变频调速技术的原理、应用及节能分析

(1.内蒙古电力勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020；2.中国华电集团发电运营有限公司 包头分公司，内蒙古 包头 014000)
摘 要：文章介绍了变频调速技术的原理以及变频调速在电厂中的应用，并对变频调速的节能技术进行分析。
关键词：变频调速技术；电厂；节能
中图分类号：TM761.2  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)05—0097—02

随着我国经济的快速发展，电力的缺口也越来越大，因而发电厂也不断增多。在电厂中各类泵与风机耗电量很大，总耗电约占整个厂用电的70%～80%，而整个厂用电约占发电量的12%左右。因此，提高泵与风机的效率就成了电厂节能的主要方式之一，提高泵与风机的效率主要就是采用变频调速技术。 
1 变频调速技术的节能原理

从电机学可知，电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）。对于特定的电机，只要改变电动机工作电源频率，就可调整电机的转速。这就是变频调速的基本原理。

由于传统的流量调节通过改变阀门或挡板开度来实现。这种情况下，电机总是处于全速运行状态,但实际上机组负荷需要不断调整。因此，这种方法存在严重的节流损耗。根据泵和风机的比例定律，对于泵和风机，流体流量与转速一次方成正比，即:
q/q_e=n/n_e 
扬程(全压)与转速二次方成正比，即:
H/H_e=(n/n_e)² 

功率则与转速的三次方成正比，即:P/P_e=(n/n_e)³式中:q、n、H和P分别表示流量、转速、扬程和功率,式中脚标“e”均表示额定工况参数。

由上面的公式可知：当转速减小时，电动机的功率将以其三次方的速率下降,因此变频调速的节电效果显著。从理论上计算，如流量由100% 降到70%,则转速相应降到70%,压力降到49%, 而电机的功率降到34.3%，即节约电能65.7%，节能效果显著。
2 变频调速技术的应用

在发电厂中，主要的风机与水泵有送风机、引风机、一次风机、锅炉给水泵、循环水泵、凝结水泵等。而火电厂的各类风机水泵往往根据负荷的变化和工艺的需要进行流量调节，通常采用挡板与阀门调节，调节精度差，维护难，能耗大。随着变频调速技术在这些设备上的应用，使这些具有明显的节电效果。

以送、引风机为例，按照DL5000-2000设计规程：送风机的风量设计裕量为5%，风压设计裕量是10%；引风机的风量设计裕量为10%，风压设计裕量是20%；加之所配套的电机是分级制造的，设计上所需的理想功率，在确定电机时都会取较大值，以保证系统的可靠运行。在实际运行中，系统设计是按最大负载去设计的，由于负荷的变化，在未装变频器前，常通过阀门挡板调节的风机与水泵的流量造成极大的能源浪费。加装变频器后，将取得明显的节电效果。
3 变频调速技术的节能分析

现以某电厂2×330MW机组工程的凝结水泵为例进行变频调速技术的节能分析。该工程凝结水系统的主流程是从排汽装置凝结水箱→凝结水泵→凝结水精处理装置→轴封加热器→凝结水调节阀→7号低压加热器→6号低压加热器→5号低压加热器→除氧器。　　

没有使用变频调速装置之前，排汽装置内的水位调整是通过改变凝结水泵出口阀门的开度进行的，调节线性度差，大量能量在阀门上损耗。同时由于频繁的对阀门进行操作，导致阀门的可靠性下降，影响机组的稳定运行。

