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高压变频器在电力和冶金行业的应用现状分析

2008年06月11日 16:00:00 葡京娱乐场官网网址:ronggang

摘要:高压变频器在我国有着广泛的应用空间和广阔的市场前景,本文主要针对高压变频器在电力、冶金行业的应用现状与特点,以及市场前景与容量进行分析综述。

关键词:高压变频器 电力 冶金 应用 市场

Analysis About the High Voltage Inverters‘ Application Status in Power and Metallurgy Industry Xuesong Wang ZhengmingZhao (Department of Electrical Engineering of Tsinghua Universicy, State Key Laboratory of Power System Beijing,China 100084)

Abstract:The high voltage inverter is widely applied in the future market in our country.In the paper not only the applied status and characteristics ale mainly presented,and also the market foreground and market capacity of the medium voltage inverter applied in power and metallurgy industry are given here.

Keywords:high voltage inverter,power industry,metallurgy industry,application status,market

随着高压变频技术的不断成熟,高压变频器在各个领域得到了广泛应用。高压变频器应用上的巨大节能潜力和优良的调速性能,使得它具有强劲的发展动力和广阔的市场空间。目前,高压变频技术已经成为电力传动领域的热门话题之一,对于大容量电力传动系统,尤其是大容量风机水泵系统进行高压变频改造已成为一种趋势,它为使用大功率传动装备的企业和行业带来了很大的节能效益。

1 高压变频器在电力和冶金行业应用现状

1.1电力行业应用现状

据统计,我国火力发电厂中使用的一次风机、送风机、引风机、给水泵、循环水泵和灰浆泵等风机和水泵的配套电动机总容量达15000MW,年总用电量达520亿kWh,占全国火电发电量的5%一8%[1]。而目前我国火电厂中除少量采用汽动给水泵,液力耦合器及双速电机外,其它风机和水泵基本上都采用定速驱动。这种定速驱动的风机采用入口风门,水泵采用出口阀门调节流量,都存在严重的节流损耗。尤其在机组变负荷运行时,由于风机和水泵的运行偏离高效率点,使运行效率降低。其原因是风机、水泵的流量与电机转速成正比,压力与转速的平方成正比,而功率与转速的立方成正比(如图1所示)。现有调节流量的方法不改变电机的转速,因此电机消耗的功率不变。若使用变频器对电机进行调速,达到用户期望的流量,则可以节约大量电能。国外火电厂的风机和水泵大都增设调速装置,而国内的火电厂辅机采用变频调速装置正在兴起。对于火电厂来说,发电厂辅机电动机的经济运行,直接关系到厂用电率的高低,换句话说,发电厂辅机电动机的有效调速运行,直接关系到电厂效益的高低。

我国50MW以上机组锅炉风机运行效率普遍很低,效率大约为45—65%。一般来讲,使用高压变频器后风机运行效率将提高20—30%,大约1.5至2年即可以收回改造投资费用。随着电力行业改革的不断深化,厂网分家、竞价上网等政策的逐步实施,降低厂用电率、降低发电成本、提高电价竞争力,已成为各发电厂努力追求的经济目标。从实际应用中可知:火力发电厂是高压变频器的使用大户,目前西门子、ABB、罗宾康、AB等国外品牌的电力用户占40%以上。大量的工程实践证明,推广变频技术可以改善许多生产系统的运行方式,如循环水、凝结水系统的流量调节控制等,对机组安全经济运行的改善是十分重要的手段。

对于一个300MW的火电机组来讲,与每个锅炉机组配套并且需要进行高压变频调速的设备主要有:钢球磨煤机4台,因机组发电量和煤质的不同,其主电机的功率从280kW至1100kW不等,取常见(平均)功率4x560kW,电压6kV(以下数据均取平均值,其工作电压均为6kV);制粉系统中的排粉风机2台,配套电机功率2x710kW;除灰系统中的灰浆泵3台(1台运行,1台备用,1台检修),其电机功率为3x250kW;锅炉送风机2台,电动机功率2xlOOOkW;锅炉引风机2台,电动机功率2x2000kW;锅炉一次风机2台,电动机功率2x630kW。以上全部负载容量合计11.67MW,占300MW机组额定总发电量的4%左右。另外,一些机组较多的大型电厂(如4x300MW、600MW、2x600MW等火电厂)还会有循环水泵(单机容量500kW~2300kW)、凝结水泵(单机容量560kW~2950kW)、给水泵(单机容量800kW~2300kW)等设备需要变频调速运行,这些设备通常至少需要两台机组互为备用运行。如果将这些设备的容量按满负荷进行合算,那么总用电量几乎等于实际全部厂用电,而实际上这些大型辅机的耗电量占厂用电的80%左右[2-3]

