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[摘 要]本文从变频器节能技术原理入手，介绍了相似定律、电机调速原理、调速节能、无功补偿节能、软启动节能等内容，并采用上述理论对变频器在AP1000核电厂中的应用进行了分析，探讨了变频技术在AP1000核电厂中的应用前景。
[关键词]AP1000；核电；变频器；节能
中图分类号：P857 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）28-0053-01
1 概述
在我国的电力工业中，风机和水泵的用电占电动机用电的50%左右，是最主要的耗电设备。此类设备大多长期连续运行，且常处于低负荷及变负荷运行状态，节能潜力巨大。而发电厂风机和水泵电机的经济运行，又直接关系到厂用电率的高低。近年来，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。因此，认真做好风机和水泵电机的节能工作，具有重要意义。
2 变频器节能技术原理简介
2.1 相似定律
对于水泵及风机而言，在一定条件下遵循相似定律：
即，流量Q与转速n的一次方成正比，压力H与转速n的平方成正比，功率P与转速n的立方成正比，当转速减小时，所需功率近似按流量的立方大幅度下降，电机变速运行是节能的有效途径。
2.2 电机调速原理
电机的转速调节参考异步电机调速公式：
式中：n——电机转速；p——电机磁极对数；s——电机转差率；f1 ——电机输入频率；
从公式可知，电机转速主要由电机磁极对数p、转差率s和电机输入频率f1三个参数决定。
2.3 变频调速节能率计算
采用相似定律计算变频调速的节能率时，应先计算原系统使用阀门、挡板等进行流量调节时的耗电量，计算公式[3]如下：
式中，PL——采用阀门、挡板等方式进行流量调节时的电机输入功率（kW）；Pe——额定流量时电机输入功率（kW）；QN——额定流量；Q——调节后的流量，Q=0.5～1.0QN；
采用变频技术进行调速时，耗电量根据相似定律进行计算：
式中，Pi——采用变频器进行流量控制时的电机输入功率（kW）；
则采用变频器后，节电率计算公式为
式中，Ki——采用变频器进行流量控制时的节电率；
3 变频节能技术在AP1000核电厂中的应用分析
AP1000核电厂必须配备的水泵电机数量多，总装机容量大，是AP1000电厂中耗电量最大的一类电机。由于设计中层层加码，留有过大的设计裕量，同时为满足生产工艺上的要求而采用节流调节，造成较大的能源浪费现象。
考虑到核电厂运行安全性、可靠性及稳定性等因素，目前AP1000电厂核岛范围内的水泵除主给水泵因频率匹配等原因采用了变频器外，暂未有其他水泵采用变频器进行流量控制。但在常规岛及BOP区域，有部分水泵不涉及电厂的安全运行，能耗较高，且运行方式多变，节能潜力巨大，可考虑采用变频调速技术进行设计，如取水子项补给水泵、汽轮机厂房循环水泵和凝结水泵、热网水泵、生活水泵等。下文以AP1000依托项目取水工程子项补给水泵为例进行说明。
某AP1000依托项目核电厂一期工程取水子项共规划4台补给水泵，水库经常运行水位时2台运行2台备用，要求每台泵流量为4750m3/h；水库设计低水位时3台运行1台备用，此时要求每台泵流量为3800m3/h。水泵设计流量5250m3/h，配套电机功率800kW，额定电压10kV，额定频率50Hz。
补给水泵每天24小时不间断连续运行，设计采用调节阀门的方式实现水流量控制，经常运行水位工况下每年运行时间为8个月，设计低水位工况下每年运行时间为4个月。
在设计低水位工况时，若使用三台泵运行，单台泵流量不足，效率低下；若使用两台泵运行，单台泵流量又偏大。设计采用调节阀实现水流量控制，阀门的节流损耗较大，泵的运行效率较低。若进行变频调速改造，既可节能降耗，又能根据机组负荷和季节的变化调节取水流量，实现流量的高精度控制和水泵经济运行的目的。
可考虑四台补给水泵采用两台中压变频器，系统设计采用一拖一带工频旁路方案。考虑到水泵的检修和连续工作，保证始终有两台泵调速工作。经常运行水位工况时两台泵调速工作；设计低水位工况时一台泵定速工作，另外两台泵以变频器驱动调节水流量。下文对采用调节阀门和变频器两种流量控制方式进行能耗计算和对比分析。
（1）采用调节阀门的方式控制流量
经常运行水位工况下水泵耗电量为
800×[0.45+0.55×（4750/5250）2]×2×24×30×8=8296489.8度
设计低水位工况下水泵耗电量为
800×[0.45+0.55×（3800/5250）2]×3×24×30×4=5102059.1度
