火力發電廠采用變頻器可以有效實現節能降耗
摘要 ：本文論述了火電廠降低廠用電率的宏觀收益；進行了火力發電廠輔機節能分析；介紹了火電廠輔機變頻調節方案；對火電廠廠用電壓的選擇提出了商榷意見；指出了節能降耗變頻改造的關鍵是落實技改資金。
英文摘要 ：This paper describes macroscopically income to reducing auxiliary ratio in power plants, and analysis energy saving for electromotor, and introduce some schemes of application of frequency converter in power plant. It also put forward new suggestion for auxiliary voltage selecting and it is key to resolve fund for energy saving regeneration in power plant.
關鍵詞： 火電廠 變頻器 節能降耗
1 引言
一次能源是不可再生的國家資源，節約是國家的基本國策。
節能降耗則是國家的長遠方針。溫家寶總理2006年3月5日在全國人民代表大會第四次會議政府工作報告中提出：“2006年國民經濟和社會發展的主要預期目標是國內生產總值增長8%左右，單位國內生產總值能耗降低4%左右”。“十一五”規劃《綱要（草案）》提出了“十一五”期間單位國內生產總值能源消耗降低20%。火電廠是生產供應電能的重要企業，同時又是電能消耗較大的企業。對發電企業說來，降低能源消耗20%，包含著發電煤耗和廠用電率兩部分。這里發電煤耗姑且不論，廠用電率降低20%也是個可觀的數字。
2 全國火電廠廠用電率降低20%的意義
全國火電廠廠用電率降低20%，就相當于新增6200MW裝機容量，節約標準煤1300萬t。
近年來設計建設的發電工程與老舊機組比應該是更先進更節能的,應該是代表我國當前機組的先進水平的。初步統計300MW-600MW機組設計廠用電率在6～7%,200MW及以下機組一般在7～8%,老舊機組廠用電率一般高于8～9%,2005年末我國裝機容量已達到5億kW（摘自2005年12月30日經濟日報）,其中水電機組1億kW,火電機組4億kW,火電機組中300MW以上機組占42%,300MW以下機組為58%,若300MW以上機組廠用率平均按6.5%,300MW以下機組廠用電率平均按8.5%計,則平均廠用電率為7.7%,其廠用電為3100萬kW,若按照“十一五”規劃《綱要（草案）》要求能源消耗降低20%（7.7%×20%=1.54%）,則可節約6200MW,相當于新增6200MW裝機容量。新建300-600MW機組造價平均按3800元/kW計,可折合人民幣240億元。可見,如能將全國火電機組的廠用電率,在原有基礎上降低1.54%（從7.7%降到6.16%）,就相當于新增6200MW裝機容量（2004年全國平均供電煤耗為387g/kW。這里以380g/kW計,節約620萬kW則年節約標準煤1300萬t）,也就相當于節約240億元投資,相應地降低了土地占用及相應的煤、電消耗,也相應地降低水資源和相應的材料、機電設備等。
3 火力發電廠輔機節能分析
火力發電廠輔機很多，6.5～8.5%的自用電量都是這些輔機消耗的。如果抓住了輔機的節能降耗，降低了每臺輔機的單耗就達到了節能降耗的目的。