目前,只有一部分火电厂对送风机、引风机进行了高压变频改造,少数电厂对各种水泵及一次风机进行了改造,厂内拥有10~20台高压变频器。而大多数的电厂拥有高压变频器的数量不多于5台,有很多电厂没有应用高压变频器。根据国家电力信息网的数据[4],截止至2002年底,全国6MW以上火电机组总计3984台,装机总容量24446.86万kW。全国300MW及以上火电机组总计313台,装机总研究与开发容量达110,753.0MW。其中包括300MW机组191台,装机总容量57,300.0MW;320MW机组7台,装机总容量2,240.0MW;350MW机组44台,装机总容量15,600.0 MW;600MW机组26台,装机总容量15,600.0MW。200MW~300MW火电机组总计205台,装机总容量41,850.0MW。100MW-200MW火电机组总计343台,装机总容量39,798.7MW。如果按照50%的变频调速改造计算,需要高压变频器4000MW左右。而目前在我国火电厂已经应用的高压变频器数量为500~600多台左右[5],因此高压变频器在电力行业有着广阔的发展空间。

1.2冶金行业应用现状

在钢铁厂,一些重要的风机、水泵如炼钢除尘风机、高炉除尘风机、烧结余热风机、冷轧氢气加压机、锅炉给水泵等设备,通常由交流异步电机驱动。这些设备调速范围比较宽,对工艺、环保的影响比较大。早期大部分钢铁厂的风机、水泵设备不调速,直接采用工频供电,定速驱动,通过调节风门与阀门来控制风量与给水量,同样把能量都白白地浪费了。如果采用高压变频器进行变频调速,则可以节约大量的电能,给企业带来效益。此外,钢铁厂的大型风机如高炉鼓风机、烧结主排风机和制氧机的功率都比较大,一般采用同步电机驱动,也可以进行变频调速改造。

另外,在钢铁厂通常会使用一些起重设备,如装船机、卸船机、堆取料机、炼钢转炉氧、副枪与倾动设备以及大型行车等。这些起重设备的特点是它们属于位能性负载,要求启动转矩大,过载能力强,早期的调速设备一般采用直流调速。这种方法虽然技术成熟,但是日常的维护工作量很大,因此随着高压变频技术的不断发展、日趋成熟,交流变频调速已广泛的应用到了起重设备中。目前,钢铁厂的热轧、冷轧的主轧机也纷纷采用了高压变频器。热轧与冷轧用主轧机对调速的要求高,要求过载能力强,控制精度高,动态响应快,应用的高压变频器国外品牌居多。近些年来,高压变频器的节能效果和调速性能等都得到了企业的肯定,国内多家钢铁厂都已经进行了高压变频调速改造。而对于一个年产量30万吨的轧钢厂,其车间的电器设备总容量在18500kW左右,其中高压主传动设备电机容量为10200kW左右。其中包括:粗扎机1台,容量lx2000kW;一中扎机组4台,容量4x550kW:二中轧机组4台,容量4x500kW:精轧机组8台,容量8x500kW。在早期建设的轧钢厂中,这些主传动电机大部分采用直流电机,随着高压变频技术的成熟,这些电机逐步被交流调速所代替。简单计算一下,这些高压电机的用电率占到轧钢厂总用电的55%左右[6-7]

