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一、引言

   中國是人口大國，也一直都是能耗大國，據統計，2015年中國年發電總量居世界第一位，共達56184太瓦時，其中火力發電可達到產電總額的70%以上。

   到了21世紀初期，盡管太陽能，核能越來越被社會推崇，它們也確實具有清潔，高效，可持續等諸多優勢，我國各項規劃也偏向于發展新能源發電，但鑒于具體國內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。

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

二、中國火力發電廠能耗分析

   根據國家《電動機調速技術產業化途徑與對策的研究》報告顯示，中國發電總量的66%以上最終應用在電動機上。且截止至2015年電動機裝機容量已超過4億千瓦，其中高壓電機約占一半。對于高壓電機而言，有70%左右的負載是風機、泵類、壓縮機。實際應用到火力發電廠主要有以下九種風機和水泵：送風機、引風機、一次風機、排粉風機、脫硫系統增壓風機、鍋爐給水泵、循環水泵、凝結水泵、灰漿泵。這些風機、水泵設備在火力發電廠中種類繁多，應用廣泛，功耗甚多，其平均耗電量能占到發電廠用電總量的45%。

   但是對于應用于電廠中的風機、水泵負載而言，其運行功率往往過剩，導致大量能源被白白浪費，降低了發電廠的產能效率，究其原因，有如下幾點：

1運行方式技術落后：

   據調查，我國火力發電廠中除少量采用汽動給水泵、液力耦合器及雙速電機外，其它水泵和風機基本上都采用定速驅動，閥門式擋板調節。在變負荷的情況下，采用調節泵出口閥開度（風機則采用調節入口風門開度）的控制方式，達到調節流量得目的，滿足負荷變化的需要。然而當現場工藝只需求小流量時，其泵或風機繼續且只能以額定的功率，恒定的轉速運轉，尤其是在機組低負荷運行時，其入口調節擋板開度很小，引風機運行的電功率大部分將被風門節流而消耗掉，造成巨大的能源損失和浪費。

2運行實際效率低下：

   從實際運行效率上來說，在機組變負荷運行時，由于水泵和風機的運行偏離高效點，偏離最優運行區，運行效率自然不高。據調查顯示，我國50MW以上機組鍋爐風機運行效率低于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機是套用定型產品，沒有按照需求對應設計，導致選型是分檔而設，間隔較大，一般只能使用近似型號的產品，進而造成風機、水泵實際運行過程中運行效率低，能耗高。此外，在設計選型時需要考慮裕量，因而往往要加大保險系數，進一步降低了運行效率。

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：現代火電廠的大容量鍋爐效率一般在90%-94%，其在運行過程中存在一下能源浪費：排煙熱損失，機械不完全燃燒熱損失，散熱損失，灰渣熱損失等。

   對此，我可以采用設計煤種或接近設計煤種，保障鍋爐的燃燒效率，如果入爐煤質量很難達標，我們也可以通過摻雜的方式盡可能節省煤耗；此外，火力發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，提升控制精度進而節省煤耗；

   2降低汽輪機熱損耗：隨著科學技術的不斷發展，新型融合高新技術的汽輪機已經面世，而由于不同等級的汽輪機熱損耗不同，國家現已鼓勵使用大容量、高參數、熱電聯產機組來降低能源損耗；其次也可以通過控制其運行方式，防止汽輪機輔助設備故障停機造成熱耗升高；第三更改其運行參數，通過調整主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度等系列參數，控制汽輪機在理想條件下運行，也能起到降低熱損耗的功用。

   3降低發電廠用電量：發電廠本身就是耗能大戶，各種高壓大功率的風機、水泵、空壓機負載需要的能量占電廠發電總量的10%左右，過去我們這些負載都是接在電網側工頻滿載運行，這樣一刀切的運行方式不光帶來了巨大的能耗損失，同時也對電機，對負載造成極大的損害，嚴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，通過改變其運行頻率，控制其轉速最終控制其輸出功率，根據實際工藝的需求對應其運行狀態，進而達到節能的終極目標。

四、單元級聯型高壓變頻器

   高壓變頻器的原理：即通過整流逆變環節，將電網側工頻電壓轉化為頻率可調的電壓，通過控制其輸出頻率來最終控制電機的運行功率，達到節能目的。

   而單元級聯型高壓變頻器是現在國內市場應用范圍最為廣泛的高壓變頻設備，采用電壓疊加原理設計：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到3450v，線電壓為6kv。

   配件方面，高壓變頻器采用頂尖且精準的三芯合一（FPGA、DSP、ARM）三種芯片各司其職，保證了其運行時的高效性能；完備的輸入輸出電壓電流檢測系統更是進一步保障了其工作狀態的穩定與安全；靈活的溫控系統在避免系統過熱的同時也節約了能源的損耗，種種跡象顯示：單元級聯型高壓變頻器業已成為一個成熟而重要的產業。

圖4-1.單元級聯型高壓變頻器原理拓撲圖

圖4-2.單元級聯型高壓變頻器系統拓撲圖

五、單元級聯型高壓變頻器優勢

   以額定功率2000kw的一次風機為例：電機實際運行頻率在35~45Hz之間，取中間值40Hz，則與工頻50Hz相比，其實際功耗為額定功耗的0.512左右（功率比為頻率比的三次方），電廠風機一年365天，每天24小時運行，則每年可節約8970240千瓦時，根據國家規定電價，0.5元/千瓦時，可以為電廠節約40萬的經濟支出；此外變頻調節后，由于負載電機不必長時間滿載運行，其機械損耗和電損耗也大大降低，故而延長了電機的使用壽命，又進一步節約支出成本。

   而發電廠現場的大功率高壓風機、水泵眾多，累計起來節能成果十分可觀。

   除此之外，國內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，其產品還具有眾多其他應用優勢:

1飛車啟動功能

   由于現場情況要求，電機不停止運行的情況下，變頻器將根據電機實際轉速的反饋信號正常啟動，避免耽誤生產，或因頻繁啟停增加電機損耗。

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工頻啟動，會對電網側造成巨大沖擊，對電機負載也會有巨大的損耗，而軟啟動的根本就是保證電機在安全范圍內的小電流條件下，順利啟動，保障高壓網測和電機雙方的安全。

3控制電源冗余設計

   高壓變頻器采用雙回路控制電源切換系統，即除用戶提供的控制電外，變頻器的變壓器二次側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輸出諧波小穩定性高

   高壓變頻器一般采用功率單元級聯的方式，通過移相變壓器使得輸出30/48（對應每相5/8功率單元）脈波，輸出諧波最小可達0.8%，均優于GBT14549-93及IEEE519-1992的要求，對電網也起到一定的保護效果。而且功率單元具有旁路功能，當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，為現場的持續運行提供有力保障。

圖5-3A.典型6脈波輸出電壓電流波形圖

圖5-3B.單元級聯法輸出電壓電流波形圖

六、結論

    通過對火電廠能耗及單元級聯型高壓變頻器的原理優勢分析：應用單元級聯型高壓變頻器在火力發電廠的各類風機與負載上，既滿足火電廠對電源高純度的需求，同時也可以根據工況通過調頻方法控制電機轉速進而達到節能的最終目的。而軟啟動、雙路電源切換、飛車啟動等高新技術也確實對火電廠的穩定工作提供有力的保障。