1、引言

包頭稀土鋁業(yè)有限責任公司是一家大型現代化鋁電一體化工廠(chǎng)，一期工程于2003年10月28日投產(chǎn)。目前已形成88萬(wàn)噸/年產(chǎn)能，配套建設的熱電機組已經(jīng)陸續建成。包頭希鋁各項經(jīng)濟技術(shù)指標在國內領(lǐng)先，是一個(gè)高起點(diǎn)、大容量、低污染的大型現代化工業(yè)企業(yè)。該項目被中國光彩事業(yè)促進(jìn)會(huì )列入全國光彩事業(yè)重點(diǎn)項目。公司鋁電和生物工程循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈，具有獨特的競爭力，被授予內蒙古自治區級循環(huán)經(jīng)濟園區。

包頭希望鋁業(yè)熱電廠(chǎng)總裝機容量1320MW，電廠(chǎng)一期4*155MW機組、二期2*350MW機組已全部并網(wǎng)發(fā)電。電廠(chǎng)現有2臺155MW凝汽式發(fā)電機機組運行，隨著(zhù)電網(wǎng)內大機組的相繼投產(chǎn)，該廠(chǎng)的調峰任務(wù)越來(lái)越重，峰谷差日益增大，根據現場(chǎng)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(shí)，系統相關(guān)設備也要隨著(zhù)負荷的變化作相應的調整，必須通過(guò)關(guān)小擋板或閥門(mén)來(lái)調整風(fēng)量及流量。此時(shí)，電動(dòng)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(dòng)機在直接啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流一般達到電動(dòng)機額定電流的5-7倍，啟動(dòng)電流過(guò)大將造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)，影響其他電氣設備的正常運行，同時(shí)電動(dòng)機自身繞組嚴重發(fā)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(shí)現電機的軟啟動(dòng)，通過(guò)調整頻率來(lái)改變電機轉速，滿(mǎn)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(shí)現電動(dòng)機電壓和頻率的平滑變化。

根據電機學(xué)原理，交流異步電動(dòng)機轉速由下式確定:

式中：n，f——分別為電動(dòng)機轉速，供電頻率；

n，s——分別為電動(dòng)機極對數，轉差率。

由式(1)可知，電動(dòng)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(guān)，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(xiàn)式電機轉子串電阻調速，該種調速需要產(chǎn)生新的轉差率，消耗轉差功率，屬于低效調速。而通過(guò)改變電機的輸入頻率的變頻調速，近似無(wú)級調速，是高效不耗能的調速方式，也是現在應用最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(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(或水泵)類(lèi)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(guān)系：

Q，H——分別為風(fēng)量，風(fēng)壓；

n、T——分別為轉速，轉矩；

P——軸功率。

由公式(2)、(3)、(4)可知，風(fēng)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(fēng)機轉速降低后，其軸功率隨轉速的三次方降低，驅動(dòng)風(fēng)機的電機所需的電功率亦可相應降低。因此調節轉速是風(fēng)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(lián)多電平技術(shù)，采用多個(gè)低壓變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)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(wǎng)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(mǎn)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(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、共模電壓等問(wèn)題，不必設置輸出濾波器，可直接拖動(dòng)普通的異步電機。

其原理框圖如圖1 所示：

電網(wǎng)輸入經(jīng)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(gè)功率單元串聯(lián)構成一相輸出的方式構成三相輸出，主控系統通過(guò)控制每個(gè)功率單元的PWM輸出來(lái)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(guò)光纖進(jìn)行通訊，既保證信號的可靠傳輸，同時(shí)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(chǎng)一期4*155MW機組，負載為3臺凝結水泵，功率為200kw，4臺送風(fēng)機，功率為630kw。

根據現場(chǎng)實(shí)際情況，7套高壓變頻器的現場(chǎng)主回路均采用手動(dòng)一拖一的方案，如下圖：

1、QS1、QS2和QS3為3臺高壓隔離開(kāi)關(guān)，QF為用戶(hù)側高壓開(kāi)關(guān)。QS2、QS3之間存在機械連鎖。

2、刀閘開(kāi)關(guān)不能帶負荷分合閘操作。當要對QS1、QS2、QS3進(jìn)行操作時(shí)，必須將上級開(kāi)關(guān)分斷開(kāi)，才允許進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。

3、QS1、QS2閉合時(shí)，QS3斷開(kāi)時(shí)，QF閉合時(shí)，電機由變頻器控制調速運行。QS1斷開(kāi)、QS2斷開(kāi)、QS3閉合時(shí)，電機可由QF直接啟停并進(jìn)行保護，變頻器可完全和電網(wǎng)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(chǎng)調試項目。11月30日所有設備正式投入生產(chǎn)，所有變頻器運行良好，節能效果明顯。

通過(guò)記錄現場(chǎng)#5爐、#6爐各兩臺送風(fēng)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(fēng)機變頻節能周對比數據

除去檢修時(shí)間，每年按300天計算，電費單價(jià)為0.5元/kwh，則年節省電費為：630*20%*300*24*0.5≈45萬(wàn)元。

4、總結

我國擁有為數眾多的小型電力企業(yè)和各行業(yè)大型企業(yè)的自備電廠(chǎng)，這些電廠(chǎng)多數為中、小型機組，數量多，單機容量小。不僅發(fā)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(chē)。風(fēng)機水泵的流量壓力調節方式基本為進(jìn)出口閘門(mén)的調節，耗能大，經(jīng)濟效益差，設備損壞嚴重，采用高壓變頻技術(shù)對高能耗用電設備進(jìn)行技術(shù)改造，不僅能直接收到降低廠(chǎng)用電、降低供電煤耗、增加上網(wǎng)電量帶來(lái)的直接經(jīng)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(zhì)量好，適合于電廠(chǎng)輔機的變頻調速，能提高電廠(chǎng)運行和供電的可靠性，節約大量能源，為電廠(chǎng)帶來(lái)較大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。