对于钢铁厂,高炉的主要外围设备有热风炉、除尘设备和水渣处理设备。一般每座高炉有3—4座热风炉,其中一座为向高炉送热风状态,一座为蓄热状态,一座为燃烧加热状态,某些钢铁厂会有一座备用热风炉,每台热风炉需配备1台鼓风机。部分钢铁厂的热风炉鼓风机采用直接由汽轮机带动大型鼓风机的方式,更多的钢铁厂已经改造为高压电动机带动鼓风机了。除尘设备中包括装料除尘风机和出铁除尘风机,由于出铁除尘风机的调速范围特别大,目前出铁除尘风机大量采用了变频调速。一般每台高炉至少配备2台除尘风机,配备3—4台冲渣给水泵[7]”。据中国钢铁工业协会网2006年1月公布的数据:2005年全国粗钢产量34936.15万吨,生铁产量33040.47万吨,钢材产量(含重复材)37117.02万吨。2005年,我国钢铁企业的规模迅速扩大。其中年产1000万吨粗钢以上的企业有达到8家,包括宝钢、鞍钢、武钢、首钢、沙钢、莱钢、济钢、唐钢;年产500万一970万吨粗钢的企业有10家,包括马钢、华菱钢铁、包钢、邯钢、本钢、攀钢、安阳钢铁、太钢、酒钢、建龙钢铁等;年产300万一500万吨粗钢的企业有16家。年产500万吨以上粗钢的18家钢铁企业,他们的粗钢产量合计达16197.16万吨,占全国粗钢产量的46.36%[8]。目前冶金行业的高压变频器主要应用在风机、水泵上,在轧机上应用的很少,因此高压变频器在冶金行业有着广阔的前景。

2高压变频器在电力、冶金行业应用特点

2.1 电力行业应用特点

电力行业高压变频器的应用主要集中在风机与泵类负载,并且呈现为单机容量较大的特点。电力行业应用新技术向来保守,原因是电力部门对供电安全的要求非常高,因此大型的高压风机改造目前还很不普遍。火电厂应用高压变频器的主要目的是调速节能,经过几年时间的运行实践,现在高压变频调速系统的可靠性基本可以满足发电企业的要求,火电厂已经逐渐接受了高压变频调速这一新技术。

对电厂而言,设备的可靠运行是最为重要的因素之一。任何一种辅机调速设备,不管性能多么好,节能多么显著,如果可靠性没有保证,一切就都无从谈起。因为一旦这些关键的辅机设备因调速装置故障而非正常停机,往往会导致主机负荷大幅度下降,严重时甚至将引起主机停机、锅炉熄火停运,从而造成发电事故,其引起的损失将远远不是节能效益可以比拟的。所以高压变频器在电厂应用,对其可靠性就有相当高的要求。例如,火电厂中的送风机和引风机。由于机组的负荷会经常变化,要保证锅炉炉膛负压、烟气氧量及相应的汽温、汽压稳定,因此就需要及时地调整送、吸风量及煤粉量。送风机一般采用调整入口导向叶片的方式实现风量调节,叶片开度经常在60%-80%之间变化,而引风机风门采用挡板调节,日常运行开度一般只有50%左右。利用高压变频器对其进行调速时,一般调速范围大约为40Hz-50Hz。

2.2冶金行业应用特点

冶金行业在国民经济中所处的地位非常重要,且都是规模较大,效益显著,连续、高效式地生产流程性企业。具备一定规模的钢铁企业基本上都已实现车间内的过程自动化控制,生产过程已经高度的自动化,生产现场有大量的现场设备需要进行控制。由于现场的环境非常恶劣,灰尘大、振动强、温度变化大,且需要24小时连续不断地运行,因此对生产现场控制设备较其它行业有了更高的要求。例如,钢铁厂的除尘风机是除尘净化系统的动力中枢,一旦它不能正常运行,不但会影响生产,造成巨大的经济损失,同时还有可能威胁到现场生产人员的人身安全。因此,与除尘风机配套的高压调速系统要求具有极高的可靠性。

以炼铁高炉的除尘风机为例,在高炉炼铁的生产过程中,出铁过程并不是连续不断的,而是周期性间断的。利用高压变频器适时对除尘风机进行变频调速控制,则可实现显著的节能效果。在出铁时,会产生大量的棕红色烟尘,此时要求除尘风机高速运行,变频器设定值则定为45Hz左右;而在不出铁时,风机只需要很低的转速,变频器设定值则定为20Hz左右。同样,在炼钢电炉中,除尘风机也要根据电炉产生的烟气量的不同,适时调节风量,满足生产工艺的要求。一般电炉的生产周期分为:加料、加铁、供电、供电供氧、采样、出钢及堵眼七个步骤。各个过程中电炉不但产生的烟气量不同,电炉的温度要求也不同。若风机风量过大,则会损失炉内热量,延长生产周期,浪费能源;若风量过小,则会导致炉内温度过高,可能烧毁设备。

