鼎盛億家襄陽高壓變頻器節(jié)能計算

1、鼎盛億家襄陽高壓變頻器節(jié)能計算摘要摘要摘要摘要：降低廠用電率，降低發(fā)電成本，提高上網(wǎng)電能的競爭力，已成為各火電廠努力追求的經(jīng)濟目標。近幾年電網(wǎng)的負荷峰谷差越來越大，頻繁的調(diào)峰任務(wù)使部分輔機仍然運行在工頻狀態(tài)下，造成大量電能流失。本文著重介紹了高壓變頻器的工作原理及實際運行情況的詳細節(jié)能分析，使我們對其節(jié)能效果以及典型風機水泵節(jié)能計算有了更進一步認識。因此得出結(jié)論高壓變頻調(diào)速技術(shù)的日趨成熟，在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，節(jié)能效果明顯。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：調(diào)速 高壓變頻器 功率單元 IGBT 節(jié)電率 一一一一、引言引言引言引言 眾所周知，高壓電動機的應(yīng)用極為廣泛，它是工礦企業(yè)中的主要動力，在冶金、

2、鋼鐵、化工、電力、水處理等行業(yè)的大、中型廠礦中，用于拖動風機、泵類、壓縮機及各種大型機械。其消耗的能源占電動機總能耗的70%以上，而且絕大部分都有調(diào)速的要求，由于高壓電機調(diào)速方法落后，浪費大量能源而且機械壽命降低。上世紀90年代，由于變頻調(diào)速技術(shù)在低壓電動機應(yīng)用得非常成功，人們開始研究高壓電動機變頻技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計了高-高電壓源型變頻技術(shù)方案。該方案采用多電平電路型式（CMSL），由若干個低壓PWM 變頻功率單元，以輸出電壓串聯(lián)方式（功率單元為三相輸入、單相輸出）來實現(xiàn)直接高壓輸出的方法。經(jīng)過我廠多方調(diào)研、比較，最后選擇同北京利德華福電氣技術(shù)有限公司合作。本文將從HARSVERT-A系列高壓變

3、頻器的工作原理及實際運行狀況兩方面分析河南新鄉(xiāng)豫新發(fā)電廠引風機、凝結(jié)水泵的節(jié)能情況。 二二二二、高壓變頻器的工作原理高壓變頻器的工作原理高壓變頻器的工作原理高壓變頻器的工作原理 （一）變頻器的結(jié)構(gòu)：現(xiàn)以6kV五級單元串聯(lián)多電平的高壓變頻器為例。 1系統(tǒng)主回路：內(nèi)部是由十五個相同的功率單元模塊構(gòu)成，每五個模塊為一組，分別對應(yīng)高壓回路的三相，單元供電由干式移相變壓器進行供電，原理如圖1。 圖1：變頻器的結(jié)構(gòu) 2功率單元構(gòu)成：功率單元是一種單相橋式變換器，由輸入干式變壓器的副邊繞組供電。經(jīng)整流、濾波后由4個IGBT以PWM方法進行控制（如圖2所示），產(chǎn)生設(shè)定的頻率波形。變頻器中所有的功率單元，電路的

4、拓撲結(jié)構(gòu)相同，實行模塊化的設(shè)計，控制通過光纖發(fā)送至單元控制板。原理框圖如圖3所示。 圖2：功率模塊輸出的正弦PWM波形 圖3：功率模塊電路結(jié)構(gòu) 3功率單元控制：來自主控制器的控制光信號，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，送到控制信號處理器，由控制電路處理器接收到相應(yīng)的指令后，發(fā)出相應(yīng)的IGBT的驅(qū)動信號，驅(qū)動電路接到相應(yīng)的驅(qū)動信號后，發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動電壓送到IGBT控制極，從而操作IGBT關(guān)斷和開通，輸出相應(yīng)波形。 功率單元中的狀態(tài)信息將被收集到應(yīng)答信號電路中進行處理，集中后經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器變換，以光信號向主控制器發(fā)送。 （二）變頻器工作原理 1.變頻器調(diào)速原理 按照電機學的基本原理，電機的轉(zhuǎn)速滿足如下的關(guān)系式： n

