高壓變頻器在聊城熱電有限公司的應用

【摘 要】本文詳細分析了高壓變頻器的節電原理、技術特點，并結合凝結水泵的工藝特點做了節能評估。
【關鍵詞】高壓變頻器 凝結水泵 節能

一、前言
　　山東聊城熱電有限公司位于山東省西部的聊城市，該市是山東省新崛起的西部工業城市，地處濟邯鐵路和京九鐵路的交匯處，近幾年來發展迅速。聊城熱電有限公司目前有8臺機組，總裝機容量為1280MW。為響應國家節能降耗的政策，根據設備的實際運行工況，擬對兩臺300MW機組的凝結水泵進行高壓變頻節能改造。

設備名稱	電機型號	制造廠	功率	額定電壓	額定電流	額定轉速	水泵型號	流量	揚程	制造廠
凝泵	YLKK500-4	上海電機廠	900kW	6kV	103.3A	1480rpm	NLT350-400*6	847m3/h	288m	上海凱士比泵有限公司

二、變頻調速的節能原理
1．異步電動機的轉速公式如下：
　　n＝（60f/P）×（1－S） r/min ……①
　　式中：n——電動機轉速；
　　f——電動機定子供電頻率；
　　P——電動機極對數；
　　S——電動機轉差率。
　　由上式可知，在電動機極對數、轉差率不變的情況下，電動機轉速與供電頻率呈線性關系。另外，磁通密度和輸出力矩是電動機必須保證的兩個關鍵指標，決定于定子供電電壓和頻率的比值U/f，又因交流電機成立以下電磁關系式：
　　E=4.44fwΦ……②
　　式中：E-電機電動勢，f-定子頻率，W-繞組系數，Φ-氣隙主磁通
　　對異步機調速時，希望主磁通Φ恒定（Φ太小，鐵磁材料利用不充分，同樣電流產生的轉矩小；Φ太大，由于鐵磁材料的飽和特性，定子電流中激磁電流分量加大，同樣電流負荷情況下，相應轉矩電流分量將減小，電機負載能力也下降）。由式中看出，只要保持E/f為常數，Φ就基本恒定。同樣電流情況下，就能產生相同的轉矩，實現恒轉矩調速。
　　由于E難于直接檢測，當頻率較高時，電機的電壓也高，定子漏阻抗壓降可以忽略，可近似認為E=U（U為電機端電壓），控制U/f恒定即可，因此，電動機調速過程中，在降低頻率同時，還要降低供電電壓，這就需要變頻裝置實現頻率與電壓協調控制。
　　當凝結水泵水壓、流量需要調節時，傳統的方法是： 通過調節閥門或啟停電機來實現，損耗隨之增大，同時降低了水泵的總效率，由此而引起的電能損失是相當可觀的。
　　當采用變頻調速時，可以按需要升降電機轉速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數滿足工藝要求，根據風機、水泵的相似定律，變速前后流量、水壓、功率與轉速之間關系為：
　　Q1/Q2=n1/n2
　　H1/H2=（n1/n2）2
　　P1/P2=（n1/n2）3
　　Q 、H、P—水泵流量、水壓、軸功率；
　　假如轉速由額定50Hz降至35Hz，即：n2/n1=0.7，則P2/P1=0.34，可見降低轉速能大大降低軸功率，因高壓變頻器的效率較高，高壓變頻器自身的功耗很低，而電動機因轉速下降引起的電機效率下降在50%轉速以上時是不明顯的；另外，在滿足操作要求的前提下，水泵轉速降低不會導致水泵效率降低（電機輸出力矩不變）。根據以上分析認為，凝泵變頻調速總的節能效果比較顯著。
2．HARSVERT-A高壓變頻器的原理
　　（1）北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT-A系列高壓變頻器屬于“高-高”電壓源型高壓變頻器，由移相變壓器、功率單元和控制器組成，典型結構如圖1所示，以5極串聯為例。

