摘要：高壓變頻器在我國有著廣泛的應用空間和廣闊的市場前景，本文主要針對高壓變頻器在電力、冶金行業的應用現狀與特點，以及市場前景與容量進行分析綜述。

關鍵詞：高壓變頻器 電力 冶金 應用 市場

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

隨著高壓變頻技術的不斷成熟，高壓變頻器在各個領域得到了廣泛應用。高壓變頻器應用上的巨大節能潛力和優良的調速性能，使得它具有強勁的發展動力和廣闊的市場空間。目前，高壓變頻技術已經成為電力傳動領域的熱門話題之一，對于大容量電力傳動系統，尤其是大容量風機水泵系統進行高壓變頻改造已成為一種趨勢，它為使用大功率傳動裝備的企業和行業帶來了很大的節能效益。

1 高壓變頻器在電力和冶金行業應用現狀

1.1電力行業應用現狀

據統計，我國火力發電廠中使用的一次風機、送風機、引風機、給水泵、循環水泵和灰漿泵等風機和水泵的配套電動機總容量達15000MW，年總用電量達520億kWh，占全國火電發電量的5％一8％^[1]。而目前我國火電廠中除少量采用汽動給水泵，液力耦合器及雙速電機外，其它風機和水泵基本上都采用定速驅動。這種定速驅動的風機采用入口風門，水泵采用出口閥門調節流量，都存在嚴重的節流損耗。尤其在機組變負荷運行時，由于風機和水泵的運行偏離高效率點，使運行效率降低。其原因是風機、水泵的流量與電機轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，而功率與轉速的立方成正比（如圖1所示）。現有調節流量的方法不改變電機的轉速，因此電機消耗的功率不變。若使用變頻器對電機進行調速，達到用戶期望的流量，則可以節約大量電能。國外火電廠的風機和水泵大都增設調速裝置，而國內的火電廠輔機采用變頻調速裝置正在興起。對于火電廠來說，發電廠輔機電動機的經濟運行，直接關系到廠用電率的高低，換句話說，發電廠輔機電動機的有效調速運行，直接關系到電廠效益的高低。

我國50MW以上機組鍋爐風機運行效率普遍很低，效率大約為45—65％。一般來講，使用高壓變頻器后風機運行效率將提高20—30％，大約1.5至2年即可以收回改造投資費用。隨著電力行業改革的不斷深化，廠網分家、競價上網等政策的逐步實施，降低廠用電率、降低發電成本、提高電價競爭力，已成為各發電廠努力追求的經濟目標。從實際應用中可知：火力發電廠是高壓變頻器的使用大戶，目前西門子、ABB、羅賓康、AB等國外品牌的電力用戶占40％以上。大量的工程實踐證明，推廣變頻技術可以改善許多生產系統的運行方式，如循環水、凝結水系統的流量調節控制等，對機組安全經濟運行的改善是十分重要的手段。

對于一個300MW的火電機組來講，與每個鍋爐機組配套并且需要進行高壓變頻調速的設備主要有：鋼球磨煤機4臺，因機組發電量和煤質的不同，其主電機的功率從280kW至1100kW不等，取常見（平均）功率4x560kW，電壓6kV（以下數據均取平均值，其工作電壓均為6kV）；制粉系統中的排粉風機2臺，配套電機功率2x710kW；除灰系統中的灰漿泵3臺（1臺運行，1臺備用，1臺檢修），其電機功率為3x250kW；鍋爐送風機2臺，電動機功率2xlOOOkW；鍋爐引風機2臺，電動機功率2x2000kW；鍋爐一次風機2臺，電動機功率2x630kW。以上全部負載容量合計11.67MW，占300MW機組額定總發電量的4％左右。另外，一些機組較多的大型電廠（如4x300MW、600MW、2x600MW等火電廠）還會有循環水泵（單機容量500kW～2300kW）、凝結水泵（單機容量560kW～2950kW）、給水泵（單機容量800kW～2300kW）等設備需要變頻調速運行，這些設備通常至少需要兩臺機組互為備用運行。如果將這些設備的容量按滿負荷進行合算，那么總用電量幾乎等于實際全部廠用電，而實際上這些大型輔機的耗電量占廠用電的80％左右^[2-3]。