5、=(1-s)60f/p=n0（1-s）（P：電機極對數(shù)；f：電機運行頻率；s：滑差） 從式中看出，電機的同步轉(zhuǎn)速n0正比于電機的運行頻率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情況下比較?。?-0.05），電機的實際轉(zhuǎn)速n約等于電機的同步轉(zhuǎn)速n0，所以調(diào)節(jié)了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉(zhuǎn)速。電機的滑差s和負載有關(guān)，負載越大則滑差增加，所以電機的實際轉(zhuǎn)速還會隨負載的增加而略有下降。 2.變頻器結(jié)構(gòu)原理 無諧波高壓變頻器采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。6kV電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直流PWM電壓源型逆變

6、器結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串聯(lián)起來，形成Y接結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。以6kV輸出電壓等級為例，每相由五個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達3450V，線電壓達6kV左右。改變每相功率單元的串聯(lián)個數(shù)或功率單元的輸出電壓等級，就可以實現(xiàn)不同電壓等級的高壓輸出。每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實現(xiàn)多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。對于6kV電壓等級變頻器而言，給15個功率單元供電的15個二次繞組每三個一組，分為5個不同的相位組，互差12度電角度，形成30脈沖的整流電

7、路結(jié)構(gòu)，輸入電流波形接近正弦波，這種等值裂相供電方式使總的諧波電流失真低至1%左右，變頻器輸入的功率因數(shù)可達到0.95以上。原理如圖4所示。 圖4：單元串聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)圖 3變頻器輸出波形疊加原理： 高壓變頻器在運行后，將輸入的工頻的三相高壓交流電轉(zhuǎn)化為可以進行頻率可調(diào)節(jié)的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的設(shè)定進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，保持電機在不同的頻率下運行，而定子磁心中的主磁通常保持在額定水準，提高電機的轉(zhuǎn)換效率。因此多重疊加的應(yīng)用，高壓變頻器輸出電壓的諧波含量很低，已達到常規(guī)供電電壓允許的諧波含量，同時輸出電壓的dV/dt較小，不會增加電機繞組的應(yīng)力，可以向普通標準型交流電動機供電，不需要降容或加

8、輸出濾波電抗器，保證了高壓設(shè)備的通用性。多電平單元串聯(lián)疊加的三相波形如圖5所示。 圖5：多電平單元串聯(lián)疊加的三相輸出波形 圖5：多電平單元串聯(lián)疊加的三相輸出波形 三三三三、對對對對300MW機組引風機系統(tǒng)變頻節(jié)能分析機組引風機系統(tǒng)變頻節(jié)能分析機組引風機系統(tǒng)變頻節(jié)能分析機組引風機系統(tǒng)變頻節(jié)能分析 引風機屬于鍋爐輔機設(shè)備中的高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨機組負荷變化而變化，只有通過改變檔板的開度來調(diào)整風壓和風量，造成很大部分能量消耗在節(jié)流損失中。針對以上能源浪費的現(xiàn)象，采用高壓變頻技術(shù)對電廠重要用電設(shè)備進行技術(shù)改造，是電廠節(jié)能降耗提高競價上網(wǎng)競爭能力的有效途徑。 1現(xiàn)場情況介紹： 1）#2發(fā)電機組容

9、量：300MW 2）配置引風機數(shù)量：2臺 3）年運行時間：7920h 4）上網(wǎng)電價：0.25元 5）設(shè)備參數(shù)見下表1： 電動機 引風機 型號 YKK800-3-8 型號 AN28e6靜葉可調(diào)軸流引風機 電動機功率Pdn（kW） 2000 額定流量（m3/S） 258 電動機電壓U0（KV） 6 全壓（Pa） 4315 電動機電流I0（A） 254 電動機轉(zhuǎn)速n0（r/min） 746 功率因數(shù) 0.89 6） 發(fā)電機組不同負荷下引風機實際運行參數(shù)統(tǒng)計見下表2： 機組負荷（MW） 平均運行時間(%) 靜葉開度(%) 全壓（Pa） 電機電流(A) A引風機 B引風機 A引風機 B引風機 A引風機

