摘要

   電力是當今社會最重要的能源，我過目前的裝機容量和發(fā)電容量均是世界第一的；我國已有火電、水電、核電等在內的多種發(fā)電方式。但是清潔能源在我國電力結構當中占比不是很高，火力發(fā)電仍然是我國最重要的發(fā)電方式，火力發(fā)電大約占總發(fā)電量的70%左右；一段時期內，火力發(fā)電在我國電力生產中仍占主導地位?；鹆Πl(fā)電廠自身也是用電大戶，因此發(fā)電廠用電率的高低是影響供電煤耗和發(fā)電成本的主要因素之一。而直接影響發(fā)電廠用電率的，是風機、泵類等大容量輔機的運行特性，因此本文就電廠的各種電氣產品為研究目標，力求得出最節(jié)能的解決方案，降低發(fā)電廠自身的能耗比。

1、前言

   廠用電率是電廠主要技術經濟指標之一，我國電力行業(yè)一般認為是發(fā)電廠電力生產過程中所必需的自用電量占發(fā)電量的百分比。目前我國火電廠機組容量約50%在300MW以下，這些中小機組的廠用電率長期維持在8%左右，直接造成資源浪費。但是經過多年的發(fā)展，以及新型電氣設備的使用，可以大大降低廠用電率，下文將結合具體的設備分析。

2、廠用電分析

   火電廠的廠用電率有三種分類：綜合廠用電率，發(fā)電廠用電率和輔助廠用電率。其中，綜合廠用電率是后兩者之和。發(fā)電廠用電率是火電廠在發(fā)電過程中的自用電量占發(fā)電量的百分比，是廠用電消耗水平的具體反應。主要由鍋爐的吸風機、送風機、制粉系統(tǒng)、一次風機，汽輪機的電動給水泵、凝結水泵、循環(huán)水泵以及除灰系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、水源系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)等用電量組成，約占綜合廠用電量的90%左右。輔助廠用電率是指火電廠生產過程中配電設備的損耗及生產辦公、設備檢修所消耗的電量占發(fā)電量的百分比。這部分電量消耗相對穩(wěn)定，約占綜合廠用電量的10%左右。發(fā)電廠用電率含量較大，是火力發(fā)電廠的主要經濟運行指標，它表征著機組是否運行在最佳工況。我國常說的廠用電率是指發(fā)電廠用電率。

   廠用電的構成中，圍繞發(fā)電機組的正常運行，有一整套的電氣系統(tǒng)，這整套的系統(tǒng)很復雜，所用電機也多，因此廠用電也主要消耗于此，主要包括高壓電機和低壓電機兩部分。其中的風機、水泵等大型主要輔助設備所用的高壓大功率電機的用電量約占廠用電率的65%，是火電廠的主要耗能設備。所以，要降低廠用電率，主要應從這些設備的節(jié)能降耗入手。

圖1.廠用電氣系統(tǒng)常見高低壓輔機

3、調速原因

   由電力拖動原理可知，風機和水泵類負載屬平方轉矩負載:即電動機軸上的轉矩與其轉速的平方成正比[即]。按照流體機械的相似規(guī)律，當風機的靜壓等于零或水泵的靜揚程等于零時，風機與水泵的流量與轉速成正比，其出口壓強與轉速的平方成正比，而電動機軸功率則與轉速的立方成正比:

   如果流量下降到額定流量的80%，電動機軸功率將下降到額定值的51.2%;如果流量下降到額定流量的60%，則軸功率將下降到額定值的21.6%。即使考慮到調速裝置本身的損耗等因素，其節(jié)電效果也是十分可觀的?？梢婏L機、水泵采用調速驅動是一種非常有效的節(jié)能方式，因為大多數風機和水泵都需要根據發(fā)電機組負荷的變化調節(jié)流量，對于調峰機組則尤其如此。為這類機組配套的各類風機、水泵均應采用調速驅動，以獲得最佳節(jié)能效果。經試驗證明，對于風機和水泵類負載，采用轉速調節(jié)可以節(jié)電20%~50%。因此可以看出采用高壓變頻器能夠達到非常良好的節(jié)能效果。

4、高壓變頻器

   由于以前高壓變頻器的功率有限，而且價格昂貴，大多以國外品牌為主，售后沒有保障，但是高壓調速使用的地方恰好又是關鍵的工藝點，所有在很多大功率場合都采用液力耦合器調速這種機械調速方式，給高壓變頻器的普及以及節(jié)能改造帶來了困難；但是目前國內已經有多家企業(yè)能自主研發(fā)生產高壓變頻器了。

