燃机电厂变频器的应用和节能

【摘要】通过对电厂运行风机的负载特性，变频器的工作原理和节能分析，阐述了风机泵变阀调节与变速调节的工作原理及各自优越性，为电气运行人员进一步做好节能降耗工作提供指导和建议。

【关键词】变频器；变速调节；频率；功率；节能

燃气轮机作为清洁环保能源主要发电设备，国内得到了广泛运用，而发电厂的厂用电率是衡量发电厂经济指标一个重要参数。普通电厂一般在2.4%左右，一套联合循环机组运行每小时消耗电量约为3890kwh，一天要消耗约为95300kwh，其中约85%的电量是高低压电动机消耗。所以电动机日常消耗电量的大小，是衡量经济效益的一个重要指标。在电动机的节能降耗方面，一般都采用对电动机实现变频控制，从而达到节能效果。

一、变频器的节能原理

风机泵类的绝大多数是应用感应电动机作为拖动的原动机，主要任务是按工艺要求传输和调节流量，因为普通笼形感应电动机本身没有调速功能，传统方法是用调节挡板或阀门的开度来调节流量，导致风机和泵类运行的压头损失，而电动机的运行功率基本没有随流量减小而下降。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。风机和泵类的负载特性是负载转矩与转速成平方关系，轴功率与转速是三次方关系，特别适合以节电为目的的调速运行，能够取得明显的节电效益。因此调速技术应用在负载率偏低和流量变动较大的风机和泵类等流体设备的电力拖动上可获得显著的节电效益。变频调速作为一种高效的调速方式，大量应用于风机和泵类。

二、风机泵类负载运行的特性

泵或风机是对流体做功的机械，它取自原动机的功率称为轴功率。但是轴功率不可能全部被利用来提高流体的能量，被有效利用的功率称为有效功率。泵或风机的有效功率与轴功率之比，就称为效率η：

效率越高，则泵或风机的经济性就越高。效率η是表示泵能量利用的指标。泵在工作时，由于轴承填料和泵轴等机械运动的摩擦及水泵内的涡流现象，都要损失一部分能量。所以，动力机传给泵轴的功率，不可能全部变成有效功率。水泵的效率一般在65%～85%之间。

转速是指泵轴（叶轮）每分钟的转数，常用r/min表示。泵的额定转速，一般为485、730、970、1450、2900r/min。泵的额定转速、实际达到的转速的高低对泵的流量、扬程、功率都有直接影响。这是水泵性能中一个很重要的指标。泵转速改变后，流量、扬程、轴功率都随之改变。针对泵的扬程、转速、流量、轴功率变化特性，得到下列公式：

流量和转速成正比：

扬程和转速的平方成正比：

电机功率和转速的三次方成正比：

三、风机泵变阀调节与变速调节的比较

风机、泵在设计时都留有备用的出力裕量，配用的拖动电动机一般定位于最大工作能力情况下，而大量的生产场合由于功率需求始终处于变动状态，普遍采用的是低效的进、出口阀门调节方式与负荷的变化相适应。但是关小阀门和风门可以减少流量，而系统从电网吸收的能量并没有减少，拖动电动机的轴输出动力基本没有改变，有相当一部分能量消耗在阀门或风门上，虽然阀门或风门的输出侧达到了工况要求，但是能量的有效比例减少了，而损耗增加了。由于泵和风机的大部分运行时间是低负荷运行，所以为了降低能耗，主要应该提高泵和风机在低负荷时的运行效率，为此应采用变速调节。

（1）在采用变阀调节时，泵或风机的功率基本不变，泵或风机的性能曲线基本不变，而管道阻力特性曲线发生变化，泵或风机的性能曲线与新的管道阻力特性曲线的交点处就是新的工作点，如下图所示。变阀调节方式下性能曲线不变、管道阻力特性曲线改变，工作点沿性能曲线移动。

采用节流阀（风门）控制流量时，不控制泵本身，泵的工作点会随管道阻力变化而变化，泵的功率也会有相应的变化，但在正常工作范围内变化不大。在负荷较小段随负荷的增加功率增加较快，随着负荷的增多，功率的增加变缓。

多数风机、水泵都要靠风门或闸阀来节流，人为地增加管道阻力以减小流量，因此阻力损失相应增加，而此时风机和水泵的特性曲线不变，叶片转速基本不变，系统输入功率并无减少，而是白白地损失在节流过程中。所以当风量变化时，就风机系统而言，会浪费大量的电能。另外，在节流调节方式中，电动机、风机、水泵等长期处于高速、大负载下运行，造成维护工作量大，设备寿命低，并且运行现场噪声大。

（2）变速调节就是利用改变性能曲线方法来改变工作点，变速调节中没有附加阻力，是比较理想的一种调节方法，如下图所示，变速调节方式下管道阻力特性曲线不变、性能曲线改变，工作点沿管道阻力特性曲线移动。

变频调速技术的应用就是通过改变电源的工作频率，从而对交流电机进行无级调速。只要把变频器当作频率可调的交流电源装置，接入工频电源和电动机之间，原有的其他设备无需改动。泵和风机采用变转速调节时，其效率几乎不变，流量随转速按一次方规律变化，而轴功率按三次方规律变化。而且采用变转速调节，具有可以降低泵和风机的噪声，减轻磨损，延长使用寿命等优点。

四、燃机电厂变频器改造的经济分析

下面以电厂除盐水泵改造为例进行分析，电动机型号Y2-180M-2，额定功率为37kW，额定电压380V，额定电流70A，转速2950r/min，额定功率因数为0.89。在进行变频调速改造前，阀门全开，母管压力0.8MPa，电动机电流41A，只有58%负荷，考虑到电动机不是在满负荷运行。根据计算，当电动机电流在41A时，电动机功率因数为0.62，所以除盐水泵变频改造前运行时有功功率为：

在采用变频调速改造后，阀门全开，母管压力0.4MPa恒定压力运行时，除盐水流量为30T/h，电动机电流为14.2A，电动机转速1875转/分。按电动机额定功率因数为0.89计算，电动机有功功率为：

这样一年至少能节约厂用电为：

通过上面计算分析，我们可以发现使用变频控制除盐水泵后，在满足日常生产需求除盐水的供给要求前提下，可为厂里节约了很大一部分电量，从而提高了经济效益。除盐水泵在进行7个多月的时间内，已经收回的全部投资成本。

总之，通过对燃机电厂除盐水泵等设备的变频改造，电机变频技术在燃气轮机电厂应有广泛的运用，起到了显著的节能效果。

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