每度电按核电上网电价0.45元计算，则每年补给水泵电费为
（8296489.8+5102059.1） ×0.45=6029347.005元=602.9万元
（2）采用变频器控制流量
变频器效率取0.96，
经常运行水位工况下水泵耗电量为
800×（4750/5250）3×2×24×30×8÷0.96=7110074.5度
设计低水位工况下水泵耗电量为
800×（3800/5250）3×2×24×30×4÷0.96
+800×[0.45+0.55×（3800/5250）2]×1×24×30×4=3520865.4度
每年补水泵电费为
（7110074.5+3520865.4） ×0.45=4783923.0元=478.4万元
（3）综合（1）和（2），则
采用变频器后，每年可节约电费
602.9-478.4=124.5万元
节电率为
124.5/602.9=0.206=20.6%
目前，市场上10kV，800kW的中压变频器价格约为100万元/台，采用两台变频器共需增加一次性投资200万元，则200/124.5=1.6年可收回成本。每台变频器使用寿命约为15年，按AP1000核电厂60年设计寿命计算，则寿命周期内共可节约投资124.5×60-200×（60÷15）=6670万元。可见，在保证满足工艺要求的前提下，采用变频器可有效降低取水工程子项的年耗电量，提高水泵运行效率，实现水泵经济运行，降低项目总投资。
4 结论
通过对相似定律的研究，可知电机转速与能耗之间存在较为紧密的联系，即降低电机转速可有效降低能耗。而在众多电机调速方法中，变频调速调节精度高、效率好，是目前最理想的调速技术。
随着变频调速技术的发展和变频器运行稳定性、可靠性的提高，变频技术已开始在核电厂中得到应用，AP1000依托项目核岛VBS系统风机变频器就是一个很好的例子。另外，AP1000核電厂常规岛及BOP区域有部分水泵运行方式多变、能耗较高，节能潜力巨大，在满足工艺要求的情况下，非常适合采用变频器进行调速控制。
总而言之，变频调速技术是一项特点较为鲜明的节能技术，有较大的发展潜力，在核电厂中具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] GB/T 14549，电能质量 公用电网谐波。
[2] GB/T 14285，继电保护和安全自动装置技术规程。
[3] GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南。
[关键词]AP1000；核电；变频器；节能
中图分类号：P857 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）28-0053-01
1 概述
在我国的电力工业中，风机和水泵的用电占电动机用电的50%左右，是最主要的耗电设备。此类设备大多长期连续运行，且常处于低负荷及变负荷运行状态，节能潜力巨大。而发电厂风机和水泵电机的经济运行，又直接关系到厂用电率的高低。近年来，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。因此，认真做好风机和水泵电机的节能工作，具有重要意义。
2 变频器节能技术原理简介
2.1 相似定律
对于水泵及风机而言，在一定条件下遵循相似定律：
即，流量Q与转速n的一次方成正比，压力H与转速n的平方成正比，功率P与转速n的立方成正比，当转速减小时，所需功率近似按流量的立方大幅度下降，电机变速运行是节能的有效途径。
2.2 电机调速原理
电机的转速调节参考异步电机调速公式：
式中：n——电机转速；p——电机磁极对数；s——电机转差率；f1 ——电机输入频率；
从公式可知，电机转速主要由电机磁极对数p、转差率s和电机输入频率f1三个参数决定。
2.3 变频调速节能率计算
采用相似定律计算变频调速的节能率时，应先计算原系统使用阀门、挡板等进行流量调节时的耗电量，计算公式[3]如下：
式中，PL——采用阀门、挡板等方式进行流量调节时的电机输入功率（kW）；Pe——额定流量时电机输入功率（kW）；QN——额定流量；Q——调节后的流量，Q=0.5～1.0QN；
采用变频技术进行调速时，耗电量根据相似定律进行计算：
式中，Pi——采用变频器进行流量控制时的电机输入功率（kW）；
则采用变频器后，节电率计算公式为
式中，Ki——采用变频器进行流量控制时的节电率；
3 变频节能技术在AP1000核电厂中的应用分析
AP1000核电厂必须配备的水泵电机数量多，总装机容量大，是AP1000电厂中耗电量最大的一类电机。由于设计中层层加码，留有过大的设计裕量，同时为满足生产工艺上的要求而采用节流调节，造成较大的能源浪费现象。
