1、引言

包頭稀土鋁業(yè)有限責任公司是一家大型現(xiàn)代化鋁電一體化工廠，一期工程于2003年10月28日投產(chǎn)。目前已形成88萬噸/年產(chǎn)能，配套建設的熱電機組已經(jīng)陸續(xù)建成。包頭希鋁各項經(jīng)濟技術指標在國內(nèi)領先，是一個高起點、大容量、低污染的大型現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)。該項目被中國光彩事業(yè)促進會列入全國光彩事業(yè)重點項目。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(nèi)蒙古自治區(qū)級循環(huán)經(jīng)濟園區(qū)。
包頭希望鋁業(yè)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(wǎng)發(fā)電。電廠現(xiàn)有2臺155MW凝汽式發(fā)電機機組運行，隨著電網(wǎng)內(nèi)大機組的相繼投產(chǎn)，該廠的調(diào)峰任務越來越重，峰谷差日益增大，根據(jù)現(xiàn)場運行資料統(tǒng)計，155MW機組每日的負荷一般在73.6MW左右。系統(tǒng)處于低負荷運行時，系統(tǒng)相關設備也要隨著負荷的變化作相應的調(diào)整，必須通過關小擋板或閥門來調(diào)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(jié)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(wǎng)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(fā)熱，加速絕緣老化，縮短使用壽命。而高壓變頻器調(diào)速裝置可以實現(xiàn)電機的軟啟動，通過調(diào)整頻率來改變電機轉(zhuǎn)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(diào)速節(jié)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(guī)律改變脈沖列的脈沖寬度或幅度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的，從而實現(xiàn)電動機電壓和頻率的平滑變化。
根據(jù)電機學原理，交流異步電動機轉(zhuǎn)速由下式確定:
式中：n，f——分別為電動機轉(zhuǎn)速，供電頻率； n，s——分別為電動機極對數(shù)，轉(zhuǎn)差率。
由式(1)可知，電動機的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、電機的極對數(shù)有關，改變極對數(shù)的成為變極調(diào)速，此種調(diào)速屬于有極調(diào)速，調(diào)速不平滑，主要用于不需要頻繁變速的地方。改變電機轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方式有：調(diào)壓調(diào)速，電磁調(diào)速，繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，該種調(diào)速需要產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)差率，消耗轉(zhuǎn)差功率，屬于低效調(diào)速。而通過改變電機的輸入頻率的變頻調(diào)速，近似無級調(diào)速，是高效不耗能的調(diào)速方式，也是現(xiàn)在應用最廣泛的一種調(diào)速方式。
2.2高壓變頻器節(jié)能原理
根據(jù)流體力學的基本定律可知：風機(或水泵)類設備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩； P——軸功率。
由公式(2)、(3)、(4)可知，風機(或水泵)的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，壓力(或揚程)與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。當風機轉(zhuǎn)速降低后，其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方降低，驅(qū)動風機的電機所需的電功率亦可相應降低。因此調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速是風機節(jié)能的重要途徑。

3．高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)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，采用多個低壓變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)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(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)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(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)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(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(tǒng)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(zhuǎn)速的目的。主控系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)水泵，功率為200kw，4臺送風機，功率為630kw。
根據(jù)現(xiàn)場實際情況，7套高壓變頻器的現(xiàn)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(cè)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(diào)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，變頻器可完全和電網(wǎng)脫離，便于維護與檢修。
3.3運行情況及節(jié)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(xiàn)場調(diào)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(jié)能效果明顯。
通過記錄現(xiàn)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(jié)電量約為49272 kwh，同比節(jié)電率為20%，節(jié)電效果明顯。

下表為#5爐、#6爐風機變頻節(jié)能周對比數(shù)據(jù)

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(jié)省電費為：630*20%*300*24*0.5≈45萬元。
4、總結(jié)
我國擁有為數(shù)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，這些電廠多數(shù)為中、小型機組，數(shù)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。風機水泵的流量壓力調(diào)節(jié)方式基本為進出口閘門的調(diào)節(jié)，耗能大，經(jīng)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(wǎng)電量帶來的直接經(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，適合于電廠輔機的變頻調(diào)速，能提高電廠運行和供電的可靠性，節(jié)約大量能源，為電廠帶來較大的經(jīng)濟效益和社會效益。