10、B引風機 180 6 36.4 37.1 1419.34 1473.24 99.01 117.03 190 4 38.9 40.4 1558.41 1575.91 100.46 118.14 200 7 40.5 42.8 1701.89 1680.37 102.31 120.61 210 7 42.3 44.3 1804.92 1790.02 104.29 123.07 220 9 45.8 46.1 1889.11 1893.98 106.77 125.47 230 10 48.2 47.6 1987.83 1989.29 109.43 128.25 240 2 50.5 49.8 208

11、5.38 2096.32 112.23 130.45 250 7 52.5 53.4 2146.67 2169.91 114.04 132.21 260 6 55.4 56.1 2301.87 2313.34 117.37 135.16 270 7 57.9 60.4 2491.81 2538.13 122.81 138.02 280 8 61.8 64.7 2682.38 2792.18 125.63 142.81 290 6 64.1 67.3 2844.12 3009.46 132.11 148.14 300 21 67.3 70.2 3056.13 3265.79 140.06 154

12、.39 2工頻狀態(tài)下的年耗電量計算： Pd：電動機總功率 ；PA：A電動機功率 ；PB：B電動機功率；IA：A電動機輸入電流 ；IB：B電動機輸入電流 ；U：電動機輸入電壓 ； cos：功率因子。 計算公式：PA = UIAcos ；PB= UIBcos ； 則Pd =PA+PB = U(IA+IB)cos 電動機在工頻狀態(tài)下，引風機電動機實際功耗計算值見下表3： 機組負荷（MW） 平均運行時間(%) A引風機電流(A) B引風機電流(A) 功率因數(shù) 兩臺引風機 工頻總功率（kW） 180 6 99.01 117.03 0.78 1751.17 190 4 100.46 118.14 0.79

13、 1794.64 200 7 102.31 120.61 0.8 1853.27 210 7 104.29 123.07 0.81 1913.81 220 9 106.77 125.47 0.82 1979.02 230 10 109.43 128.25 0.83 2050.08 240 2 112.23 130.45 0.83 2093.20 250 7 114.04 132.21 0.83 2124.00 260 6 117.37 135.16 0.85 2230.65 270 7 122.81 138.02 0.86 2331.07 280 8 125.63 142.81 0.87 24

14、26.98 290 6 131.11 147.14 0.88 2544.59 300 21 139.06 153.39 0.89 2704.84 Cd：年耗電量值 ；T：年運行時間 ；：單負荷運行時間百分比。 累計年耗電量公式：Cd= T（Pd） Cd =17630523 kW·h 因此，采用工頻運行時，每年引風機系統(tǒng)耗電量約為1763.05萬度電。 3變頻狀態(tài)下的年耗電量計算： 風機設(shè)備屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Qn ，Hn2，Pn3；即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。 通過對引風機工頻運行數(shù)據(jù)中總功率和擋

15、板平均開度之間關(guān)系的變化趨勢分析，可以看出擋板開度和總功率之間略呈線性關(guān)系。 現(xiàn)取A、B引風機在200、300MW負荷點的平均開度百分比和電機總功率數(shù)據(jù)對100開度情況下的總耗電功率數(shù)據(jù)特性趨勢進行計算，并且推測出100開度情況下的兩臺引風機總耗電功率值。 在200MW機組負荷下，兩臺引風機的平均靜葉開度為（40.5+42.8）/2=41.65 在300MW機組負荷下，兩臺引風機的平均靜葉開度為（67.3+70.2）/2=68.75 即：100擋板開度下兩臺引風機總耗電功率值為3472kW。 P：電動機實際總功率；P100：電動機100擋板開度時總功率；H：風機實際風壓；H0：額定風壓。 通過

