600 MW 机组引风机高压变频改造

彭 勇，黄思源，张 志

（1.中国华能集团有限公司湖南分公司，湖南 长沙 410000；2.华能湖南岳阳发电有限责任公司，湖南 岳阳 414000）

1 引风机改造的可行性与必要性

随着我国工业的快速发展，我国在资源使用上存在严重的浪费现象，且环境污染日益加剧。近些年，世界各国对环境污染问题愈发重视，出台了一系列环境保护和资源节约政策，并不断进行技术攻关，但资源浪费问题和环境污染问题依然十分严峻。在我国电力系统中，火力发电依旧是最主要的发电方式，发电量约占总发电量的80%，装机容量约占电源结构中总装机容量的75%。煤是火电厂的主要燃料。燃煤会产生大量的烟尘和有害气体，严重污染环境。我国电网虽然发展迅猛，但居高不下的生产成本依旧在一定程度上制约了电力企业的发展。只有努力降低生产成本，电力企业才能在激烈的市场竞争中占据优势，实现可持续发展。因此，改善火电厂的资源浪费问题和环境污染问题是大势所趋，且迫在眉睫[1]。

火电厂发电过程中，风机、水泵等辅机设备的用电量约占火电厂用电总量的70%。所以，火电厂节能减排的工作重心是解决风机、水泵等辅机设备的能源消耗问题。火电厂对风机尝试了各种节能改造措施，主要有节流挡板调解、动静叶调节和转速调节。从效果上来说，节流挡板调节资源浪费严重；动静叶调节虽然能达到节能效果，但是结构复杂，并且对风机的磨损较为严重；相对来说，转速调节具有更好的节能效果。变频调速技术的不断发展，使火电厂风机实现转速调节成为可能。变频调速技术的关键是变频器。国外在20世纪80年代就实现了变频技术的突破，经过多年的发展，变频调速技术已经相当成熟。西门子公司、阿尔斯通公司、ABB公司、通用公司是国外十分知名的变频器生产商。与国外相比，国内变频器在研发方面还比较落后，尤其是在大功率变频器方面，与国外存在不小的差距。随着变频器行业资源的不断投入，国内也出现了北京利德华福、哈尔滨九州电气、广州智光、上海上广电等变频器知名企业。所以，对火电厂引风机进行高频改造的技术条件已经较为成熟。

2 引风机的作用和工作原理

2.1 引风机的作用

火电厂常用的风机种类主要有引风机、送风机、脱硫增压风机以及一次风机等。这里主要探讨引风机，其他风机不做讨论。煤粉在炉膛内充分燃烧，使热能转化为电能，这一过程会产生大量烟尘，需要一种设备把炉膛内的烟尘排出去，而引风机就是这样一种设备。引风机通过增大气压克服系统阻力，从尾部烟道吸出炉膛内的烟气和粉尘，经过脱硫处理后由烟囱排至大气。炉膛内煤粉的持续燃烧需要一定的负压环境。引风机在排除燃烧产生的烟尘的同时，还能保证炉膛内一直处于负压状态[2]。

2.2 引风机的工作原理

引风机的作用对象是气体。由流体力学可知，功率和气体流量、压力有密切关系。压力和气体流量的增大或减小，产生的功率也会随之发生变化。减少火电厂的能源消耗，具体就是减少电动机的电能消耗，就是要减小引风机的轴功率。用P表示引风机的轴功率，H表示引风机的出口压力，Q表示引风机出口的气体流量，K为常数，η1表示内效率，η2表示机械效率，引风机的工作特性可以表示为：

可知，引风机出口的气体流量Q、引风机的出口压力H与引风机的轴功率成正比关系，引风机出口的气体流量Q与引风机的出口压力H的乘积和引风机的轴功率也成正比关系。因此，要减少引风机的轴功率P，只需要减少引风机出口压力H或减少引风机出口气体流量Q。减少引风机出口气体流量的控制方法，以前主要是利用节流挡板进行流量调节，通过关小节流挡板实现对气体流量Q的控制。利用该方法虽然控制了引风机出口的气体流量Q，但是在风机转速保持恒定的情况下，减少引风机出口的气体流量Q，会相应增加风道阻力，从而增大引风机出口压力H。尽管达到了降低Q和H乘积的目的，但降低的幅度很小，并不能显著降低引风机的轴功率P。所以，这种调节方式并不能很好地实现节能效果。