圖1：高壓變頻調速系統結構圖

（2）變頻調速系統控制方案
　　 ①高壓變頻器直接與電機連接，變頻拖動方式為一拖一，設有工頻旁路。由變頻運行方式轉換到工頻運行方式時，采用手動切換，電動機可不通過高壓變頻器而經過旁路直接啟動。
　　②高壓變頻器具有遠程和本機控制功能。本機控制時通過高壓變頻器控制柜上觸摸屏可就地人工啟動、停止高壓變頻器，以及調整電機轉速、頻率；遠程控制放在DCS控制室，由操作工操作控制，可以隨時了解設備的運行情況，通過DCS操作臺可實現對高壓變頻器進行簡單的遠方操作。
　　③一拖一手動旁路柜具體主回路控制方式如下：
　　基本原理：它是由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成（如圖2）。要求QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。
　　優點:在檢修高壓變頻器時，有明顯斷電點，能夠保證人身安全，同時也可手動使負載投入工頻電網運行；造價低等。

三、凝結水泵的運行工況
　　在汽輪機低壓缸內做功的蒸汽在空冷島冷卻凝結之后，集中在凝結水箱中，凝結水系統的作用是通過凝結水泵及時的把凝結水送至除氧器中，維持除氧器水位平衡。因此保證凝結水泵連續、穩定運行是保障電廠發電機組安全、經濟生產的重要環節之一。
　　我廠在沒有使用高壓變頻器之前，凝汽器內的水位調整是通過改變凝結水泵出口閥門的開度調節的，線性度差，大量能量在閥門上損耗。同時由于頻繁的對閥門進行操作，導致閥門的可靠性下降，影響機組的穩定運行。
　　使用高壓變頻器后，凝結水泵出口閥門基本不需要調整，閥門開度保持在一個比較大的范圍內，通過調節高壓變頻器的輸出頻率改變電機的轉速，達到調節出口流量的目的，滿足運行工況的要求。
凝結水系統如圖3所示。

圖3：凝結水系統圖

四、凝結水泵使用高壓變頻器后的效益分析
　　1．節約廠用電效果顯著，下面是部分運行數據，對本機改造前后的電流做一個縱向比較，可以發現電流減小許多。

機組負荷 （MW）	150	160	170	180	190	200	210	220	230	240	250	260	270	280	290	300
凝泵電流 （改造前）	82	82	81	82	82	82	84	84	85	86	87	88	88	90	91	93
凝泵電流 （改造后）	19	19	24	24	25	31	32	29	32	38	40	42	50	52	55	60
降低電流A	63	63	57	58	57	51	52	55	53	48	47	46	38	38	36	33

2．下面是某月的電能統計，做一個同類機組的橫向比較

機組	發電量萬kW·h	凝泵用電量kW·h	凝泵用電/發電量	節約電量kW·h
＃7 機（工頻）	19116.6	646200	0.34％
＃7 機（變頻）	19371.6	411300	0.21％	234900

五、結論
　　通過對山東聊城熱電有限公司300MW機組凝結水泵系統的分析論證：采用高壓變頻器對兩臺凝結水泵進行變頻改造，改閥門開度控制為轉速調節是切實可行的，能夠起到降低廠用電率的目的，而且在系統的安全可靠性、設備維護量等方面具有良好的收益。
參考文獻
　　 [1].高壓變頻調速系統HARSVERT-A系列技術手冊 北京利德華福電氣技術有限公司
　　 [2].高壓變頻器應用資料匯編－電力行業 北京利德華福電氣技術有限公司
作者簡介
　　李維勇 （1973- ） 男 工程師，山東聊城熱電有限責任公司生產技術部電氣專工，1994年7月畢業于山東工業大學電力工程系，分配至聊城熱電有限公司工作至今，長期從事電力生產和電氣技術管理工作。
　　張元哲（1973- ） 男 助理工程師 山東聊城熱電有限責任公司調運部電氣運行專工，長期從事電氣運行技術管理工作。