16、風機數(shù)據(jù)，依據(jù) 公式可依次求得引風機在采用變頻調(diào)速運行時各負荷對應(yīng)的風機總功耗P。 若考慮到電機效率和變頻器效率，則網(wǎng)側(cè)功率損耗 ， 電動機效率 與電動機負荷率之間的關(guān)系如圖6所示。 圖6：電動機效率與負荷率關(guān)系曲線 變頻器效率 與電動機負荷率之間的關(guān)系如圖7所示。 圖7：變頻器效率與負荷率關(guān)系曲線 電動機在變頻狀態(tài)下，引風機變頻功耗計算值見下表4： 機組負荷 （MW） 平均運行時間 (%) A引風機全壓（Pa） B引風機全壓（Pa） 電機效率 變頻器效率 兩臺引風機網(wǎng)側(cè)總功率（kW） 180 6 1419.34 1473.24 0.92 0.94 779.17 190 4 1558.41 1

17、575.91 0.92 0.94 878.755 200 7 1701.89 1680.37 0.93 0.95 964.215 210 7 1804.92 1790.02 0.93 0.95 1056.57 220 9 1889.11 1893.98 0.93 0.95 1140.58 230 10 1987.83 1989.29 0.94 0.95 1216.37 240 2 2085.38 2096.32 0.94 0.95 1311.42 250 7 2146.67 2169.91 0.94 0.96 1361.06 260 6 2301.87 2313.34 0.95 0.96 14

18、88.87 270 7 2491.81 2538.13 0.95 0.96 1694.05 280 8 2682.38 2792.18 0.95 0.96 1923.79 290 6 2844.12 3009.46 0.95 0.96 2127.31 300 21 3056.13 3265.79 0.95 0.96 2387.93 Cd：年耗電量值 ；T：年運行時間 ；：單負荷運行時間百分比 。 累計年耗電量公式：Cd= T（Pd） Cd =12355757 kW·h 因此，采用變頻運行時，每年引風機系統(tǒng)耗電量約為1235.58萬度電。 4節(jié)能計算： 引風機變頻改造后得出下表5的數(shù)據(jù)

19、及下圖8的效果圖： 機組負荷 工頻總功率（kW） 變頻總功率（kW） 節(jié)電率（%） 180 1751.17 779.17 55.51 190 1794.64 878.755 51.03 200 1853.27 964.215 47.97 210 1913.81 1056.57 44.79 220 1979.02 1140.58 42.37 230 2050.08 1216.37 40.67 240 2093.20 1311.42 37.35 250 2124.00 1361.06 35.92 260 2230.65 1488.87 33.25 270 2331.07 1694.05 27.33

20、 280 2426.98 1923.79 20.73 290 2544.59 2127.31 16.40 300 2704.84 2387.93 11.72 圖8：引風機系統(tǒng)節(jié)能效果圖 年節(jié)電量：?C= CdCb = 1763.051235.58=527.47萬kW·h 機組平均節(jié)電率：（?C/Cd）100% =（527.47/1763.05）100% =29.92% 按照2006年至2007年1年的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析，年運行時間7920小時，平均負荷250MW, 2機組引風機系統(tǒng)經(jīng)變頻改造后，每年可節(jié)約527.47萬度，按照上網(wǎng)電價0.25元計算，折合發(fā)電成本：527.470.2

21、5=131.87萬元。 四四四四、對對對對300MW機組凝結(jié)水泵變頻的節(jié)能分析機組凝結(jié)水泵變頻的節(jié)能分析機組凝結(jié)水泵變頻的節(jié)能分析機組凝結(jié)水泵變頻的節(jié)能分析 300MW機組(燃煤)設(shè)計配有兩臺NLT350-4006立式凝結(jié)水泵，配用額定功率1120kW /6kV的YKSL500-4型電動機，電機無調(diào)速裝置，靠改變凝結(jié)水母管調(diào)節(jié)門開度來控制流量。 1凝結(jié)泵現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)： 1）#2發(fā)電機組容量：300 MW 2）配置凝結(jié)水泵數(shù)量：2 臺（1用1備） 3）凝結(jié)泵參數(shù)見下表6： 水泵型號 NLT350-4006 功 率（Pb） 1120kW 額定流量（qv,max） 745m3/h 效 率（） 0.7