目前，只有一部分火電廠對送風機、引風機進行了高壓變頻改造，少數電廠對各種水泵及一次風機進行了改造，廠內擁有10～20臺高壓變頻器。而大多數的電廠擁有高壓變頻器的數量不多于5臺，有很多電廠沒有應用高壓變頻器。根據國家電力信息網的數據^[4]，截止至2002年底，全國6MW以上火電機組總計3984臺，裝機總容量24446.86萬kW。全國300MW及以上火電機組總計313臺，裝機總研究與開發容量達110,753.0MW。其中包括300MW機組191臺，裝機總容量57,300.0MW；320MW機組7臺，裝機總容量2,240.0MW；350MW機組44臺，裝機總容量15,600.0 MW；600MW機組26臺，裝機總容量15，600.0MW。200MW～300MW火電機組總計205臺，裝機總容量41,850.0MW。100MW-200MW火電機組總計343臺，裝機總容量39,798.7MW。如果按照50％的變頻調速改造計算，需要高壓變頻器4000MW左右。而目前在我國火電廠已經應用的高壓變頻器數量為500～600多臺左右^[5]，因此高壓變頻器在電力行業有著廣闊的發展空間。

1.2冶金行業應用現狀

在鋼鐵廠，一些重要的風機、水泵如煉鋼除塵風機、高爐除塵風機、燒結余熱風機、冷軋氫氣加壓機、鍋爐給水泵等設備，通常由交流異步電機驅動。這些設備調速范圍比較寬，對工藝、環保的影響比較大。早期大部分鋼鐵廠的風機、水泵設備不調速，直接采用工頻供電，定速驅動，通過調節風門與閥門來控制風量與給水量，同樣把能量都白白地浪費了。如果采用高壓變頻器進行變頻調速，則可以節約大量的電能，給企業帶來效益。此外，鋼鐵廠的大型風機如高爐鼓風機、燒結主排風機和制氧機的功率都比較大，一般采用同步電機驅動，也可以進行變頻調速改造。

另外，在鋼鐵廠通常會使用一些起重設備，如裝船機、卸船機、堆取料機、煉鋼轉爐氧、副槍與傾動設備以及大型行車等。這些起重設備的特點是它們屬于位能性負載，要求啟動轉矩大，過載能力強，早期的調速設備一般采用直流調速。這種方法雖然技術成熟，但是日常的維護工作量很大，因此隨著高壓變頻技術的不斷發展、日趨成熟，交流變頻調速已廣泛的應用到了起重設備中。目前，鋼鐵廠的熱軋、冷軋的主軋機也紛紛采用了高壓變頻器。熱軋與冷軋用主軋機對調速的要求高，要求過載能力強，控制精度高，動態響應快，應用的高壓變頻器國外品牌居多。近些年來，高壓變頻器的節能效果和調速性能等都得到了企業的肯定，國內多家鋼鐵廠都已經進行了高壓變頻調速改造。而對于一個年產量30萬噸的軋鋼廠，其車間的電器設備總容量在18500kW左右，其中高壓主傳動設備電機容量為10200kW左右。其中包括：粗扎機1臺，容量lx2000kW；一中扎機組4臺，容量4x550kW：二中軋機組4臺，容量4x500kW：精軋機組8臺，容量8x500kW。在早期建設的軋鋼廠中，這些主傳動電機大部分采用直流電機，隨著高壓變頻技術的成熟，這些電機逐步被交流調速所代替。簡單計算一下，這些高壓電機的用電率占到軋鋼廠總用電的55％左右^[6-7]。

