摘要：发电厂设备中主要的耗能设备就是电动机，在发电厂中有很多的设备涉及电动机的使用，对电动机的节能改造可以实现发电厂的节能降耗。变频技术是通过对输入电动机的电流进行调控，从而达到控制转速的技术，此种技术的应用对电动机节能有着重大的意义。所以电厂通过对各种风机、泵类的附加变频器，可以帮助发电厂实现节能降耗的目标。
关键词：变频器，能耗现状,工作原理，应用优点，实际效果。
0、引言
目前，全国火力发电厂电厂平均厂用电率在4%〜5%之间，其中80%的电能是被各种泵与风机消耗的，我国泵与风机的效率同世界先进水平相比大约低30%,因此，高压变频器在电厂中推广应用，无疑能够大大减少厂用电的消耗。高压变频调节相对于挡板或阀门调节有着几大突出优势:一是彻底消除了节流损耗，二是变频器响应速度快，能够及时跟踪工况的变化，从而降低能耗。同时，由于岀口挡板和阀门不再参与调节，提高了使用寿命，电机转速的降低也提高了电机轴承的使用寿命。因此各种变频器在电厂的节能改造项目中被大量应用。
1、火力发电厂的能源消耗现状
在火力发电厂中，有很多高能耗设备，其中包括送风机、引风机、一次风机、锅炉给水泵、凝结水泵、补给水泵、循环水泵、灰浆泵等，这些能源消耗较高的设备一个共同的特性就是他们都是靠电动机来实现驱动的。所以火电厂要实现节能就要分析这些设备的用电情况并采取措施。
1.1定频的消耗
目前，火电厂中的主要系统中的风机和水泵使用的还是定速驱动，阀门式挡板调节。这种定速驱动的水泵和风机在载荷变化的时候，只是采用出□调节装置来达到控制流量的目的，以此来实现对系统进行控制的需要。但是风机和水泵在低负荷的时候由于采用的是额定功率、恒定速度，这些设备的运转也处在较高消耗的状态下，所以即使工作的载荷很小，其能源消耗也没有明显的减小，自然也就造成了无谓的能源消耗，造成浪费。
1.2 负荷变化的浪费
在运行过程中，设备的效率较低。从实际运行的效率上看，发电机组的载荷是时时改变的。由于系统负荷是动态变化的，所以水泵和风机在运行上偏离高效点的情况较多，只要出现载荷变化就会让其偏离最优的运行区间，这就会让运行的效率降低，直接导致了能源的浪费。
2、变频器的工作原理和性能特点
2.1变频器的工作原理
当交流设备在供电频率发生变化的时候，与频率成正比的功率也将出现相应的变化。频率高就产生大功率，频率低就输出小功率。变频器就是基于这个原理来调整电机的速度，即将固定频率的交流电变为频率可变的连续交流电，从而改变电机的输出功率，达到控制输出的目的。实际中就是根据负荷的变化，对风机、水泵等电气设备的输入频率进行调整，从而达到控制其转速的目的，让被控的设备能按照出□流量的变化而改变输出功率，这就是变频器的工作原理。
2.2变频器的性能特点
近些年来随着电网负荷峰谷差持续加剧，调峰指令频繁，启停次数超过标准。通常电动机在启动后，电流额定值是电流6到8倍，频繁启停让电机所经受的冲击转矩很大程度降低了电动机使用寿命，电动机的损毁概率随之增高。变频器可以有效应对这一问题，控制电机的调速范围，能够在零转速与限定转速范围内实现平滑调节，在大电机设备让完成小电流启动方式。与此同时，启动方法和时间还能够按照工况来随时调整，频率的变更则会在电动机低频率时让压频比系数对应电压输出；低速状态下的电机，不仅电压低，发热也会得到良好改善，避免了电机绝缘老化的情况， 在优化电动机运行环境的同时，提高了电动机使用寿命。从技术角度来看，因为节约了升降压转换，所以装置损耗也会大幅度降低，增强了装置整体运行效果。
2.2变频器的选择
利用变频技术主要的操作方法就是在原有的系统中加入一套变频调速设备，实际上就是增加了一个复杂性较高的辅助操作设备，这虽然可以帮助降低能耗，但是也增加了系统的控制难度，增加了一个维修和管理的节点。所以在变频改造中，变频器的选取也是十分重要的，这不光能影响到系统的正常运行也能够影响到节能的效果。很明显，如果选择不当就会影响系统的正常工作。所以在选择变频器的时候除了要注意 一些常规性指标外，还应当综合考量设备的整体运行的安全性，包括电器元件的稳定性，产生谐波分量是否符合标准，在电源出现停断时对其的影响等。而且目前市场上的变频器种类较多，在选取的时候也要注意 对生产厂家、产品质量的考察，尽量选取性价比较高的产品。
3.变频器在风机，水泵类辅机的优点
