应用变频调速技术推进节能减排

　　改革开放以来，我国工业总产值不断提高，但是能耗比却居高不下，高能耗比已成为制约我国经济发展的瓶颈，为达到可持续发展，必须坚持科学发展观，大力发展高技术产品，其中利用变频调速技术节电已开始应用在各行各业，并被许多用户认可。据统计，我国发电总量的60-70%的电力消耗在电动机上。我国电机整体运行状况同国外相比差距很大，机组效率75%左右，比国外低10%左右；系统运行效率30-40%，比国外先进水平低20-30%。在大量的工业设备中，我国仍采用交流电动机恒速传动的方案运行，例如风机最主要的调节手段靠调节风门、挡板开度的大小来调整控制对象，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，不能随工况的变化进行相应的调节，白白浪费了大量的能量；泵类设备采用调整阀、回流阀、截止阀等各种阀门进行流量、压力、水位等信号的控制，造成大量的能源浪费。一、变频调速技术的作用和节能原理　　变频调速运行是根据负载转速的变化要求，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的，以获得合理的电机运行工况。在不同的转速情况下，均保持较高的运行效率，不仅降低了电能消耗，同时能改善启动性能，保护电机及负载设备免受瞬时启动的冲击，延长其工作寿命，还提高电动机和负载设备的工作精确度，实践证明，变频技术用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，普遍节电达到30-50%。国家对三相异步电动机运行区域作如下规定：负载率70-100%之间为经济运行区；负载率在40-70%之间为一般运行区；负载率在40%以下为非经济运行区；一般负载率保持在60-100%较为理想。在电机选型设计工作中，大部分电机功率选型均有适当的裕量，另外在生产过程中的设备许多时间都是负荷不满或运行有峰谷时间，如果采用交流电动机恒速传动的方案运行，靠风门调节风机或靠阀门调节的泵类设备，使用效率较低，造成大量的能源浪费。　　变频调速是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机转速的目的。根据流体力学的基本定律可知：风机（或水泵）类设备均属平方转矩负载，其转速N与流量Q、压力（扬程）H以及轴功率P具有如下关系：　　Q1/Q2=N1/N2（1）；H1/H2=（N1/N2）2（2）；P1/P2=（ N1/N2）3（3）。Q1、 H1、 P1----风机（或水泵）在N1转速时的流量、压力（或扬程）、轴功率；Q2、 H2 、 P2------风机（或水泵）在N2转速时的相似工矿条件下的流量、压力（或扬程）、轴功率。　　由（1）、（2）、（3）可知，风机（或水泵）的流量与其转速成正比，压力（或扬程）与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。当风机（或水泵）转速降低后，其轴功率所需的电功率亦可相应降低。就是说，通过调速方式改变风机风量（或泵流量），风量（或泵流量）下降一半时，即：假如N2/N1降低1/2，则P2/P1=1/8，由于轴功率（耗电）与转速的三次方成正比，因此可节电87%（在不考虑其它因素的情况下），降低转速可大大降低轴功率，这也是为什么变频调速在应用上节能十分显著的原因。二、火力发电厂供电煤耗、厂用电现状及方向　　2008年我国火力发电消耗原煤13.4亿吨，约占全国原煤产量的50%左右。多年来， 发电企业在降低煤耗上，做了许多工作，如新型超临界机组、超超临界机组大批量装机增加，30万、60万、100万千瓦大机组设备比重增大，以及2006年以来“上大压小”，关停小火电3421万千瓦，2008年的供电煤耗与2005年相比，每千瓦时降低了25克，供电煤耗达到349克/千瓦时，距离世界发达国家330克/千瓦时的距离在接近。　　2007年发电厂平均厂自用电率6.44%。据了解先进企业厂用电率4-5%左右，因机组大小不同、用电范围不同，是否使用变频技术等，以及各种因素厂用电率有的高达11%左右。