使用高压变频调速装置后，凝结水泵出口阀门基本不需要频繁调整，阀门开度保持在一个比较大的范围内，通过调节变频调速装置的输出频率改变电机的转速，达到调节出口流量的目的，满足运行工况的要求。
3.1 计算方法及取值
3.1.1 基本数据的查取及计算
3.1.1.1 由汽轮机厂提供的330MW机组热平衡图查取各工况的凝结水流量Q0、除氧器压力Pd和凝汽器压力Pc。
3.1.1.2 根据凝结水泵的资料和特性曲线，得知定速凝结水泵的转速n₀＝1480r/min，查得各工况凝结水流量对应的凝结水泵扬程H₀、效率、轴功率。电动机效率估取95％，再计算电功率N₀,并将凝结水泵扬程H₀折算成压升△P₀。
3.1.2 凝结水系统压降计算
3.1.2.1 计算排汽装置接口至凝结水泵进口管道的压降△P₁(不含水柱压差)。
3.1.2.2 计算凝结水泵出口管道至除氧器(包括喷头)的压降△P₂(不含水柱压差)。
3.1.2.3 根据除氧器和排汽装置的布置情况计算水柱压差△P₃。
3.1.2.4 用下式计算不含调节阀压降的凝结水系统各工况总压降△Ps：
△P_s=△P₁十△P₂+△P₃ +(P_d-P_c)     (1)
3.1.2.5 计算各工况调节阀的压降△Pc：
△P_c＝△P₀－△P_s(2)
3.1.3 调速凝结水泵电耗计算

采用调速凝结水泵后，凝结水调节阀可按“零”压降考虑，由式(1)求得各工况的总压降△Ps就是凝结水系统各工况的总压降，换算成扬程为H_s。
3.1.3.1 根据各工况凝结水流量Q₀和凝结水泵扬程Hs拟合经过原点的抛物线H＝H_s(Q／Q₀)₂（注：由于凝结水系统存在高度恒定的水柱，除氧器压力基本上与机组负荷成正比，使凝结水系统的压降不正比于凝结水流量的平方，因此需拟合经过原点的抛物线以适应泵的相似理论），并由此抛物线求取与定速(1480r／min)凝结水泵扬程—流量曲线的交点(Q_n，H_n)。
3.1.3.2 由点(Q_n，H_n)查得定速凝结水泵的效率η₀，由泵的相似定律得知，此效率近似等于调速
凝结水泵工作点(Q₀，H_s)的泵效率［只有点(Q₀，H_s)偏离点(Q_n，H_n)较远时，点(Q₀，H_s)的泵效率才比点(Q_n，H_n)的效率小一些］。
3.1.3.3 由泵的相似定律得知，各工况调速凝结水泵的转速为：
    n＝1480×Q₀／Q_n                   (3)
    或n＝1480×(H_s／H_n)×0.5           (4)
3.1.3.4 用式(5)计算调速凝结水泵各工况的轴功率N(kW)

N=γ·Q₀·H_s/η/1000              (5)
其中：γ－凝结水的密度，N/m³；Q0－某工况凝结水流量，m3/s；
H_s－某工况凝结水泵扬程，m。
3.1.3.5 计算调速凝结水泵各工况的电功率、节电功率和节电率。这里，电动机效率仍按95％计，调速装置效率按96％计。
3.2 计算结果

下面以每台机组凝结水泵按2×110%容量配置，选定机组带330MW、247.5MW、165MW、132MW负荷和额定抽汽5种工况，进行节电计算，数据见表1。
由表1可知：
100%容量定速凝结水泵运行时，累计年耗电量为：
C_d=7560×（887.57×25%＋782.71×35%
＋647.31×25%＋613.97×10%＋585.15×5%）
=5657316kW·h

因此，采用100%容量定速凝结水泵运行时，每年凝结水泵耗电量约为565.7316万kW·h。
    100%容量变速凝结水泵运行时，累计年耗电量为：
C_b=7560×（545.25×25%＋346.45×35%
＋211.73×25%＋163.57×10%＋194.89×5%）
=2544712kW·h

因此，采用100%容量变速凝结水泵运行时，每年凝结水泵耗电量约为254.471万kW·h。
节能计算：
年节电量：

ΔC=C_d－C_b=565.732-254.471=311.261万kW·h
节电率：

（ΔC/Cd）×100%=（311.261/ 565.732）×100%=55.02% 

成本电价按0.13元/kW·h计算，则每年直接经济效益311.261×0.13=40.46万元/台机组。

4 结束语

从变频调速技术的简单原理与节能分析中大量的节电量可以看出这是一种理想的调速控制方式，因此这种技术在电厂中得到了广泛的应用。
［参考文献］
［1］ 郭立君.泵与风机［M］.北京：中国电力出版社,1996.
［2］ 秦曾煌.电工学［M］.北京：高等教育出版社,1990.