對于鋼鐵廠，高爐的主要外圍設備有熱風爐、除塵設備和水渣處理設備。一般每座高爐有3—4座熱風爐，其中一座為向高爐送熱風狀態，一座為蓄熱狀態，一座為燃燒加熱狀態，某些鋼鐵廠會有一座備用熱風爐，每臺熱風爐需配備1臺鼓風機。部分鋼鐵廠的熱風爐鼓風機采用直接由汽輪機帶動大型鼓風機的方式，更多的鋼鐵廠已經改造為高壓電動機帶動鼓風機了。除塵設備中包括裝料除塵風機和出鐵除塵風機，由于出鐵除塵風機的調速范圍特別大，目前出鐵除塵風機大量采用了變頻調速。一般每臺高爐至少配備2臺除塵風機，配備3—4臺沖渣給水泵^[7]”。據中國鋼鐵工業協會網2006年1月公布的數據：2005年全國粗鋼產量34936.15萬噸，生鐵產量33040.47萬噸，鋼材產量（含重復材）37117.02萬噸。2005年，我國鋼鐵企業的規模迅速擴大。其中年產1000萬噸粗鋼以上的企業有達到8家，包括寶鋼、鞍鋼、武鋼、首鋼、沙鋼、萊鋼、濟鋼、唐鋼；年產500萬一970萬噸粗鋼的企業有10家，包括馬鋼、華菱鋼鐵、包鋼、邯鋼、本鋼、攀鋼、安陽鋼鐵、太鋼、酒鋼、建龍鋼鐵等；年產300萬一500萬噸粗鋼的企業有16家。年產500萬噸以上粗鋼的18家鋼鐵企業，他們的粗鋼產量合計達16197.16萬噸，占全國粗鋼產量的46.36％^[8]。目前冶金行業的高壓變頻器主要應用在風機、水泵上，在軋機上應用的很少，因此高壓變頻器在冶金行業有著廣闊的前景。

2高壓變頻器在電力、冶金行業應用特點

2.1 電力行業應用特點

電力行業高壓變頻器的應用主要集中在風機與泵類負載，并且呈現為單機容量較大的特點。電力行業應用新技術向來保守，原因是電力部門對供電安全的要求非常高，因此大型的高壓風機改造目前還很不普遍。火電廠應用高壓變頻器的主要目的是調速節能，經過幾年時間的運行實踐，現在高壓變頻調速系統的可靠性基本可以滿足發電企業的要求，火電廠已經逐漸接受了高壓變頻調速這一新技術。

對電廠而言，設備的可靠運行是最為重要的因素之一。任何一種輔機調速設備，不管性能多么好，節能多么顯著，如果可靠性沒有保證，一切就都無從談起。因為一旦這些關鍵的輔機設備因調速裝置故障而非正常停機，往往會導致主機負荷大幅度下降，嚴重時甚至將引起主機停機、鍋爐熄火停運，從而造成發電事故，其引起的損失將遠遠不是節能效益可以比擬的。所以高壓變頻器在電廠應用，對其可靠性就有相當高的要求。例如，火電廠中的送風機和引風機。由于機組的負荷會經常變化，要保證鍋爐爐膛負壓、煙氣氧量及相應的汽溫、汽壓穩定，因此就需要及時地調整送、吸風量及煤粉量。送風機一般采用調整入口導向葉片的方式實現風量調節，葉片開度經常在60％-80％之間變化，而引風機風門采用擋板調節，日常運行開度一般只有50％左右。利用高壓變頻器對其進行調速時，一般調速范圍大約為40Hz-50Hz。

2.2冶金行業應用特點

冶金行業在國民經濟中所處的地位非常重要，且都是規模較大，效益顯著，連續、高效式地生產流程性企業。具備一定規模的鋼鐵企業基本上都已實現車間內的過程自動化控制，生產過程已經高度的自動化，生產現場有大量的現場設備需要進行控制。由于現場的環境非常惡劣，灰塵大、振動強、溫度變化大，且需要24小時連續不斷地運行，因此對生產現場控制設備較其它行業有了更高的要求。例如，鋼鐵廠的除塵風機是除塵凈化系統的動力中樞，一旦它不能正常運行，不但會影響生產，造成巨大的經濟損失，同時還有可能威脅到現場生產人員的人身安全。因此，與除塵風機配套的高壓調速系統要求具有極高的可靠性。

