變頻器在鋁電廠的應用

更新時間：2023-05-16 點擊次數：1135

1、引言

包頭稀土鋁業有限責任公司是一家大型現代化鋁電一體化工廠，一期工程于2003年10月28日投產。目前已形成88萬噸/年產能，配套建設的熱電機組已經陸續建成。包頭希鋁各項經濟技術指標在國內，是一個高起點、大容量、低污染的大型現代化工業企業。該項目被中國光彩事業促進會列入全國光彩事業重點項目。公司鋁電和生物工程循環產業鏈，具有的競爭力，被授予內蒙古自治區級循環經濟園區。

包頭希望鋁業熱電廠總裝機容量1320MW，電廠一期4*155MW機組、二期2*350MW機組已全部并網發電。電廠現有2臺155MW凝汽式發電機機組運行，隨著電網內大機組的相繼投產，該廠的調峰任務越來越重，峰谷差日益增大，根據現場運行資料統計，155MW機組每日的負荷一般在73.6MW左右。系統處于低負荷運行時，系統相關設備也要隨著負荷的變化作相應的調整，必須通過關小擋板或閥門來調整風量及流量。此時，電動機輸出功率大量的能源消耗在擋板上，節流損失很大。異步電動機在直接啟動時，啟動電流一般達到電動機額定電流的5-7倍，啟動電流過大將造成電網電壓波動，影響其他電氣設備的正常運行，同時電動機自身繞組嚴重發熱，加速絕緣老化，縮短使用壽命。而高壓變頻器調速裝置可以實現電機的軟啟動，通過調整頻率來改變電機轉速，滿足不同負載的工藝要求，是解決以上矛盾的有效手段。

2、高壓變頻器調速節能原理

2.1高壓變頻器工作原理

高壓變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。它是按一定規律改變脈沖列的脈沖寬度或幅度，以調節輸出量和波形的，從而實現電動機電壓和頻率的平滑變化。

根據電機學原理，交流異步電動機轉速由下式確定:

式中：n，f——分別為電動機轉速，供電頻率；

n，s——分別為電動機極對數，轉差率。

由式(1)可知，電動機的輸出轉速與輸入的電源頻率、轉差率、電機的極對數有關，改變極對數的成為變極調速，此種調速屬于有極調速，調速不平滑，主要用于不需要頻繁變速的地方。改變電機轉差率的調速方式有：調壓調速，電磁調速，繞線式電機轉子串電阻調速，該種調速需要產生新的轉差率，消耗轉差功率，屬于低效調速。而通過改變電機的輸入頻率的變頻調速，近似無級調速，是高效不耗能的調速方式，也是現在應用廣泛的一種調速方式。

2.2 高壓變頻器節能原理

根據流體力學的基本定律可知：風機(或水泵)類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q、壓力(揚程)H以及軸功率P具有如下關系：

Q，H——分別為風量，風壓；

n、T——分別為轉速，轉矩；

P——軸功率。

由公式(2)、(3)、(4)可知，風機(或水泵)的流量與其轉速成正比，壓力(或揚程)與其轉速的平方成正比，軸功率與其轉速的立方成正比。當風機轉速降低后，其軸功率隨轉速的三次方降低，驅動風機的電機所需的電功率亦可相應降低。因此調節轉速是風機節能的重要途徑。

3．高壓變頻調速系統應用情況

3.1 高壓變頻器的組成

森蘭SBH系列高壓變頻器采用單元串聯多電平技術，采用多個低壓變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，屬于“高-高“電壓源型變頻器，該變頻器具有對電網諧波污染小，輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置，滿足IEEE519-1992國際標準和GB/T14549-93國家標準對輸入諧波的要求。輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、共模電壓等問題，不必設置輸出濾波器，可直接拖動普通的異步電機。

其原理框圖如圖1 所示：

電網輸入經多副邊移相變壓器提供多套副邊輸出分別給功率單元供電，再由多個功率單元串聯構成一相輸出的方式構成三相輸出，主控系統通過控制每個功率單元的PWM輸出來控制變頻器輸出電壓的頻率和幅值，從而達到控制電機轉速的目的。主控系統和單元之間通過光纖進行通訊，既保證信號的可靠傳輸，同時保證主控制部分與高壓部分的絕緣隔離。

3.2高壓變頻系統配置方案

此次7套SBH高壓變頻器應用于電廠一期4*155MW機組，負載為3臺凝結水泵，功率為200kw，4臺送風機，功率為630kw。

根據現場實際情況，7套高壓變頻器的現場主回路均采用手動一拖一的方案，如下圖：

1、QS1、QS2和QS3為3臺高壓隔離開關，QF為用戶側高壓開關。QS2、QS3之間存在機械連鎖。

2、刀閘開關不能帶負荷分合閘操作。當要對QS1、QS2、QS3進行操作時，必須將上級開關分斷開，才允許進行開關操作。

3、QS1、QS2閉合時，QS3斷開時，QF閉合時，電機由變頻器控制調速運行。QS1斷開、QS2斷開、QS3閉合時，電機可由QF直接啟停并進行保護，變頻器可和電網脫離，便于維護與檢修。

3.3 運行情況及節能效益

7套高壓變頻器于2011年11月10日到11月29日完成安裝及所有現場調試項目。11月30日所有設備正式投入生產，所有變頻器運行良好，節能效果明顯。

通過記錄現場#5爐、#6爐各兩臺送風機變頻改造投運后的耗電量，可以得出，相對于改造前#5爐、#6爐一周可節電量約為49272 kwh，同比節電率為20%，節電效果明顯。

下表為#5爐、#6爐風機變頻節能周對比數據

	#5爐#1送風機（kwh）	#5爐#2送風機（kwh）	#6爐#1送風機（kwh）	#6爐#2送風機（kwh）	合計（kwh）
2011.12.1-12.7	54222	54216	44172	44406	197016
同比累計	66276	67548	56304	56160	246288
差值	12054	13332	12132	11754	49272
節電率	18.19%	19.74%	21.55%	20.93%	20%

除去檢修時間，每年按300天計算，電費單價為0.5元/kwh，則年節省電費為：630*20%*300*24*0.5≈45萬元。

4、總結

我國擁有為數眾多的小型電力企業和各行業大型企業的自備電廠，這些電廠多數為中、小型機組，數量多，單機容量小。不僅發電機組陳舊，其所屬的主要輔助設備也較落后，效率低，設備選型不當，大馬拉小車。風機水泵的流量壓力調節方式基本為進出口閘門的調節，耗能大，經濟效益差，設備損壞嚴重，采用高壓變頻技術對高能耗用電設備進行技術改造，不僅能直接收到降低廠用電、降低供電煤耗、增加上網電量帶來的直接經濟效益，而且對設備的安全、可靠運行，減少設備故障等都起到了積極的作用。

森蘭SBH系列高壓變頻器可靠性高，輸入輸出波形質量好，適合于電廠輔機的變頻調速，能提高電廠運行和供電的可靠性，節約大量能源，為電廠帶來較大的經濟效益和社會效益。

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變頻器在鋁電廠的應用