火力發(fā)電廠采用變頻器可以有效實(shí)現(xiàn)節(jié)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(jìn)行了火力發(fā)電廠輔機(jī)節(jié)能分析；介紹了火電廠輔機(jī)變頻調(diào)節(jié)方案；對(duì)火電廠廠用電壓的選擇提出了商榷意見(jiàn)；指出了節(jié)能降耗變頻改造的關(guān)鍵是落實(shí)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(guān)鍵詞： 火電廠 變頻器 節(jié)能降耗
1 引言
一次能源是不可再生的國(guó)家資源，節(jié)約是國(guó)家的基本國(guó)策。
節(jié)能降耗則是國(guó)家的長(zhǎng)遠(yuǎn)方針。溫家寶總理2006年3月5日在全國(guó)人民代表大會(huì)第四次會(huì)議政府工作報(bào)告中提出：“2006年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的主要預(yù)期目標(biāo)是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值增長(zhǎng)8%左右，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低4%左右”。“十一五”規(guī)劃《綱要（草案）》提出了“十一五”期間單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低20%?；痣姀S是生產(chǎn)供應(yīng)電能的重要企業(yè)，同時(shí)又是電能消耗較大的企業(yè)。對(duì)發(fā)電企業(yè)說(shuō)來(lái)，降低能源消耗20%，包含著發(fā)電煤耗和廠用電率兩部分。這里發(fā)電煤耗姑且不論，廠用電率降低20%也是個(gè)可觀的數(shù)字。
2 全國(guó)火電廠廠用電率降低20%的意義
全國(guó)火電廠廠用電率降低20%，就相當(dāng)于新增6200MW裝機(jī)容量，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1300萬(wàn)t。
近年來(lái)設(shè)計(jì)建設(shè)的發(fā)電工程與老舊機(jī)組比應(yīng)該是更先進(jìn)更節(jié)能的,應(yīng)該是代表我國(guó)當(dāng)前機(jī)組的先進(jìn)水平的。初步統(tǒng)計(jì)300MW-600MW機(jī)組設(shè)計(jì)廠用電率在6～7%,200MW及以下機(jī)組一般在7～8%,老舊機(jī)組廠用電率一般高于8～9%,2005年末我國(guó)裝機(jī)容量已達(dá)到5億kW（摘自2005年12月30日經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)）,其中水電機(jī)組1億kW,火電機(jī)組4億kW,火電機(jī)組中300MW以上機(jī)組占42%,300MW以下機(jī)組為58%,若300MW以上機(jī)組廠用率平均按6.5%,300MW以下機(jī)組廠用電率平均按8.5%計(jì),則平均廠用電率為7.7%,其廠用電為3100萬(wàn)kW,若按照“十一五”規(guī)劃《綱要（草案）》要求能源消耗降低20%（7.7%×20%=1.54%）,則可節(jié)約6200MW,相當(dāng)于新增6200MW裝機(jī)容量。新建300-600MW機(jī)組造價(jià)平均按3800元/kW計(jì),可折合人民幣240億元?？梢?jiàn),如能將全國(guó)火電機(jī)組的廠用電率,在原有基礎(chǔ)上降低1.54%（從7.7%降到6.16%）,就相當(dāng)于新增6200MW裝機(jī)容量（2004年全國(guó)平均供電煤耗為387g/kW。這里以380g/kW計(jì),節(jié)約620萬(wàn)kW則年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1300萬(wàn)t）,也就相當(dāng)于節(jié)約240億元投資,相應(yīng)地降低了土地占用及相應(yīng)的煤、電消耗,也相應(yīng)地降低水資源和相應(yīng)的材料、機(jī)電設(shè)備等。
3 火力發(fā)電廠輔機(jī)節(jié)能分析
火力發(fā)電廠輔機(jī)很多，6.5～8.5%的自用電量都是這些輔機(jī)消耗的。如果抓住了輔機(jī)的節(jié)能降耗，降低了每臺(tái)輔機(jī)的單耗就達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。