从目前的研究来看，变频器在发电厂的风机，水泵类辅机的优点突出，采用变频调节的优点主要是节能，与传统挡扳阀门调节相比，其优点主要从五个方面体现。
3.1转速的利用
利用变频调速技术改变设备的运行转速，以调节给水量和给风量的大小，既可以满足生产运行工况的要求，又可以达到节约电能的目的，同时减少因频繁调节阀门挡板而造成阀门挡板损坏，管道磨损和经常停机检修所造成的经济损失。
3.2高精度的调节
变频器与发电厂DCS相连接，可以实现高精度范围的无级调速，全面满足各种复杂工艺的需要，提高生产效率和机组自动化水平。挡板阀门调节的执行机构一般为大力矩的电动执行器，故障较多，不能适应长期频繁调节，挡板阀门动作迟缓，手动时人员不易操作，操作不当还会造成风机震动。
3.3提高使用寿命
能延长电动机水泵和风机的使用寿命，变频器可以实现电动机的软启动功能，减少启动冲击，延长设备的使用寿命，节省维护费用，而采用挡板调节时异步电动机在直接起动时起动电流一般达到电机额定电流的6倍左右，启动电流很大，容易产生操作过电压，损伤电动机绝缘，严重威胁电动机的使用寿命，而且因此采用变频器调节后，减少机械部分的磨损振动，延长风机和水泵的大修周期，节省大量的检修费用。
3.4功率因素的补偿
高压变频器可对电动机功率因数实现就地补偿，提高电厂用变压器容量的有效利用率，避免风机，水泵启动时厂用电电压的大幅波动，变频器具有高功率因数，高效率，高质量输出，安装变频器后功率因数一般效率达96%以上。
3.5稳定的运行
方便实现电动机频繁启停，方便实现电动机正反转，能最大限度的不间断无跳闸运行。变频器对电网电压波动有极强的适应能力在一定范围可以满载输出，变频器可以在情况下电网电压下降降额运行，在完全失去电网电压5个周波内，可满载运行不跳闸，轻载时时间更长。
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4、变频器在火电厂中应用对节能分析
火电厂利用变频器来控制能耗的技术，在很多电厂都得到了应用并取得了明显的成果，而且在设备的改进中还一并对控制系统进行了升级和完善，从而大大提高了变频器的工作效果和效率，节能降耗的效益明显。具体可以从以下几个方面得到体现：
4.1 节约能耗
电厂变频改造中主要的改造对象就是电动机和各类水泵，其改进的工作原理如前，具体的计算因子为异步感应电动机转速为n，电压频率为f、转差率s、电机极对数p,其关系为n=60f（1-s）/p。改变电压频率f就能够改变电动机转速。例如：凝结泵对于转速要求的精度不是很高，在异步感应电动机的计算和制造完成后，实际的工作中由于负荷的变化，转差率会出现一定的变化，但是变化幅度极小,因此在运行中可以将电机的转速和变频器输入的电压频率看成一种线性关系。所以将频率不变的工作网络电压变为随着负荷变化频率的电压时，电机的转速也会跟着变化，假定变频前，凝结泵电机始终处于100%的工作负荷下，调节凝结器和除氧器中的水位，即凝结泵的出水量完全依靠调节出□的开闭程度来实现阻力变化。当水量减小的时候，减小阀门的开度，忽略泵机和电机的变化效率，电机功率变化不明显。在采用变频调节装置后，当水量减小时，通过变频调节电机的转速降随着流量减小，电机的功率当然也就随之降低，这样就实现了节能的目的。这就是电厂变频改造的基本思路和实施方法，而且在实践中，通过对某个一次风机变频前后的耗电量计算，其理论节电值应当在三成左右，虽然实际和理论有一定的差异，但实测的节能效果也相当理想。
4.2 保护设备减少电机启动的冲击损耗
电机在直接启动的时候，最大的启动电流一般为额定电流的7倍，星角启动也可达到4.5倍，即 使是利用电t/1款启动器也会形成2.5倍的电流。而对变频改造后的电动 机进行测试，其启动的负荷曲线，电流在启动过程中基本没有过大的冲击，电流只是随着转速的增加而从零开始上升，但最终都没有超过额定 电流。因此在实际的使用中变频器可以解决电动机启动电流过大造成的 对设备的瞬间冲击问题。实践证明着可以降低设备所承受的冲击应力，大大降低了设备的日常维护工作和费用。
4.3 减少了设备的损害
在机电设备的使用中长期的定速运转无疑是对设备的最大伤害，而且负荷的变化也会造成轴承的损伤。变频器实现了电动机的柔性控制，使得其速度变化缓慢而低速，所以可以让轴承承受的应力降到最低，无疑可以延长轴承的工作寿命。同时机械的寿命和转速的倒数成正比，减低电动机转速就可以成倍的提高电动机的使用寿命。
