直接空冷机组空冷风机变频调速的节能分析

收稿日期：２００8-07-02

梁伟平（1963-）男，河北保定人，博士，从事自动化领域的教学和科研工作。E -mail:lwp -123a@

速，在满足机组运行工况要求的前提下，使风机经常在需要的低转速下运行，噪声和磨损都比额定转速时低，有利于节约能源、环境保护、降低维修费用并延长设备寿命；实现电动机的软启动；对电动机提供各种保护功能；方便改变电动机的转向，实现部分空冷风机逆向运行；调速灵敏、线性度好。目前，采用变频器调整空冷风机转速已得到了较多的应用，实践证明这种变频调速方法具有很好的节能价值。

1空冷风机变频调速系统组成及结构

空冷风机变频系统的电源由变压器及PC 柜通

过母线分别送给每台空冷风机变频器，每台变频器安装于独立的变频控制柜内，以下介绍变频柜、柜内设备及控制回路情况。

1．1隔离刀熔

隔离刀熔为母线提供保护作用，另外当变频器

及电机检修时，可断开电源，提供明显的断开点。塑壳断路器也可起到相同的作用，与隔离刀熔相比，其缺点是结构复杂、故障率高。率取在额定转速的0%～110%。（2）通过正反转切换端子实现风机和电动机的正向和反向旋转。（3）实现过压、过流、接地、短路等保护功能。（4）实现电动机的软启动。

1．4交流输出电抗器

当变频器到电机的连线超过80m 时，建议采用

多绞线并安装可抑制高频振荡的交流输出电抗器，避免电机绝缘损坏、漏电流过大和变频器频繁保护。

1．5电动机

电动机需选用变频专用电动机，电动机功率根

据所选风机的不同为90～132kW 。

1．6变频器控制柜

变频器安置在一个就地控制柜内，柜内包括主

回路和控制回路、变频器与DCS 连接的用户接线端子、隔离刀熔、选择的输入/输出电抗器、可选择的输入/输出滤波器、保险丝、控制电路变压器及电机加热接触器等所有提供必要功能的设备。机柜外壳的防护等级，控制室内为IP32。机柜设计一般满足电缆由柜底引入的要求，特殊要求时电缆可由柜顶进入。机柜内端子排布置在易于安装接线的地方。在就

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第9期发电技术

地控制室变频器操作板上可对电机进行就地控制及显示。所有相关的电动机和变频器的组态参数设置，可由此操作显示设备完成。控制柜还具备：远方/就地转换开关、就地启/停操作开关；电源接通指示器、变频器运行指示器、变频器故障指示器。就地控制柜的设计要考虑由功率损失引起的散热要求，且保证冷却气流不被内置的装置阻隔。在控制柜上部安装轴流风机，每小时换气次数不少于400次。

1．7变频器控制回路

变频器与DCS间的信号联系分为DCS到变频器的控制指令和变频器到DCS的信号反馈。DCS到变频器的控制指令：变频器启动、停止信号，变频器输出频率控制指令，变频器反转指令；变频器到DCS的信号反馈：变频器运行状态、故障、输出频率、输出电流反馈。

1．8其他辅助回路

辅助回路包括控制电源隔离变压器供电线路、轴流风机供电线路、电动机和齿轮箱加热线路，它们都应具有各自独立的隔离开关和熔断器，起到方便检修和保护设备的作用。

2空冷风机变频调速节能原理［2］

直接空冷机组风机电机运行方式有全速、双速和变频调速3种。采用变频控制可节能、实现软启动，控制方便。

对风机的部分指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况，以往最常用的是调节风门、挡板开度的大小等来调整受控对象，这样，不论生产的需求大小，风机均全速运转，而运行工况的变化则在风门、挡板等处造成能量的节流损失，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量能源浪费和设备损耗，从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。对于直接空冷系统庞大的轴流冷却风机群，继续采用传统的方法调控显然不可行。

由流体力学可知，流量与电机转速的一次方成正比，水压与电机转速的二次方成正比，则功率与电机转速的三次方成正比［3］。如果效率一定，当要求调节流量下降时，转速可成比例下降，则轴输出功率成立方关系下降，即电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。降低风机转速，可使流量成正比减少，轴功率成立方关系降低，节电效果显著。因此，根据空冷机组不同的蒸汽负荷及环境温度，通过变频器调节空冷轴流冷却风机的转速，控制风机的启停，在节能方面的效益是显而易见的。

风机类设备多数采用异步电动机，直接启动存在着启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点，不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，会出现风机损坏、电机被烧毁的现象。

根据电动机的特性可知电动机的调速原理，异步电动机输出轴转速（简称电机转速）为：

n=（1-s）×60×f/p（1）式中：n为电动机同步转速，r/min；f为电动机定子供电频率，Hz；p为电动机极对数；s为转差率。

由式（1）可看出，改变公式中的参数f、p和s，即可改变电机的转速。变频调速就是通过均匀地改变定子供电频率f，平滑地改变电动机的转速，并在调速过程中，从高速到低速均能保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能及足够强度的机械特性。

变频调速在改变输出频率的同时也改变了电压，使电机运行曲线平行下移，电动机可在很低的频率和电压下启动，逐渐提高供电频率和电压，使之以较小的启动电流、最大的转矩（电机启动转矩可达到其最大转矩，即变频器可用于启动重载负荷）无冲击地启动。显然，变频调速在调速控制的同时实现了电动机软启动功能。利用软启动功能将使电动机启动电流从零开始，最大值不超过设定电流（如额定电流），降低了对电网的冲击和对供电容量的要求，减轻了启动机械转矩对电动机的机械损伤，延长了设备使用寿命，节省了设备维护费用。

另外，风机经常在需要的低转速下运行，噪声和磨损都比额定转速低，有利于环境保护，降低维修费用并延长了空冷器的寿命。而且轴流冷却风机经变频器控制可在20％～110％额定转速运行。变频调速装置通过硬接线和通信方式与DCS相连。直接空冷调速系统的调节与控制纳入DCS，可满足各种工况下汽轮机需要的运行条件，操作简便，控制灵活。

在我国北方新建的发电厂中，直接空冷机组占了很大比重。目前，已发电或在建的600MW直接空冷机组达60套以上，在这些直接空冷机组中，绝大部分采用了空冷风机变频调速，实际运行中，变频调速系统取得了显著的节能效益。

600MW直接空冷机组一般采用110kW变频电动机，变频器的功率为132kW。表1为某600MW 直接空冷机组变频器的实际数据。

由表1的数据可得出以下结论：当转速减小（相应工作频率下降）时，电机能耗大幅下降，可见变频调速的节电效果非常显著。同时伴随着转速下降，电机的磨损、发热、噪音也将大幅减少，由此获得的经济效益也不可忽视。

3结语