以煉鐵高爐的除塵風機為例，在高爐煉鐵的生產過程中，出鐵過程并不是連續不斷的，而是周期性間斷的。利用高壓變頻器適時對除塵風機進行變頻調速控制，則可實現顯著的節能效果。在出鐵時，會產生大量的棕紅色煙塵，此時要求除塵風機高速運行，變頻器設定值則定為45Hz左右；而在不出鐵時，風機只需要很低的轉速，變頻器設定值則定為20Hz左右。同樣，在煉鋼電爐中，除塵風機也要根據電爐產生的煙氣量的不同，適時調節風量，滿足生產工藝的要求。一般電爐的生產周期分為：加料、加鐵、供電、供電供氧、采樣、出鋼及堵眼七個步驟。各個過程中電爐不但產生的煙氣量不同，電爐的溫度要求也不同。若風機風量過大，則會損失爐內熱量，延長生產周期，浪費能源；若風量過小，則會導致爐內溫度過高，可能燒毀設備。

另外，在冶金行業中，一些大功率設備要求傳動系統具有很好的低速啟動性能，同時要求電機和變頻器具備較強的過載能力，如起重機、大功率的傾動設備等。還有一些大功率設備如軋機，要求傳動系統具有很高的控制精度，快速的動態反應，同時也要具備一定的過載能力。加之現場運行環境惡劣，因此除了對變頻器的調速精度和調速性能有較高要求外，對高壓變頻器系統及其控制網絡的可靠性也有很高的要求。

3高壓變頻器的市場前景

據調查預測，中國變頻器應用總的潛在市場應為1200—1800億元，低壓變頻器將占市場份額的60％左右，中高壓變頻器則將占市場份額的40％。中國變頻器市場目前正處于一個高速增長的時期，在過去幾年內保持著12％～20％的高速增長，在2003年，市場規模甚至超過了55億元人民幣。有關人士認為，至少需要10年以后，中國的變頻器市場才能飽和并趨于成熟^[9]。高壓變頻器受高壓電力電子器件的制約，在各行業中的應用才剛剛起步，有待進一步推廣。目前高壓變頻器應用較多的行業是冶金、石化、電廠、城市供水和建材等。根據使用環境的不同，變頻器的使用壽命從4年到15年不等，每年都會出現大量的產品更換市場。目前，國外高壓變頻器品牌主要有西門子、ABB、Rockwell、三菱、羅賓康等，國內主要有東方日立、利得華福等廠家，目前我國擁有高壓變頻器的總數已經超過了6000臺。我國高壓變頻器市場的發展歷程如圖2所示^[10-11]，從圖中很容易看出高壓變頻器市場的強勁上升勢頭。

3.1電力行業市場前景

據粗略估算，我國電力行業目前約有風機、水泵35萬臺，總容量近750萬kW，年耗電400多億度。其中6kV以上的高壓電動機拖動的風機、水泵約3萬臺，容量達650萬kW。火電廠需要進行調速的設備總容量占廠用電的50％～70％，這些設備是否經濟運行將直接影響廠用電率的高低。采用高壓變頻器對火電廠進行改造后，將大大降低廠用電率，給企業帶來很大的經濟效益。另外，變頻器又可以同機組自控系統相配合，提高自動回路投入率，組成完整的機組優化控制系統，達到省人、省力、省設備，提高機組整體自動化水平和電廠整體管理水平的目的。

隨著大功率電力電子器件技術的發展，高電壓大容量變頻器的各項技術指標都得到了提高，功能越來越強，價格也越來越低，并且投資回收期也縮短了。這些都表明，高壓變頻器在火電廠的應用將會得到迅速推廣。