厂用电主要用在与发电机组配套的引风机、排粉机、凝结泵、循环泵、锅炉给水泵等，占厂用电消耗的80%。　　厂用电率是影响供电煤耗的一部分，全面采用变频技术能尽快赶超世界先进国家供电煤耗。随着厂网分开以及2008年开始试行的“节能发电调度办法”的实施，竟价上网日趋激烈，各发电企业竞争日趋白热化，努力提高发电设备的健康水平，满足系统要求；加强管理，进一步挖掘节能潜力，建立节能型企业，提高发电企业竟价上网的能力，是发电厂竞争的方向；采用高压变频对高耗能用电设备进行技术改造，不仅能直接收到降低厂用电、降低供电煤耗、增加上网电量带来的直接经济效益，而且对设备的安全、可靠运行，减少设备故障都起到了积极的作用。全面采用变频技术能使我国尽快赶超世界先进国家供电煤耗。三、电厂应用高压变频调速技术实例　　以2008年我们到电厂调研为例：　1.大唐盘山电厂　　大唐盘山电厂现有职工200余人。电厂工程部介绍了高压变频器的使用情况：现有2台60万千瓦由哈尔滨电站集团生产的机组，3#机组2001年9月26日投产，4#机组2002年6月5日投产。年发电量73.2亿千瓦时，上网电量68.58亿千瓦时，设备利用6100小时，等效可用系数89.2%，综合厂用电率5.6%。供电煤耗324克/千瓦时。　　冷凝泵采用国产利德华福公司的2500千瓦的高压变频器做变流量调节。在负荷变频调节时，由于采用功率单元串联的多电平PWM调制技术，谐波小，电流可从280安培降到150—160安培，对电网没有影响。这2台变频器每天可节约5万度用电，厂用电减少0.5%，按照每度电价0.35元计算每天节约3.5万元，一年按300天计约1000多万元，8个月收回投资。使用国内的变频器设备，配套施工按交钥匙方式进行，服务非常及时，汉化的人机界面易理解和操作。2003年采购的4台国外品牌的产品，效果不好，不稳定，价格也贵。曾经停机，造成很大影响，服务也不及时。　2.华能邯峰电厂　　华能邯峰电厂的锅炉是美国福斯特—惠勒产品，汽轮机、发电机是德国西门子生产2套66万千瓦机组。1#机组于2000年12月31日投产，2#机组于2001年6月19日投产，年发电量74亿千瓦时，设备利用6000小时，等效可用系数89.2%，综合厂用电率不超过5.2%，供电煤耗326克/千瓦时。　　每台机组配备2台冷凝泵，运行方式为一用一备。在正常运行状态下，凝汽器内的水位不能过高或过低，当机组负荷升高时，凝结水量增加。当机组负荷降低时凝汽器内水位响应降低。　　没有使用变频器之前，凝汽器内的水位调整是通过改变凝汽器凝结水泵出口的阀门的开度进行的，调节线性度差，大量能量在阀门上损耗。同时由于频繁的对阀门进行操作，导致阀门的可靠性下降，影响机组的稳定运行。使用变频器后，凝结水泵出口阀门不需要频繁调整，阀门开度保持在一个较大的范围内，通过调节变频器的输出频率改变电机的转速，达到调节出口流量的目的，满足运行工况的要求。　　冷凝泵采用北京利德华福电气技术有限公司的2台2600KW/6KV的高压电机变频器做变流量调节，从2006年9月-2008年3月，1年半时间未发生过问题，运行良好。根据发电负荷运行一般节能20-50%，凝结泵一台年节约500-700万度电，12个月收回成本。两台加装利德华福高压变频器的280千瓦输水泵也正常运行。　　有4台2000千瓦原装进口产品，运行一个月，跳闸，尚未发现是什么问题，目前停用，没有能力修，原装日文维修不方便，不能改。　3.山西漳山电厂　　山西漳山电厂是由山西电力投资与京能源投资共建，现有员工200余人。现有2台30万千瓦的空冷机组，汽机和电机是哈尔滨生产，锅炉由武锅生产。1#机组于2004年9月11日投产；2#机组于2004年10月6日投产。　　设备利用6000多小时，综合厂用电率不超过8.4%，供电煤耗350克/千瓦时，采用利德华福的4台3400千瓦的变频器用于引风机，1台1120千瓦的变频器用于冷凝泵上（其中2台由于失速，暂时停用1个月，需要系统重设）。据发电负荷，在正常发电下，节电约30%，调峰时节电更显著。根据现场打印数据统计：2007年1月节电216万千瓦时，节约电费58.95万元。