另外,在冶金行业中,一些大功率设备要求传动系统具有很好的低速启动性能,同时要求电机和变频器具备较强的过载能力,如起重机、大功率的倾动设备等。还有一些大功率设备如轧机,要求传动系统具有很高的控制精度,快速的动态反应,同时也要具备一定的过载能力。加之现场运行环境恶劣,因此除了对变频器的调速精度和调速性能有较高要求外,对高压变频器系统及其控制网络的可靠性也有很高的要求。

3高压变频器的市场前景

据调查预测,中国变频器应用总的潜在市场应为1200—1800亿元,低压变频器将占市场份额的60%左右,中高压变频器则将占市场份额的40%。中国变频器市场目前正处于一个高速增长的时期,在过去几年内保持着12%~20%的高速增长,在2003年,市场规模甚至超过了55亿元人民币。有关人士认为,至少需要10年以后,中国的变频器市场才能饱和并趋于成熟[9]。高压变频器受高压电力电子器件的制约,在各行业中的应用才刚刚起步,有待进一步推广。目前高压变频器应用较多的行业是冶金、石化、电厂、城市供水和建材等。根据使用环境的不同,变频器的使用寿命从4年到15年不等,每年都会出现大量的产品更换市场。目前,国外高压变频器品牌主要有西门子、ABB、Rockwell、三菱、罗宾康等,国内主要有东方日立、利得华福等厂家,目前我国拥有高压变频器的总数已经超过了6000台。我国高压变频器市场的发展历程如图2所示[10-11],从图中很容易看出高压变频器市场的强劲上升势头。

3.1电力行业市场前景

据粗略估算,我国电力行业目前约有风机、水泵35万台,总容量近750万kW,年耗电400多亿度。其中6kV以上的高压电动机拖动的风机、水泵约3万台,容量达650万kW。火电厂需要进行调速的设备总容量占厂用电的50%~70%,这些设备是否经济运行将直接影响厂用电率的高低。采用高压变频器对火电厂进行改造后,将大大降低厂用电率,给企业带来很大的经济效益。另外,变频器又可以同机组自控系统相配合,提高自动回路投入率,组成完整的机组优化控制系统,达到省人、省力、省设备,提高机组整体自动化水平和电厂整体管理水平的目的。

随着大功率电力电子器件技术的发展,高电压大容量变频器的各项技术指标都得到了提高,功能越来越强,价格也越来越低,并且投资回收期也缩短了。这些都表明,高压变频器在火电厂的应用将会得到迅速推广。

3.2冶金行业市场前景

在冶金钢铁行业,如轧机、大型风机、水泵等这些大型用电设备数量虽然不多,只占20%左右,但其用电量却占到80%。通常风机、泵类等平方根转矩设备使用变频调速技术以后,效率可提高30%左右。而轧机等恒转矩设备效率可提高15—30%,平均20%左右。此外,应用变频调速技术还可以提高电机的功率因数(一般可达0.98),减少设备的维修量,延长设备的使用寿命,减少事故停车给生产带来的重大损失。这些对降低运行成本都会带来很大的好处[12]。例如,轧钢加热炉上使用变频调速技术实现煤气/空气比值自动控制调节,不但减少了空气风机的耗电量,还确保了煤气和空气燃烧配比,保证了煤气的充分燃烧,减少了煤气的消耗量。煤气消耗量的减少带来的经济效益远在节电效益之上,同时还减少了工人的生产操作强度。