縱觀火力發(fā)電廠輔機(jī)，不外有兩種狀態(tài)，一是需要調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載（送、引風(fēng)機(jī)，凝結(jié)水泵等），一是不需要調(diào)節(jié)的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（如球磨機(jī)、輸煤皮帶等）。當(dāng)前國(guó)內(nèi)運(yùn)行中和新建、在建中的火力發(fā)電廠，除個(gè)別輔機(jī)采用了液力耦合器（與先進(jìn)的變頻調(diào)速比較液力耦合器也屬于高能耗設(shè)備）或極少數(shù)輔機(jī)采用了變頻器調(diào)節(jié)外，大多沿用著應(yīng)加快淘汰的高耗能（節(jié)流調(diào)節(jié)）工藝和設(shè)備。
節(jié)流調(diào)節(jié)是在風(fēng)機(jī)、水泵特性曲線(xiàn)為不變的條件下,改變風(fēng)機(jī)、水泵出口門(mén)（或入口的門(mén)）進(jìn)行調(diào)節(jié),即改變管道特性曲線(xiàn)進(jìn)行調(diào)節(jié),這一調(diào)節(jié)方式的損耗是很大的。
變頻調(diào)節(jié)是在管道特性不變的條件下，通過(guò)改變轉(zhuǎn)速而改變特性曲線(xiàn)，來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。由于風(fēng)機(jī)和水泵的耗電量是和其轉(zhuǎn)速的三次方成正比的，所以其節(jié)電量是很可觀的。由相似定律知，采用變頻調(diào)節(jié)的電動(dòng)機(jī)的功耗為：N=（n/n0）3N0
式中： N0 —額定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)的實(shí)際耗電量；
n0 —額定轉(zhuǎn)數(shù)；
n —調(diào)節(jié)后的轉(zhuǎn)數(shù)；
N —調(diào)節(jié)后對(duì)應(yīng)n轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)的實(shí)際耗電量。
變頻調(diào)節(jié)時(shí)的節(jié)電量為：
ΔN=N0-（n/n0）3N0
變頻調(diào)節(jié)時(shí)節(jié)電量用百分?jǐn)?shù)表示則為：
ΔN%=（1-n3/n03）×100%
由上式,若轉(zhuǎn)速較額定轉(zhuǎn)速下降到90%,則ΔN%=27.1% 下降到80%，則ΔN%=48.4%，可見(jiàn)，變頻調(diào)節(jié)的節(jié)電率是很高的，這一點(diǎn)從節(jié)流調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)的特性曲線(xiàn)上也可以得到證明，如圖1所示。
圖1 風(fēng)機(jī)水泵特性曲線(xiàn)
通過(guò)上述分析，可以證明，變速調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)能。要實(shí)現(xiàn)火電廠的節(jié)能降耗，對(duì)老舊機(jī)組來(lái)說(shuō)，就是對(duì)輔機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造，對(duì)新建擴(kuò)建電廠來(lái)說(shuō)，就是要采用變頻調(diào)節(jié)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的調(diào)節(jié)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(jié)流調(diào)節(jié)流量到Q1時(shí)的耗電量，O,H1′,M1′,Q1圍成的面積是變速到n1=950r/min對(duì)應(yīng)流量為Q1時(shí)的耗電量。
4 火電廠各類(lèi)輔機(jī)變頻調(diào)節(jié)方案簡(jiǎn)介
4.1 鍋爐吸風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、排粉機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)等
這類(lèi)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式都是連續(xù)的，不間斷的，隨負(fù)荷的變化要經(jīng)常進(jìn)行調(diào)整的，其調(diào)節(jié)頻率是頻繁的。這一運(yùn)行方式就要求所采用的變頻器應(yīng)具有瞬停再啟動(dòng)功能和飛車(chē)啟動(dòng)功能。其變頻調(diào)節(jié)方式有三種方案：
（1）一拖一無(wú)工頻旁路方案，如見(jiàn)圖2所示。
