較低，不會產(chǎn)生輸出電纜較長時行波反射引起的浪涌電壓增加而造成的電動機絕緣破壞問題，所以對變頻器輸出至電動機之間的電纜長度沒有特殊限制。

   高壓變頻器在電廠中一般使用在非常關(guān)鍵的工藝點，如引風(fēng)機和冷卻水泵，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提供除單元旁路外的整機旁路。單元旁路可以切除掉故障的單元，使整機的輸出電壓減小，但是仍然可以使用。整機旁路主要提供工頻旁路，即在變頻器重故障停機時能夠迅速切換到工頻保障生產(chǎn)不受影響。

   國內(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，由于技術(shù)的進步，目前高壓變頻器不僅產(chǎn)品成熟，而且價格相對以前而言降了不少，十年前國產(chǎn)變頻器大約500元/KVA，進口的大約700元/KVA；現(xiàn)在國產(chǎn)的大約300元/KVA，價格已經(jīng)便宜很多，因此大規(guī)模推廣成為可能。

5、其它輔機節(jié)能

   另外正確的選擇電機容量也是很重要的，由于在設(shè)計時考慮裕量、不太了解負(fù)載工況等情況往往會選擇容量大一些的電機，使平均過載率低，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象。對不需進行調(diào)節(jié)操作的輔機，若長期空載或低負(fù)載運行，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)載運行時，降低電動機的端電壓，從而實現(xiàn)節(jié)能。而對輕、重載交替工作的電機，可采用Y-△裝置自動切換定子繞組接線方式，輕載時，采用Y接線，重載時，采用△接線。通常當(dāng)負(fù)載率低于40%時，由接線切換為丫接線，可以實現(xiàn)節(jié)能。

6、結(jié)束語

   本文從電廠節(jié)能出發(fā)，分析了熱電廠的節(jié)能的關(guān)鍵在于減少廠用電，而廠用電占比最高的又是風(fēng)機和水泵，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格已經(jīng)很低，對于節(jié)能改造而言是小投資大回報，同時高壓變頻技術(shù)經(jīng)過多年的發(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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