一、引言

中國是人口大國，也一直都是能耗大國，據(jù)統(tǒng)計，2015年中國年發(fā)電總量居世界第一位，共達(dá)56184太瓦時，其中火力發(fā)電可達(dá)到產(chǎn)電總額的70%以上。

到了21世紀(jì)初期，盡管太陽能，核能越來越被社會推崇，它們也確實(shí)具有清潔，高效，可持續(xù)等諸多優(yōu)勢，我國各項規(guī)劃也偏向于發(fā)展新能源發(fā)電，但鑒于具體國內(nèi)豐富的煤礦資源以及龐大人口帶來的耗電需求，中國依然以火力發(fā)電為主流，知道近幾年，火電的占比才開始已一個不到1%的速度緩慢下降。

所謂火力發(fā)電，一般指利用煤炭、石油和天然氣等燃料燃燒時產(chǎn)生的熱能加熱水，使水變成高溫、高壓水蒸氣，然后由水蒸氣推動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。不過在這個看似簡單的發(fā)電過程中，存在著巨大的能源損耗，據(jù)統(tǒng)計：火電廠每年產(chǎn)電總額中有近10%用于自身的消耗，這因此也成為了我們節(jié)約能耗的重大突破口。

二、中國火力發(fā)電廠能耗分析

根據(jù)國家《電動機(jī)調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)化途徑與對策的研究》報告顯示，中國發(fā)電總量的66%以上最終應(yīng)用在電動機(jī)上。且截止至2015年電動機(jī)裝機(jī)容量已超過4億千瓦，其中高壓電機(jī)約占一半。對于高壓電機(jī)而言，有70%左右的負(fù)載是風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)。實(shí)際應(yīng)用到火力發(fā)電廠主要有以下九種風(fēng)機(jī)和水泵：送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、排粉風(fēng)機(jī)、脫硫系統(tǒng)增壓風(fēng)機(jī)、鍋爐給水泵、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵、灰漿泵。這些風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備在火力發(fā)電廠中種類繁多，應(yīng)用廣泛，功耗甚多，其平均耗電量能占到發(fā)電廠用電總量的45%。

但是對于應(yīng)用于電廠中的風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載而言，其運(yùn)行功率往往過剩，導(dǎo)致大量能源被白白浪費(fèi)，降低了發(fā)電廠的產(chǎn)能效率，究其原因，有如下幾點(diǎn)：

1運(yùn)行方式技術(shù)落后：

據(jù)調(diào)查，我國火力發(fā)電廠中除少量采用汽動給水泵、液力耦合器及雙速電機(jī)外，其它水泵和風(fēng)機(jī)基本上都采用定速驅(qū)動，閥門式擋板調(diào)節(jié)。在變負(fù)荷的情況下，采用調(diào)節(jié)泵出口閥開度（風(fēng)機(jī)則采用調(diào)節(jié)入口風(fēng)門開度）的控制方式，達(dá)到調(diào)節(jié)流量得目的，滿足負(fù)荷變化的需要。然而當(dāng)現(xiàn)場工藝只需求小流量時，其泵或風(fēng)機(jī)繼續(xù)且只能以額定的功率，恒定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，尤其是在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時，其入口調(diào)節(jié)擋板開度很小，引風(fēng)機(jī)運(yùn)行的電功率大部分將被風(fēng)門節(jié)流而消耗掉，造成巨大的能源損失和浪費(fèi)。

2運(yùn)行實(shí)際效率低下：

從實(shí)際運(yùn)行效率上來說，在機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時，由于水泵和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行偏離高效點(diǎn)，偏離最優(yōu)運(yùn)行區(qū)，運(yùn)行效率自然不高。據(jù)調(diào)查顯示，我國50MW以上機(jī)組鍋爐風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低于70％的占一半以上，低于50％的占20%左右。這是因為，我國許多大中型水泵與風(fēng)機(jī)是套用定型產(chǎn)品，沒有按照需求對應(yīng)設(shè)計，導(dǎo)致選型是分檔而設(shè)，間隔較大，一般只能使用近似型號的產(chǎn)品，進(jìn)而造成風(fēng)機(jī)、水泵實(shí)際運(yùn)行過程中運(yùn)行效率低，能耗高。此外，在設(shè)計選型時需要考慮裕量，因而往往要加大保險系數(shù)，進(jìn)一步降低了運(yùn)行效率。