估计全年节电700多万元，18个月收回成本。　　采用中能博瑞的6台900千瓦的变频器用于排粉机上，节电约36-49%。　　新建的2台60万千瓦上海电站集团生产的超临界机组，采用ABB和西门子的变频器价格贵出2—3倍,要3—5年才能收回投资。　　以上三个电厂高压大功率变频器用户选用国内产品超过50%；普遍的节电率30-50%范围，效果显著；收回投资一般在12个月左右；高压变频器使用的可靠性和稳定性以及完善的服务让用户信任国产高压变频器。　　用户希望：提高厂家的系统化服务，在大修期间提供现场服务，平时加强培训工作。确定易老化备品备件的使用年限。四、应用变频调速技术，已开始推进了节能减排　　80年代末期国外的交流变频调速技术渐渐兴起，进口产品价格很高，而且一直处于垄断地位，很难普及使用。近十年国内开始生产，从低压变频到高压变频，走过艰难历程，一直占有比重很小。近几年开始发力，随着内资企业在越来越多的行业销售业绩，国内企业也逐渐渗透并抢夺了原先外资厂商重点保护的大型客户，包括中石油、中石化、国家五大电力集团等大型企业。 　　随着国产高压变频器质量的稳定和价格降低，已开始在新建电厂或企业技术改造中陆续使用。“十一五”国家节能减排计划20%，对高压变频器产业是一大利好，节能降耗在2006年终于从重视变为实际行动；一大批电站项目上马，增加了对高压变频器的需求，一次性投入避免了以后改造时重新施工、调试等麻烦；在电力紧缺的形势下，节能、挖潜、增效以及设备技术改造得到了前所未有的重视。　　从2006-2008年来看，变频调速技术市场前景明朗，这一市场以每年超过50%的增长速度向前推进。电力行业近几年高速增长，在支持变频技术的应用。五、国内外高压变频器产品生产情况　　目前国内企业主要有利德华福、上海科达、东方日立、山东风光等企业，国外企业主要有西门子（美国罗宾康含在内）、罗克韦尔（AB）及ABB、日本日立、安川等。国产品牌市场份额已由2003年的39%提高到2006年超过50%，，利德华福到2008年9月产品销售已达2000台，在单机应用上已经达到8000千瓦，技术上已经实现高级的无速度传感器空间矢量控制，带能量回馈的高压变频器，同步电机变频器等开发成功，已经扩展到高精度要求的领域，对于国外企业的竞争力大大提高。　　国产变频装置技术已达世界同类产品先进水平，产品价格在逐步下降。随着技术进步与竞争使成本不断降低，促进了各个行业的开始大量应用，在国内外厂家多年的共同努力下，特别是国内厂家在其中所做的贡献，高压变频器的价格从2004年开始大幅下降，低于国外产品，使用变频装置的用户，有的不到1年即可收回成本，极大的刺激了市场需求。变频器产业开始壮大，保证了可以持续发展。我国变频器产业通过十多年的艰苦积累，使技术开发取得突破，产业链也得到完善，提高了整个系统的成套能力。质量提高、价格降低，使高压变频器市场处于高速成长期，国内企业的崛起，带来了激烈的竞争，产品技术的服务水平也大幅度提高。六、全面应用变频调速技术推进节能减排　　国内变频调速产品已达到国际同类产品先进水平。国内变频调速产品其性能良好，能保证本地化的长期服务；产品应用广泛，性价比高，节能减排效果显著，能尽快收回投资；国内品牌在不断成长，已从国产化走向国际化，随我国主机产品配套出口许多国家；并正在在市场竞争中克服不足。国外产品在国内比重已降至50%以下，国外产品如果没有完全本土化，就无法从根本上解决在成本和服务方面的问题，国内企业已获得长足发展的机会。　　变频调速技术发展前景十分广阔，与已经完成的市场相比，未来的市场潜力巨大，在未来十年内，变频调速技术产品每年有上百亿元的市场潜力。建议在电力、石化、钢铁、有色、水泥、自来水、机械、纺织等行业大规模推广应用国产变频技术产品。新建项目从开始设计就应该考虑应用变频技术；技术改造首先考虑风机、泵类设备使用变频技术，逐步淘汰挡板、阀门等机械调节方式；全面推广应用变频技术，全国用电量将下降15-20%而GDP保持不变，使我们最大限度地减少能源消耗和污染物排放，提高经济效益，为我国和世界节能减排做出贡献。　　　（自动化网莫铭编辑）