圖2 一拖一方案
（2）一拖一手動(dòng)工頻旁路方案如圖3所示。
圖3 一拖一手動(dòng)工頻旁路方案
（3）一拖一自動(dòng)工頻旁路方案如圖4所示。
圖4 一拖一自動(dòng)方案
上述方案一的優(yōu)點(diǎn)是回路簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是萬(wàn)一變頻故障將影響風(fēng)機(jī)停運(yùn);方案二的優(yōu)點(diǎn)是萬(wàn)一變頻器故障可切換到工頻運(yùn)行,但其缺點(diǎn)是必須降低鍋爐出力,停止風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行切換,切換后再工頻啟動(dòng)運(yùn)行;方案三的優(yōu)點(diǎn)是可以在運(yùn)行中進(jìn)行變頻與工頻的互切,完全適應(yīng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式需要。
4.2 汽機(jī)給水泵，凝結(jié)水泵等
這類(lèi)水泵一般均按機(jī)組容量選配為100%額定容量?jī)膳_(tái)，或50%額定容量三臺(tái)。其運(yùn)行方式是一運(yùn)一備或兩運(yùn)一備，運(yùn)行中需要根據(jù)負(fù)荷進(jìn)行頻繁調(diào)節(jié)，根據(jù)這一運(yùn)行特點(diǎn)則要求所采用的變頻器具有瞬停再啟動(dòng)功能、飛車(chē)啟動(dòng)功能和工變頻互切功能。其變頻調(diào)節(jié)方式有三種方案：
（1）一拖一方案（參見(jiàn)圖2）。
（2）一拖二方案如圖5所示。
圖5 自動(dòng)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(yōu)點(diǎn)是回路簡(jiǎn)單不需要進(jìn)行切換，每臺(tái)泵都可變頻運(yùn)行，缺點(diǎn)是每臺(tái)泵都需要裝一臺(tái)變頻器，初投資較高；方案二的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省一臺(tái)變頻器，節(jié)省投資，采用一臺(tái)變頻器通過(guò)切換每臺(tái)泵都能變頻運(yùn)行，其缺點(diǎn)是回路較復(fù)雜；方案三的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省兩臺(tái)變頻器，節(jié)省投資，采用一臺(tái)變頻器通過(guò)切換，每臺(tái)泵都能變頻運(yùn)行，其缺點(diǎn)是回路較復(fù)雜。
4.3 灰漿泵、循環(huán)水泵、熱網(wǎng)循環(huán)水泵等
這類(lèi)水泵一般都屬并列運(yùn)行方式，根據(jù)負(fù)荷需要運(yùn)行一臺(tái)或兩臺(tái)，另一臺(tái)備用。這種母管制的系統(tǒng)無(wú)論幾臺(tái)泵都不需要一拖一安裝變頻器，只裝一臺(tái)變頻器就足夠了，一臺(tái)運(yùn)行時(shí)變頻運(yùn)行，兩臺(tái)運(yùn)行時(shí)一臺(tái)工頻運(yùn)行，一臺(tái)變頻運(yùn)行，由變頻泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。其結(jié)線(xiàn)方式可選用一拖二方案或一拖三方案（其結(jié)構(gòu)和圖5、圖6相似，請(qǐng)參見(jiàn)圖5和圖6）。
4.4 水泵、生活消防水泵、中間水泵、熱網(wǎng)補(bǔ)水泵、除鹽水泵、疏水泵、補(bǔ)水泵等
這類(lèi)水泵無(wú)論裝有幾臺(tái)，均可采用一臺(tái)變頻器選用一變兩定。一臺(tái)運(yùn)行時(shí)變頻器運(yùn)行時(shí)（如圖7所示，兩臺(tái)運(yùn)行時(shí)一變一定運(yùn)行）或循環(huán)軟啟動(dòng)接線(xiàn)方式，如圖8所示。一臺(tái)運(yùn)行時(shí)變頻運(yùn)行，變頻泵達(dá)到滿(mǎn)出力時(shí)自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行，然后變頻啟動(dòng)另一臺(tái)泵，變頻調(diào)節(jié)運(yùn)行，一般可取壓力或水位做反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制。
圖7 一變兩定方案
圖8 循環(huán)軟啟動(dòng)方案
4.5 低加疏水泵、加藥泵、儀表空氣壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)等這類(lèi)泵和壓縮機(jī)宜采用一拖一變頻調(diào)節(jié)方式。