三、降低火電廠能耗方案分析

綜合各方面因素，我們可以從以下3個方面減輕火電廠能耗。

1提高鍋爐效率：現(xiàn)代火電廠的大容量鍋爐效率一般在90%-94%，其在運(yùn)行過程中存在一下能源浪費(fèi)：排煙熱損失，機(jī)械不完全燃燒熱損失，散熱損失，灰渣熱損失等。

對此，我可以采用設(shè)計煤種或接近設(shè)計煤種，保障鍋爐的燃燒效率，如果入爐煤質(zhì)量很難達(dá)標(biāo)，我們也可以通過摻雜的方式盡可能節(jié)省煤耗；此外，火力發(fā)電廠中鍋爐排煙熱損失是各項損失中最大部分，影響該損失的主要是排煙氧量及排煙溫度，這兩個指標(biāo)有些許偏差都會降低鍋爐效率，因而我們可以使用更為精確的儀表，測量反饋值，提升控制精度進(jìn)而節(jié)省煤耗；

2降低汽輪機(jī)熱損耗：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型融合高新技術(shù)的汽輪機(jī)已經(jīng)面世，而由于不同等級的汽輪機(jī)熱損耗不同，國家現(xiàn)已鼓勵使用大容量、高參數(shù)、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組來降低能源損耗；其次也可以通過控制其運(yùn)行方式，防止汽輪機(jī)輔助設(shè)備故障停機(jī)造成熱耗升高；第三更改其運(yùn)行參數(shù)，通過調(diào)整主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度等系列參數(shù)，控制汽輪機(jī)在理想條件下運(yùn)行，也能起到降低熱損耗的功用。

3降低發(fā)電廠用電量：發(fā)電廠本身就是耗能大戶，各種高壓大功率的風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)負(fù)載需要的能量占電廠發(fā)電總量的10%左右，過去我們這些負(fù)載都是接在電網(wǎng)側(cè)工頻滿載運(yùn)行，這樣一刀切的運(yùn)行方式不光帶來了巨大的能耗損失，同時也對電機(jī)，對負(fù)載造成極大的損害，嚴(yán)重降低了使用壽命與安全可靠性。對此，我們通過采用高壓變頻器的方式，通過改變其運(yùn)行頻率，控制其轉(zhuǎn)速最終控制其輸出功率，根據(jù)實(shí)際工藝的需求對應(yīng)其運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的終極目標(biāo)。

四、單元級聯(lián)型高壓變頻器

高壓變頻器的原理：即通過整流逆變環(huán)節(jié)，將電網(wǎng)側(cè)工頻電壓轉(zhuǎn)化為頻率可調(diào)的電壓，通過控制其輸出頻率來最終控制電機(jī)的運(yùn)行功率，達(dá)到節(jié)能目的。

而單元級聯(lián)型高壓變頻器是現(xiàn)在國內(nèi)市場應(yīng)用范圍最為廣泛的高壓變頻設(shè)備，采用電壓疊加原理設(shè)計：每個功率單元輸出電壓為0-690v，如圖4-1所示，這樣每一相電壓可以達(dá)到3450v，線電壓為6kv。

配件方面，高壓變頻器采用頂尖且精準(zhǔn)的三芯合一（FPGA、DSP、ARM）三種芯片各司其職，保證了其運(yùn)行時的高效性能；完備的輸入輸出電壓電流檢測系統(tǒng)更是進(jìn)一步保障了其工作狀態(tài)的穩(wěn)定與安全；靈活的溫控系統(tǒng)在避免系統(tǒng)過熱的同時也節(jié)約了能源的損耗，種種跡象顯示：單元級聯(lián)型高壓變頻器業(yè)已成為一個成熟而重要的產(chǎn)業(yè)。