转速调节。将引风机的转速用n表示，n1表示变化后的转速。相应地，Q1、H1、P1分别表示变化后的流量、出口压力和轴功率。由流体力学的知识可得：

可知，引风机的出口流量与转速成正比，引风机的出口压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。所以，只要降低引风机的转速，就可以显著降低轴功率。低引风机的转速可以大幅度降低功率，从而达到良好的节能减排效果。

3 高压变频器的工作原理

引风机的转速调节主要通过变频器实现。电源频率和引风机转速可以用式（5）表示，其中F表示电源频率，N表示引风机转速，P表示轴功率：

由式（5）可以看出，引风机转速与电源频率成正比关系，所以调节电源频率可以实现对引风机转速的控制。这种调速方式具有较强的稳定性，调速范围也较大，属于无级调速，既可以恒功率调速，也可以恒转矩调速。变频调速转速与频率成正比例线性关系。

3.1 变频器的电路组成

变频器由主电路和控制电路两部分组成。

3.1.1 变频器主电路

变频器主电路是电动机实现高压变频的电力设备，主要由整流器、逆变器和平波回路组成。电动机在运转过程中，整流器把工频电源转换为直流电源。二极管整流器是目前比较常用的一种整流器，但其过载能力不佳，在使用过程中容易出现过电流现象。逆变器与整流作用相反，是把直流电源转换为交流电源。在整流过程和逆变过程中，直流电压和脉冲电流中经常会伴有谐波产生，而直流电压会在谐波影响下发生波动。平波回路的作用是为了吸收整流和逆变过程中产生的谐波。

3.1.2 变频器控制电路

变频器控制电路的主要作用是通过一系列的运算、检测、驱动、放大等过程，为电动机主电路提供所需控制信号的电气回路。它主要包括运算电路、电动机速度检测电路、驱动电路以及电压电流检测电路等。变频器工作原理如图1所示。

图1 变频器系统

3.2 变频器的控制方式

变频器有多种控制方式：（1）可控整流器变压、变频器变频，这种变频模式通过不同的控制单元相互配合，调压和调频分步完成，虽然易于实现，但是不能很好地抑制谐波的产生；（2）直流斩波器调压、变频器变频，这种控制方式对谐波有一定的抑制作用，但是增加了斩波器对能量转换的步骤，会额外增加能量消耗，且会增加系统的故障率；（3）变频器自身调压、变频，在这种控制方式下，变频器自带的电子开关可以实现对电压的调整，逆变器开关的频率可以影响脉宽调制频率进而实现逆变，很好地降低了谐波的比例。第三种调节方式中间环节较少，原理简单，在火电厂风机调速中得到了广泛应用。

4 引风机高压变频改造注意事项

4.1 做好变频器的选型工作

目前，市场上的变频器主要有电流型变频器和电压源型变频器两种。实证分析证明，电压源型变频器能够更好地处理谐波现象，其输出侧采用多电平技术，可大范围适用于多种电机，有效解决了低压电机调速难的问题。该类型的变频器多模块的表现形式使得各个元件比较独立，某个模块出现问题并不影响其他模块的正常运行，使得该变频器的市场占有率很高，同时采购和维修也比较方便。所以，在变频器选型上，电压源型变频器是更好的选择。

另外，国外变频器生产商虽然在技术上比国内生产商更有优势，但是具体选择时要具体问题具体分析。国外变频器技术性能好，但是成本较高，备货周期较长，同时具有较高的操作难度，对我国的技术人员提出了更高要求。对于国内技术人员解决不了的问题，还需要国外技术员的远程支持。国内变频器虽然性能较差，但是价格便宜，售后服务更方便。具体选用何种变频器，要根据实际需要，经过大量调研，选择合适的变频器[3]。

4.2 加强技能培训，解决引风机高频改造过程中的技术难题

引风机的高频改造是一项技术含量非常高的工作，在实际改造中不可避免地会遇到大量的技术难题，如低频强风问题、共振问题、电极低频发热问题、电器差动保护问题等，都是引风机高频改造过程中的常见问题。这些问题可以通过技术改进得以解决。例如，低频抢风问题，控制引风机的流量使其大于极限流量就可顺利解决；对于低频发热问题，需要对冷却系统进行升级改造，增加冷却风量。此外，要加强对技术人员的技能培训，使其在实际操作过程中能够及时发现问题并加以解决，以免造成设备损坏和能源浪费。

5 结 论

引风机高压变频改造是当前火电厂解决能源浪费问题和环境污染问题的一项新技术。大量的调研和实践证明，这是一种可行的、经济性能良好的手段，未来必定在实际应用中得到普及和推广。