3.2冶金行業市場前景

在冶金鋼鐵行業，如軋機、大型風機、水泵等這些大型用電設備數量雖然不多，只占20％左右，但其用電量卻占到80％。通常風機、泵類等平方根轉矩設備使用變頻調速技術以后，效率可提高30％左右。而軋機等恒轉矩設備效率可提高15—30％，平均20％左右。此外，應用變頻調速技術還可以提高電機的功率因數（一般可達0.98），減少設備的維修量，延長設備的使用壽命，減少事故停車給生產帶來的重大損失。這些對降低運行成本都會帶來很大的好處^[12]。例如，軋鋼加熱爐上使用變頻調速技術實現煤氣／空氣比值自動控制調節，不但減少了空氣風機的耗電量，還確保了煤氣和空氣燃燒配比，保證了煤氣的充分燃燒，減少了煤氣的消耗量。煤氣消耗量的減少帶來的經濟效益遠在節電效益之上，同時還減少了工人的生產操作強度。

4高壓變頻器的市場容量

據統計，我國目前在用的交流電動機容量約4億kW，用于風機水泵的電動機占40％左右，總容量達1.6億kW。其中大型風機、水泵的高壓電動機容量又占全部風機水泵的40％（即6400萬kW）。保守估算，如果實現20％變頻改造，將達1280萬kW，不難算出節電效益也將十分顯著。如按平均節電率20％-30％計算，則可節電功率256～384萬kW。除新建的大型風機、水泵配套的高壓變頻器之外，僅對已建成的大型風機水泵進行高壓變頻調速改造來計算分析：若1280萬kW分5年改造完畢，則每年改造250萬kW左右，按目前市價1500～2000元／kw計算，則每年將有37.5～50億元的市場營銷額^[12]。目前，高壓變頻器市場尚處于發展探索階段，2004年高壓變頻器的市場規模為8.5億元，占總的變頻器市場規模（66.3億元）的13％左右，高壓變頻器在各行業的市場份額如圖3所示^[11]。

4.1電力行業市場容量

在高壓變頻器的市場中，電力行業的需求和市場容量最大，占到50％以上。在已運行的火電廠中，需要進行變頻調速改造的高壓大容量電機達5000余臺，僅該領域的市場潛力就達65億元之多。根據國民經濟發展規劃，21世紀開始的十年電力建設發展速度約為7％～8％，平均每年新增裝機2400～2500萬kW，與機組配套的每年新增風機、水泵等高壓大容量旋轉設備需要500～600臺。僅對這些新增設備的配套高壓變頻器作估算，每年市場潛力就可達6.5～7.8億元^[13]。

4.2冶金行業市場容量

冶金行業的用電量占全國工業總用電的14.18％。在我國，電機驅動系統的能源利用率比國外平均水平低20％左右，電機只相當于國外20世紀50～60年代的技術水平，有很大的節能潛力。冶金行業目前用的開采電鉆、電鏟大多數采用直流調速，電機容量在100～500kW之間，只有少量引進的設備采用了交流變頻調速；礦井提升機的傳動電機容量在500—4000kW之間，采用直流傳動，也有部分改為交流調速傳動；礦井通風機、排水泵等礦井安全生產保障的主力設備，電機容量在200～800kW之間，而且數量很多，節能潛力巨大。

僅在鋼鐵行業應用的風機、水泵總裝機容量就在200萬kW以上，隨著冶金工業的產品結構調整和冶金生產的環保要求，冶金工業將大量新建軋鋼生產線，并大量應用除塵風機和冷卻水泵，這樣每年的新增容量也將非常可觀。其中有50％的風機、水泵需要進行交流變頻調速改造或新裝機組自身配套高壓變頻器，其市場容量也將超過百萬kW。

高壓變頻器的發展正方興未艾。隨著電力電子技術本身的發展以及國民經濟高速發展的需要，高壓變頻器在我國電力、冶金及其它行業的應用也必將有一個更大的發展。高壓變頻器的可靠應用將成為我國電力節能的主要措施之一。

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