圖4-1.單元級聯(lián)型高壓變頻器原理拓?fù)鋱D

圖4-2.單元級聯(lián)型高壓變頻器系統(tǒng)拓?fù)鋱D

五、單元級聯(lián)型高壓變頻器優(yōu)勢

以額定功率2000kw的一次風(fēng)機(jī)為例：電機(jī)實(shí)際運(yùn)行頻率在35~45Hz之間，取中間值40Hz，則與工頻50Hz相比，其實(shí)際功耗為額定功耗的0.512左右（功率比為頻率比的三次方），電廠風(fēng)機(jī)一年365天，每天24小時運(yùn)行，則每年可節(jié)約8970240千瓦時，根據(jù)國家規(guī)定電價，0.5元/千瓦時，可以為電廠節(jié)約40萬的經(jīng)濟(jì)支出；此外變頻調(diào)節(jié)后，由于負(fù)載電機(jī)不必長時間滿載運(yùn)行，其機(jī)械損耗和電損耗也大大降低，故而延長了電機(jī)的使用壽命，又進(jìn)一步節(jié)約支出成本。

而發(fā)電廠現(xiàn)場的大功率高壓風(fēng)機(jī)、水泵眾多，累計起來節(jié)能成果十分可觀。

除此之外，國內(nèi)外高壓變頻器高端廠家諸如德國西門子、ABB、利德華福、蘇州匯川，其產(chǎn)品還具有眾多其他應(yīng)用優(yōu)勢:

1飛車啟動功能

由于現(xiàn)場情況要求，電機(jī)不停止運(yùn)行的情況下，變頻器將根據(jù)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的反饋信號正常啟動，避免耽誤生產(chǎn)，或因頻繁啟停增加電機(jī)損耗。

圖5-1.飛車啟動分析圖

2軟啟動

在高壓場合如果直接將電機(jī)工頻啟動，會對電網(wǎng)側(cè)造成巨大沖擊，對電機(jī)負(fù)載也會有巨大的損耗，而軟啟動的根本就是保證電機(jī)在安全范圍內(nèi)的小電流條件下，順利啟動，保障高壓網(wǎng)測和電機(jī)雙方的安全。

3控制電源冗余設(shè)計

高壓變頻器采用雙回路控制電源切換系統(tǒng)，即除用戶提供的控制電外，變頻器的變壓器二次側(cè)也會提供低壓控制電，二者通過電氣回路互鎖，保障在用戶控制電突然中斷時系統(tǒng)正常工作。此外，高壓變頻器還配有UPS（不間斷電源），確保在突然斷電時依然可以維持半小時的控制電輸出，安全可靠性更高。

圖5-2.雙路電源電路分析圖

4輸出諧波小穩(wěn)定性高

高壓變頻器一般采用功率單元級聯(lián)的方式，通過移相變壓器使得輸出30/48（對應(yīng)每相5/8功率單元）脈波，輸出諧波最小可達(dá)0.8%，均優(yōu)于GBT14549-93及IEEE519-1992的要求，對電網(wǎng)也起到一定的保護(hù)效果。而且功率單元具有旁路功能，當(dāng)其中某一單元故障時，不影響變頻器正常工作，只是輸出電壓稍有降低，為現(xiàn)場的持續(xù)運(yùn)行提供有力保障。

圖5-3A.典型6脈波輸出電壓電流波形圖

圖5-3B.單元級聯(lián)法輸出電壓電流波形圖

六、結(jié)論

通過對火電廠能耗及單元級聯(lián)型高壓變頻器的原理優(yōu)勢分析：應(yīng)用單元級聯(lián)型高壓變頻器在火力發(fā)電廠的各類風(fēng)機(jī)與負(fù)載上，既滿足火電廠對電源高純度的需求，同時也可以根據(jù)工況通過調(diào)頻方法控制電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的最終目的。而軟啟動、雙路電源切換、飛車啟動等高新技術(shù)也確實(shí)對火電廠的穩(wěn)定工作提供有力的保障。

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