22、8 額定揚程（H） 321 m 水位高度差（H0） 0.23 m 4）配套電機參數(shù)見下表7： 電動機型號 YKSL500-4 額定電壓（U0） 6kV 額定功率（Pdn） 1120kW 效 率（） 0.94 額定電流（I0） 125.5A 功率因數(shù)（cos） 0.9 轉(zhuǎn) 速（n0） 1486r/min 5）發(fā)電機組不同負荷下凝結(jié)水泵運行參數(shù)統(tǒng)計見下表8： 機組負荷（MW） 200 220 250 280 300 平均運行時間(%) 8.0 8.1 20.7 17.5 45.7 調(diào)節(jié)門開度（%） 62.5 67.7 73.2 82.6 88.3 凝結(jié)水流量（t/h） 557.0 595.5 63

23、7.1 702.1 749.6 電機電流（A） 88.6 90.7 92.6 95.9 98.5 除氧器壓力（MPa） 0.43 0.51 0.59 0.67 0.72 母管壓力（MPa） 3.28 3.26 3.19 3.11 3.07 6）除氧器水位：2.44m 7）凝結(jié)水箱水位：2.21m 8） 發(fā)電機組電價： 上網(wǎng)電價：0.25元/kW·h 9）全年工作時間：7000h 2工頻狀態(tài)下的年耗電量計算： Pd：電動機總功率 ；I：電動機輸入電流 ； d：電動機效率 ； U：電動機輸入電壓 ； cos：功率因子。 計算公式：Pd = UIcos 電動機在工頻狀態(tài)下，各負荷電動機實際

24、功耗計算值見下表9： 機組負荷（MW） 200 220 250 280 300 平均運行時間(%) 8.0 8.1 20.7 17.5 45.7 電機電流(A) 88.6 90.7 92.6 95.9 98.5 工頻功耗(kW) 828.6 848.3 866.1 896.9 921.2 Cd：年耗電量值 ；T：年運行時間 ；：單負荷運行時間百分比 。 累計年耗電量公式：Cd= T（Pd） Cd =6245793.29 kW·h 因此，采用工頻運行時，每年凝結(jié)泵耗電量約為624.58萬度電。 3變頻狀態(tài)下的年耗電量計算： Pd：電動機軸功率 ； P：凝結(jié)泵軸功率 ； d：電動機效率

25、； b：變頻器效率； f：泵效率 ；Q：泵出口流量 ；H：泵出口壓力 ；Hst：泵靜揚程；：泵特性系數(shù)。 因為凝結(jié)水泵與電動機軸直接連接，則傳動效率為1； Pd= P 電動機功率： 凝結(jié)水泵軸功率：P= 將除氧器壓力換算成泵揚程值Hst，和泵出入口水位高度差求得運行平均靜揚程：Hst = （Hst）+ H0 =64.64m。 將100%閥門開度的預(yù)期工作壓力H=298m、流量Q=830 m3/h代入管路特性曲線可由公式：Hc= Hst ，得 =3.3810-4；即管路特性曲線Hc= 64.63.3810-4 。 將各負荷情況下的流量Q代入公式、，可求出泵的出口壓力H；具體數(shù)值見下表10： 機組負荷（MW） 200 220 250 280 300 平均運行時間(%) 8.0 8.1 20.7 17.5 45.7 凝結(jié)水流量（t/h） 557.0 595.5 637.1 702.1 749.6 泵出口壓力（m） 169.73 184.76 202.13 231.62 254.98 4凝結(jié)泵變頻調(diào)速情況下的功耗計算： 將凝結(jié)泵在100開度情況下的預(yù)期工況值代