4.4 降低了噪音污染
在电动机实现了变频改造后，最显著的特征就是噪音的降低。其主要的原因就是电动机运行速度的变化，克服了长期高速运转而产生的噪音。而且在启动和停车时也没有了尖锐的声音。实测中，当转速降低到50%时，噪音完全可以降低十几个分呗。对于水泵来说，更是克服了由于调门线性度不好，调节品质差，引起管道锤 击和共振，造成给水系统上水管道强烈震动的缺陷，水泵变频运行后，噪音、振动都大为减少，变化相当可观。
5、变频器在火电厂的实际运用
5.1变频器运行时的功率分析(以我厂设备为例)
（1）当凝结泵在工频时，其电流一般为44.3A。则输入功率P0﹦1.732UIcosφ﹦410KW。
（2）变频器在42.15Hz运行时：变频器运行U﹦6.1KV，运行I﹦21.42A 则输入功率P﹦1.732UIcosφ﹦217KW。考虑到变频器室的空调、照明等用电，按10kW计算，则变频器功率总消耗在227KW。变频器每小时节约功率：P1=P0－P=410－217=193kW，节电率47％。
（3）变频器在43.58Hz运行时：变频器运行U﹦6.07KV，运行I﹦26.73A 则输入功率P﹦1.732UIcosφ﹦270KW。加上变频器室的空调、照明用电约10kW，则变频器功率总消耗在280KW。 变频器每小时节约功率：P1=P0－P=130kW，节电率31.7％。
（4）变频器在45.6Hz运行时：变频器运行U﹦6.07KV，运行I﹦30.69A。 则输入功率P﹦1.732UIcosφ﹦310KW。加上变频器室的空调、照明用电约10kW，其功率总消耗在320KW。变频器每小时节约功率：P1=P0－P=90kW，节电率22％。
（5）变频器在46.78Hz运行时：变频器运行U﹦6.05KV，运行I﹦39.68A 则输入功率P﹦1.732UIcosφ﹦330KW。加上变频器室的空调、照明用电约10kW，其功率总消耗在340KW。 变频器每小时节约功率：P1=P0－P=70kW，节电率17.1％。
（6）变频器在49.35Hz运行时：变频器运行U﹦6.02KV，运行I﹦40.32A。则输入功率P﹦1.732UIcosφ﹦403KW。加上变频器室的空调、照明用电约10KW，其功率总消耗在413KW。 变频器每小时多消耗功率：P1=P－P0=413－409=4kW （7）变频器在50HZ运行时：变频器运行U﹦6.0KV，运行I﹦42.84A。 则输入功率P﹦1.732UIcosφ﹦427KW。加上变频器室的空调、照明用电约10KW，其功率总消耗在437KW。 变频器每小时多消耗功率：P1=P－P0=27kW。
5.2 变频运行节能分析
（1）节能效果显著：通过以上的计算对比，当变频器运行在49.34HZ时，凝结泵功率消耗基本与凝结泵工频运行时是一致的。所以，当变频器运行频率低于49.3HZ时，是节能的。而且随着频率的降低，节能效果十分明显。由于变频器运行频率受网调负荷变化而变化较大，一般在41HZ和49.5HZ之间运行，以平均45.6HZ运行为例，按一年运行300天计算，则年节约厂用电为：90×300×24=648000KWh。
（2）经济效益分析：假如厂用电的成本每度电按0.1元计算的话，在平均45.6HZ的运行频率下，每年可节约发电成本6.5万元。
6、结束语
实践证明，变频器的应用帮助火电厂改善了电动机的工作状况，实现了节能源消耗，正逐步成为电厂节能降耗的重要元件。而且变频器和计算机系统的联合应用也逐步提高了电厂的智能化控制的技术水平。
参考文献
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[4]梅文广，6kv高压变频器在广州电厂的应用分析[J].广东科技2009
作者简介：
陈星（1987—），男，江西南昌人，助理工程师，毕业于武汉工业学院工商学院，电气自动化专业，主要研究方向：电力系统保护与控制
宫文东（1992—），男，江西南昌人，助理工程师，毕业于沈阳工程学院，自动化专业，主要研究方向：电力系统运行与控制
论文作者:陈星,宫文东
论文发表刊物:《基层建设》2019年第33期
论文发表时间:2020/5/7