縱觀火力發電廠輔機，不外有兩種狀態，一是需要調節的風機、泵類平方轉矩負載（送、引風機，凝結水泵等），一是不需要調節的恒轉矩負載（如球磨機、輸煤皮帶等）。當前國內運行中和新建、在建中的火力發電廠，除個別輔機采用了液力耦合器（與先進的變頻調速比較液力耦合器也屬于高能耗設備）或極少數輔機采用了變頻器調節外，大多沿用著應加快淘汰的高耗能（節流調節）工藝和設備。
節流調節是在風機、水泵特性曲線為不變的條件下,改變風機、水泵出口門（或入口的門）進行調節,即改變管道特性曲線進行調節,這一調節方式的損耗是很大的。
變頻調節是在管道特性不變的條件下，通過改變轉速而改變特性曲線，來進行調節的。由于風機和水泵的耗電量是和其轉速的三次方成正比的，所以其節電量是很可觀的。由相似定律知，采用變頻調節的電動機的功耗為：N=（n/n0）3N0
式中： N0 —額定轉數時的實際耗電量；
n0 —額定轉數；
n —調節后的轉數；
N —調節后對應n轉數時的實際耗電量。
變頻調節時的節電量為：
ΔN=N0-（n/n0）3N0
變頻調節時節電量用百分數表示則為：
ΔN%=（1-n3/n03）×100%
由上式,若轉速較額定轉速下降到90%,則ΔN%=27.1% 下降到80%，則ΔN%=48.4%，可見，變頻調節的節電率是很高的，這一點從節流調節與變頻調節的特性曲線上也可以得到證明，如圖1所示。
圖1 風機水泵特性曲線
通過上述分析，可以證明，變速調節的優點就是節能。要實現火電廠的節能降耗，對老舊機組來說，就是對輔機進行變頻調速改造，對新建擴建電廠來說，就是要采用變頻調節代替傳統的調節方式。
O,H0,M0,Q0圍成的面積是額定工況（n=1440r/min）下的耗電量，O,H1,M1,Q1圍成的面積為節流調節流量到Q1時的耗電量，O,H1′,M1′,Q1圍成的面積是變速到n1=950r/min對應流量為Q1時的耗電量。
4 火電廠各類輔機變頻調節方案簡介
4.1 鍋爐吸風機、送風機、排粉機、一次風機、煙氣再循環風機等
這類風機的運行方式都是連續的，不間斷的，隨負荷的變化要經常進行調整的，其調節頻率是頻繁的。這一運行方式就要求所采用的變頻器應具有瞬停再啟動功能和飛車啟動功能。其變頻調節方式有三種方案：
（1）一拖一無工頻旁路方案，如見圖2所示。
圖2 一拖一方案
（2）一拖一手動工頻旁路方案如圖3所示。
圖3 一拖一手動工頻旁路方案
（3）一拖一自動工頻旁路方案如圖4所示。
圖4 一拖一自動方案
上述方案一的優點是回路簡單,缺點是萬一變頻故障將影響風機停運;方案二的優點是萬一變頻器故障可切換到工頻運行,但其缺點是必須降低鍋爐出力,停止風機運行進行切換,切換后再工頻啟動運行;方案三的優點是可以在運行中進行變頻與工頻的互切,完全適應風機運行方式需要。
4.2 汽機給水泵，凝結水泵等
這類水泵一般均按機組容量選配為100%額定容量兩臺，或50%額定容量三臺。其運行方式是一運一備或兩運一備，運行中需要根據負荷進行頻繁調節，根據這一運行特點則要求所采用的變頻器具有瞬停再啟動功能、飛車啟動功能和工變頻互切功能。其變頻調節方式有三種方案：
（1）一拖一方案（參見圖2）。
（2）一拖二方案如圖5所示。
圖5 自動切換一拖二方案
（3）一拖三方案如圖6所示。
圖6 一拖三方案
上述方案一的優點是回路簡單不需要進行切換，每臺泵都可變頻運行，缺點是每臺泵都需要裝一臺變頻器，初投資較高；方案二的優點是節省一臺變頻器，節省投資，采用一臺變頻器通過切換每臺泵都能變頻運行，其缺點是回路較復雜；方案三的優點是節省兩臺變頻器，節省投資，采用一臺變頻器通過切換，每臺泵都能變頻運行，其缺點是回路較復雜。
4.3 灰漿泵、循環水泵、熱網循環水泵等