4.6 輸煤葉輪給煤機(jī)、鍋爐給煤機(jī)、給粉機(jī)等
這類(lèi)機(jī)械屬于恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械,應(yīng)采用啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大的變頻器,一拖一變頻調(diào)速控制。
5 火力發(fā)電廠廠用電動(dòng)機(jī)電壓選擇的商榷
《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中規(guī)定“當(dāng)高壓廠用電壓為6kV 1級(jí)時(shí)，200kW以上的電動(dòng)機(jī)可采用6kV；200kW以下宜采用380V。200kW左右的電動(dòng)機(jī)可按工程的具體情況確定?！庇需b于此，當(dāng)前運(yùn)行中的火力發(fā)電廠和新建擴(kuò)建火力發(fā)電廠的200kW及以上電動(dòng)機(jī)均采用6kV；200kW以下電動(dòng)機(jī)均采用380V。這一規(guī)定按制訂《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》時(shí)的情況和條件，無(wú)疑是恰當(dāng)?shù)?；但從?dāng)前國(guó)家提出降低能耗20%及應(yīng)用變頻器降低火電廠輔機(jī)單耗的實(shí)際出發(fā)，值得商榷。在變頻器應(yīng)用實(shí)踐中，以200kW為例高壓變頻器是低壓變頻器價(jià)格的2～3倍，高壓電動(dòng)機(jī)造價(jià)是低壓電動(dòng)機(jī)造價(jià)的兩倍。其高壓開(kāi)關(guān)柜也高于低壓開(kāi)關(guān)柜的兩倍。因此，以200kW分界無(wú)疑增加了工程造價(jià)。有鑒于此，可否在今后工程設(shè)計(jì)中，將電壓選擇改為:“當(dāng)高壓廠用電壓6kV 1級(jí)時(shí)，630kW以上的電動(dòng)機(jī)可采用6kV；630kW以下宜采用380V。這一選擇既有利于推廣應(yīng)用變頻器，又有利于降低工程造價(jià)。
6 實(shí)現(xiàn)變頻技術(shù)改造節(jié)能降耗的關(guān)鍵是落實(shí)技改資金
變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)代先進(jìn)、可靠、節(jié)能的調(diào)節(jié)方式；采用變頻器能夠大力降低火電廠廠用電率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，對(duì)此人們是毫不懷疑的；但變頻器的推廣應(yīng)用特別是高壓大功率變頻器的推廣應(yīng)用，尚處于認(rèn)識(shí)歸認(rèn)識(shí)，應(yīng)用歸應(yīng)用階段。其關(guān)鍵是資金問(wèn)題。對(duì)生產(chǎn)改造來(lái)說(shuō)是技改資金問(wèn)題；對(duì)新建擴(kuò)建工程來(lái)說(shuō)是控制千瓦造價(jià)問(wèn)題。歸根結(jié)底是資金問(wèn)題。如果把節(jié)能降耗提高到環(huán)保的高度，如除塵、脫硫項(xiàng)目必須同步建設(shè)的高度，問(wèn)題就好解決了。對(duì)待節(jié)能降耗也能像對(duì)待環(huán)保那樣實(shí)行“三同時(shí)”方針，國(guó)家、政府、行業(yè)、設(shè)計(jì)、企業(yè)層層認(rèn)真落實(shí)，“十一五”期間能源消耗降低20％左右的目標(biāo)是能夠?qū)崿F(xiàn)的。
國(guó)家有關(guān)部門(mén)應(yīng)制定相應(yīng)政策，像“農(nóng)網(wǎng)”和“城網(wǎng)”改造那樣，為火力發(fā)電企業(yè)安排節(jié)能改造貸款，分期攤?cè)氤杀?，這樣有資金保證才能進(jìn)行系統(tǒng)而有效的更新改造。“農(nóng)網(wǎng)”、“城網(wǎng)”改造實(shí)踐證明這一舉措是行之有效的。
7 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)新建擴(kuò)建火力發(fā)電廠則應(yīng)從設(shè)計(jì)上加以控制，其辦法是由國(guó)家相應(yīng)部門(mén)做出法制性規(guī)定：“在“十一五”期間投產(chǎn)的新建擴(kuò)建機(jī)組，其廠用電率都要比運(yùn)行中的相同容量機(jī)組的廠用電率降低20%”。這樣，千瓦造價(jià)增加2～3%,用于更新改造就足夠了。經(jīng)驗(yàn)證明初投資增加部分，在投產(chǎn)后2-3年內(nèi)即可收回。
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