考虑到核电厂运行安全性、可靠性及稳定性等因素，目前AP1000电厂核岛范围内的水泵除主给水泵因频率匹配等原因采用了变频器外，暂未有其他水泵采用变频器进行流量控制。但在常规岛及BOP区域，有部分水泵不涉及电厂的安全运行，能耗较高，且运行方式多变，节能潜力巨大，可考虑采用变频调速技术进行设计，如取水子项补给水泵、汽轮机厂房循环水泵和凝结水泵、热网水泵、生活水泵等。下文以AP1000依托项目取水工程子项补给水泵为例进行说明。
某AP1000依托项目核电厂一期工程取水子项共规划4台补给水泵，水库经常运行水位时2台运行2台备用，要求每台泵流量为4750m3/h；水库设计低水位时3台运行1台备用，此时要求每台泵流量为3800m3/h。水泵设计流量5250m3/h，配套电机功率800kW，额定电压10kV，额定频率50Hz。
补给水泵每天24小时不间断连续运行，设计采用调节阀门的方式实现水流量控制，经常运行水位工况下每年运行时间为8个月，设计低水位工况下每年运行时间为4个月。
在设计低水位工况时，若使用三台泵运行，单台泵流量不足，效率低下；若使用两台泵运行，单台泵流量又偏大。设计采用调节阀实现水流量控制，阀门的节流损耗较大，泵的运行效率较低。若进行变频调速改造，既可节能降耗，又能根据机组负荷和季节的变化调节取水流量，实现流量的高精度控制和水泵经济运行的目的。
可考虑四台补给水泵采用两台中压变频器，系统设计采用一拖一带工频旁路方案。考虑到水泵的检修和连续工作，保证始终有两台泵调速工作。经常运行水位工况时两台泵调速工作；设计低水位工况时一台泵定速工作，另外两台泵以变频器驱动调节水流量。下文对采用调节阀门和变频器两种流量控制方式进行能耗计算和对比分析。
（1）采用调节阀门的方式控制流量
经常运行水位工况下水泵耗电量为
800×[0.45+0.55×（4750/5250）2]×2×24×30×8=8296489.8度
设计低水位工况下水泵耗电量为
800×[0.45+0.55×（3800/5250）2]×3×24×30×4=5102059.1度
每度电按核电上网电价0.45元计算，则每年补给水泵电费为
（8296489.8+5102059.1） ×0.45=6029347.005元=602.9万元
（2）采用变频器控制流量
变频器效率取0.96，
经常运行水位工况下水泵耗电量为
800×（4750/5250）3×2×24×30×8÷0.96=7110074.5度
设计低水位工况下水泵耗电量为
800×（3800/5250）3×2×24×30×4÷0.96
+800×[0.45+0.55×（3800/5250）2]×1×24×30×4=3520865.4度
每年补水泵电费为
（7110074.5+3520865.4） ×0.45=4783923.0元=478.4万元
（3）综合（1）和（2），则
采用变频器后，每年可节约电费
602.9-478.4=124.5万元
节电率为
124.5/602.9=0.206=20.6%
目前，市场上10kV，800kW的中压变频器价格约为100万元/台，采用两台变频器共需增加一次性投资200万元，则200/124.5=1.6年可收回成本。每台变频器使用寿命约为15年，按AP1000核电厂60年设计寿命计算，则寿命周期内共可节约投资124.5×60-200×（60÷15）=6670万元。可见，在保证满足工艺要求的前提下，采用变频器可有效降低取水工程子项的年耗电量，提高水泵运行效率，实现水泵经济运行，降低项目总投资。
4 结论
通过对相似定律的研究，可知电机转速与能耗之间存在较为紧密的联系，即降低电机转速可有效降低能耗。而在众多电机调速方法中，变频调速调节精度高、效率好，是目前最理想的调速技术。
随着变频调速技术的发展和变频器运行稳定性、可靠性的提高，变频技术已开始在核电厂中得到应用，AP1000依托项目核岛VBS系统风机变频器就是一个很好的例子。另外，AP1000核電厂常规岛及BOP区域有部分水泵运行方式多变、能耗较高，节能潜力巨大，在满足工艺要求的情况下，非常适合采用变频器进行调速控制。
总而言之，变频调速技术是一项特点较为鲜明的节能技术，有较大的发展潜力，在核电厂中具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] GB/T 14549，电能质量 公用电网谐波。
[2] GB/T 14285，继电保护和安全自动装置技术规程。
[3] GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南。