   高壓變頻器在技術上主要采用：一、低耐壓器件的多重化技術；二、高耐壓器件的多電平技術。一般以第一種使用較多，采用級聯擴容方式的高壓變頻器又叫完美無諧波變頻器。單元串聯多電平技術就是采用多組低電壓小功率IGBT，PWM變頻單元串聯輸出為高壓變頻器，實現大功率集成。其特點是由低壓的功率器件所組成的功率單元相串聯，從而實現高壓的輸出。它的結構簡圖如下：

圖2功率單元級聯線高壓變頻器結構簡圖

   級聯型高壓變頻器的原理是采用移相變壓器，該變頻器對電網諧波污染小，輸入功率因數高，不必采用輸入濾波器和功率因數補償裝置。輸出的波形好，不存在由諧波引起的電動機附加發(fā)熱和轉矩脈動、噪聲、輸出du/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電動機。同時這種形式的高壓變頻器帶來兩個很大的優(yōu)勢：

圖3級聯型高壓變頻器拓撲圖

   1.高可靠性，每一個功率單元都是一個小型的低壓變頻器，每相的電壓由功率單元的輸出電壓疊加而成，當一個功率單元出現故障后，只會使相電壓降低，通過旁路切除后系統(tǒng)能繼續(xù)運行，不會出現一個單元損壞而導致其它單元損壞的連環(huán)故障。

   2.此種方式的高壓變頻器解決了對電網的污染問題，功率因數高。高壓電經過移相變壓器的移相變壓后，給功率單元供電的二次繞組相互存在一個相位差，可以實現輸入電壓多重化。以6KV變頻器為例，每相由6個額定電壓為577V的功率單元串聯，三相共有18個功率單元，分別由輸入隔離變壓器的18個二次繞組供電，18個二次繞組分3組，每組之間存在相位差，形成相當于18脈沖整流。使得電壓總畸變率只有3%，電流總畸變率小于4%。

   3.輸出電流波形完美，逆變器輸出采用多電平移相式PWM控制技術，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，du/dt很小，使得電動機絕緣不會受到影響。功率單元采用較低的開關頻率，以降低開關損耗，且可以不用浪涌吸收電路，提高變頻器的功率。由于采取多電平移相式PWM，等效輸出開關頻率很高，且輸出電平數增加，可大大改善輸出波形，降低輸出諧波，諧波引起的電動機發(fā)熱、噪聲和轉矩脈動都大大降低。所以這種變頻器對電動機沒有特殊的要求，可用于普通的高壓電動機，也可以用于舊電動機，且不必降額使用。由于輸出du/dt較低，不會產生輸出電纜較長時行波反射引起的浪涌電壓增加而造成的電動機絕緣破壞問題，所以對變頻器輸出至電動機之間的電纜長度沒有特殊限制。

   高壓變頻器在電廠中一般使用在非常關鍵的工藝點，如引風機和冷卻水泵，因此高壓變頻器的可靠性要求非常高。為此，高壓變頻器一般還會提供除單元旁路外的整機旁路。單元旁路可以切除掉故障的單元，使整機的輸出電壓減小，但是仍然可以使用。整機旁路主要提供工頻旁路，即在變頻器重故障停機時能夠迅速切換到工頻保障生產不受影響。

   國內生產高壓變頻器的主要廠家有匯川、利德華福、榮信、智光、東方日立等，可以供用戶選擇。同時，由于技術的進步，目前高壓變頻器不僅產品成熟，而且價格相對以前而言降了不少，十年前國產變頻器大約500元/KVA，進口的大約700元/KVA；現在國產的大約300元/KVA，價格已經便宜很多，因此大規(guī)模推廣成為可能。

5、其它輔機節(jié)能

   另外正確的選擇電機容量也是很重要的，由于在設計時考慮裕量、不太了解負載工況等情況往往會選擇容量大一些的電機，使平均過載率低，造成“大馬拉小車”的現象。對不需進行調節(jié)操作的輔機，若長期空載或低負載運行，則應采取節(jié)電措施。如安裝輕載節(jié)電器等，在空載或低負載運行時，降低電動機的端電壓，從而實現節(jié)能。而對輕、重載交替工作的電機，可采用Y-△裝置自動切換定子繞組接線方式，輕載時，采用Y接線，重載時，采用△接線。通常當負載率低于40%時，由接線切換為丫接線，可以實現節(jié)能。

6、結束語

   本文從電廠節(jié)能出發(fā)，分析了熱電廠的節(jié)能的關鍵在于減少廠用電，而廠用電占比最高的又是風機和水泵，如果采用變頻調速，將能達到良好的節(jié)能效果，況且目前變頻器的價格已經很低，對于節(jié)能改造而言是小投資大回報，同時高壓變頻技術經過多年的發(fā)展，其可靠性和穩(wěn)定性以及快速投切能力都能給電廠用電帶來保障，因此液力耦合調速將逐漸被變頻調速替代。

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