這類水泵一般都屬并列運行方式，根據負荷需要運行一臺或兩臺，另一臺備用。這種母管制的系統無論幾臺泵都不需要一拖一安裝變頻器，只裝一臺變頻器就足夠了，一臺運行時變頻運行，兩臺運行時一臺工頻運行，一臺變頻運行，由變頻泵進行調節。其結線方式可選用一拖二方案或一拖三方案（其結構和圖5、圖6相似，請參見圖5和圖6）。
4.4 水泵、生活消防水泵、中間水泵、熱網補水泵、除鹽水泵、疏水泵、補水泵等
這類水泵無論裝有幾臺，均可采用一臺變頻器選用一變兩定。一臺運行時變頻器運行時（如圖7所示，兩臺運行時一變一定運行）或循環軟啟動接線方式，如圖8所示。一臺運行時變頻運行，變頻泵達到滿出力時自動切換到工頻運行，然后變頻啟動另一臺泵，變頻調節運行，一般可取壓力或水位做反饋信號實現閉環自動控制。
圖7 一變兩定方案
圖8 循環軟啟動方案
4.5 低加疏水泵、加藥泵、儀表空氣壓縮機、空氣壓縮機等這類泵和壓縮機宜采用一拖一變頻調節方式。
4.6 輸煤葉輪給煤機、鍋爐給煤機、給粉機等
這類機械屬于恒轉矩機械,應采用啟動轉矩較大的變頻器,一拖一變頻調速控制。
5 火力發電廠廠用電動機電壓選擇的商榷
《火力發電廠廠用電設計技術規定》中規定“當高壓廠用電壓為6kV 1級時，200kW以上的電動機可采用6kV；200kW以下宜采用380V。200kW左右的電動機可按工程的具體情況確定。”有鑒于此，當前運行中的火力發電廠和新建擴建火力發電廠的200kW及以上電動機均采用6kV；200kW以下電動機均采用380V。這一規定按制訂《火力發電廠廠用電設計技術規定》時的情況和條件，無疑是恰當的；但從當前國家提出降低能耗20%及應用變頻器降低火電廠輔機單耗的實際出發，值得商榷。在變頻器應用實踐中，以200kW為例高壓變頻器是低壓變頻器價格的2～3倍，高壓電動機造價是低壓電動機造價的兩倍。其高壓開關柜也高于低壓開關柜的兩倍。因此，以200kW分界無疑增加了工程造價。有鑒于此，可否在今后工程設計中，將電壓選擇改為:“當高壓廠用電壓6kV 1級時，630kW以上的電動機可采用6kV；630kW以下宜采用380V。這一選擇既有利于推廣應用變頻器，又有利于降低工程造價。
6 實現變頻技術改造節能降耗的關鍵是落實技改資金
變頻調速技術是當代先進、可靠、節能的調節方式；采用變頻器能夠大力降低火電廠廠用電率，實現節能降耗，對此人們是毫不懷疑的；但變頻器的推廣應用特別是高壓大功率變頻器的推廣應用，尚處于認識歸認識，應用歸應用階段。其關鍵是資金問題。對生產改造來說是技改資金問題；對新建擴建工程來說是控制千瓦造價問題。歸根結底是資金問題。如果把節能降耗提高到環保的高度，如除塵、脫硫項目必須同步建設的高度，問題就好解決了。對待節能降耗也能像對待環保那樣實行“三同時”方針，國家、政府、行業、設計、企業層層認真落實，“十一五”期間能源消耗降低20％左右的目標是能夠實現的。
國家有關部門應制定相應政策，像“農網”和“城網”改造那樣，為火力發電企業安排節能改造貸款，分期攤入成本，這樣有資金保證才能進行系統而有效的更新改造。“農網”、“城網”改造實踐證明這一舉措是行之有效的。
7 結束語
對新建擴建火力發電廠則應從設計上加以控制，其辦法是由國家相應部門做出法制性規定：“在“十一五”期間投產的新建擴建機組，其廠用電率都要比運行中的相同容量機組的廠用電率降低20%”。這樣，千瓦造價增加2～3%,用于更新改造就足夠了。經驗證明初投資增加部分，在投產后2-3年內即可收回。
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