4高压变频器的市场容量

据统计,我国目前在用的交流电动机容量约4亿kW,用于风机水泵的电动机占40%左右,总容量达1.6亿kW。其中大型风机、水泵的高压电动机容量又占全部风机水泵的40%(即6400万kW)。保守估算,如果实现20%变频改造,将达1280万kW,不难算出节电效益也将十分显著。如按平均节电率20%-30%计算,则可节电功率256~384万kW。除新建的大型风机、水泵配套的高压变频器之外,仅对已建成的大型风机水泵进行高压变频调速改造来计算分析:若1280万kW分5年改造完毕,则每年改造250万kW左右,按目前市价1500~2000元/kw计算,则每年将有37.5~50亿元的市场营销额[12]。目前,高压变频器市场尚处于发展探索阶段,2004年高压变频器的市场规模为8.5亿元,占总的变频器市场规模(66.3亿元)的13%左右,高压变频器在各行业的市场份额如图3所示[11]

4.1电力行业市场容量

在高压变频器的市场中,电力行业的需求和市场容量最大,占到50%以上。在已运行的火电厂中,需要进行变频调速改造的高压大容量电机达5000余台,仅该领域的市场潜力就达65亿元之多。根据国民经济发展规划,21世纪开始的十年电力建设发展速度约为7%~8%,平均每年新增装机2400~2500万kW,与机组配套的每年新增风机、水泵等高压大容量旋转设备需要500~600台。仅对这些新增设备的配套高压变频器作估算,每年市场潜力就可达6.5~7.8亿元[13]

4.2冶金行业市场容量

冶金行业的用电量占全国工业总用电的14.18%。在我国,电机驱动系统的能源利用率比国外平均水平低20%左右,电机只相当于国外20世纪50~60年代的技术水平,有很大的节能潜力。冶金行业目前用的开采电钻、电铲大多数采用直流调速,电机容量在100~500kW之间,只有少量引进的设备采用了交流变频调速;矿井提升机的传动电机容量在500—4000kW之间,采用直流传动,也有部分改为交流调速传动;矿井通风机、排水泵等矿井安全生产保障的主力设备,电机容量在200~800kW之间,而且数量很多,节能潜力巨大。

仅在钢铁行业应用的风机、水泵总装机容量就在200万kW以上,随着冶金工业的产品结构调整和冶金生产的环保要求,冶金工业将大量新建轧钢生产线,并大量应用除尘风机和冷却水泵,这样每年的新增容量也将非常可观。其中有50%的风机、水泵需要进行交流变频调速改造或新装机组自身配套高压变频器,其市场容量也将超过百万kW。

高压变频器的发展正方兴未艾。随着电力电子技术本身的发展以及国民经济高速发展的需要,高压变频器在我国电力、冶金及其它行业的应用也必将有一个更大的发展。高压变频器的可靠应用将成为我国电力节能的主要措施之一。

参考文献

[1] 徐甫荣.发电厂风机水泵变频调速节能改造路在何方,变频器世界.2004,10:12~16

[2] 刘爱忠.燃煤锅炉机组.北京:中国电力出版社.2001

[3] 钟史明.火电厂设计基础.北京:中国电力出版社.1998

[4] 国家电力信息网.2002年年底单机6000kW及以上发电机组分类情况. http://www.sp.com.cn/zgdl/dyxx/fdjz_fl_1.htm

[5] 王松,吴小洪等.火电厂高压电动机调速技术应用情况分析,变频器世界.2005,9:52~55

[6] 陈延镖等.钢铁企业电力设计手册(上、下册).北京:冶金工业出版社.1996.1

[7] 天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册.北京:机械工业出版社.1992

[8] 中国钢铁工业协会.中国钢铁工业协会2006年第一次信息发布会新闻稿. http://www.chinaisa.org.cn/show.php?newsid=2127344

[9] 余梅君.变频调速技术的发展及在冶金行业的应用.江苏冶金.2000,6:47~48

[10]中国工控信息网.高压变频器在我国的发展. http://www.7613.com/inproduct/wen/read.asp?id=390

[11]中国工控信息网.逆风飞扬一高压变频器市场走势,变频器技术应用,2006,1:48~48

[12]刘亮喜,潘怡忠.用于节能的高压变频调速器产品现状.变频器世界.2005,4:63—66

[13]中国机电企业网.我国电力行业高压变频器市场潜力巨大.http://info.electric hc360.com/2005/l 2~7085845070

原文请点击下载:高压变频器在电力和冶金行业的应用现状分析.pdf

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