高壓變頻器在600MW機組凝結水泵上的應用

摘要：揚州第二發電有限公司是江蘇省特大型火力發電企業，為了降低發電能耗，我公司決定采用高壓變頻器對凝結水泵、脫硫增壓風機等輔機進行了變頻調速改造。設備投運后，節能效果明顯，設備運行穩定。

關鍵詞：節能降耗、高壓變頻器、凝泵節能改造、電網調峰

　　揚州第二發電有限公司是江蘇省特大型火力發電企業，具有設備性能先進、供電煤耗低、調峰能力強等顯著特點。目前共有4臺600MW燃煤發電機組。一期#1、#2機組采用亞臨界燃煤發電機組，二期#3、#4機組采用超臨界燃煤發電機組。隨著電力市場競爭的加劇及電網峰谷差日趨增大，帶基本負荷的大型汽輪發電機組被要求參與電網調峰。從國內外調峰的現狀來看，大型火電機組參加調峰主要采用低負荷運行方式，以改變機組負荷來滿足系統調峰需要的運行方式。它是一種傳統的調峰方式，為了增加可調出力，機組盡可能在允許的最低負荷下運行。而機組輔機均按照最大發電負荷設計，在低負荷時，僅僅能夠依靠調節閥門、擋板開度來調節流量，造成電能的大量浪費。如何優化運行方式，降低輔機的能耗，成為當前階段電力企業必須面對的問題。
　　為了降低發電能耗，我公司成立專門的課題組，對國內外同行企業進行調研，最終認為使用變頻調速技術，采用變頻器調節電機轉速，平穩調節輔機出力，將是有效解決該問題的方法。隨后，我公司通過招標選購了北京利德華福電氣技術有限公司生產的高壓變頻器對凝結水泵、脫硫增壓風機等輔機進行了變頻調速改造。設備投運后，節能效果明顯，設備運行穩定，滿足了我們的要求。

一、凝結水泵變頻改造方案

1.水泵負載調速節能原理
　　變頻調速在水泵應用上和風機有所區別，在很多場合，負載管路特性的改變是用戶用水量減少（即用戶人為關閥）造成的。水泵在調速過程中還往往要求壓力恒定，這時水泵的工作點變化如下圖1所示：

圖1：水泵負載調速節能原理

　　流量由Q₁變為Q₂時，如果水泵定速運行，工作點將由A點變為B點，壓力將升高，威脅管網安全；如果通過調速方式，水泵工作點將由A點變為C點，在提供需要流量的同時，保持壓力不變。水泵在B、C兩點的輸出功率差為：_PB －P_C＝（H₃－H₂）×Q₂。
　　在A、C兩點，盡管水泵速度不同，但由于在兩種情況下水泵所承擔的流量不同，其出口壓力和外管網壓力仍然保持平衡。由于壓力平衡的需要，水泵并聯運行時，調速水泵的速度不能低于N3，否則將出現根本不對外出水的現象。非但不節能，還出現水泵空轉耗能的現象。
　　如果在管網特性不變的系統中進行水泵調速，并且對水壓沒有要求，這種情況下節能效益比恒壓供水要顯著得多。
2.變頻調速原理
利德華福HARSVERT-A型高壓變頻器采用多電平串聯的結構控制方式，系統結構如圖2所示：

圖2：利德華福HARSVERT-A型高壓變頻器結構圖

　　10kV系列有24個功率單元，每8個功率單元串聯構成一相，每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其電路結構為交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制。
3.系統旁路柜控制方式

圖3：系統旁路柜控制原理（虛線框內為變頻器廠家提供）

　　基本原理:變頻裝置本身配置一臺斷路器QF2作為出線電源開關，同時保留原有2臺斷路器，3臺斷路器完成變頻/工頻的切換，其中QF1與進，出線斷路器之間設計閉鎖，確保不會出現變頻回路與工頻回路同時閉合。在變頻運行狀況下，變頻裝置進出線開關閉合，開關QF1斷開。切換至工頻運行時，先斷開變頻器輸出，此時由電氣線路控制順序為：依次斷開變頻器輸出，輸入開關，然后閉合開關QF1使電機切換至工頻側，使電機工頻運行。
　　另外，還保留了電機差動保護功能，采取重新更換電機中性點CT，將其控制信號接入QF2開關柜內綜保裝置，參與差動保護，完善電機保護功能。

二、節能數據分析

1.設備參數

凝結水泵		電動機
廠家	上海KSB	電動機功率Pdn（kW）	2000
型號	NLT500-570ⅹ4S	電動機轉速n0（r/min）	1493
流量（m3/H）	1631	電動機電壓U0（KV）	10
最小流量（m3/H）	367	電動機電流I0（A）	137.1
揚程(m)	328	功率因數	0.904
效率	84.8%	CT	250/1
		PT	10000/100

2.工頻/變頻狀態下的年耗電量計算

負荷	100%	90%		80%		70%		60%
工作時間（小時）	1000	1000		1000		2500		2000
工頻單位耗電（kW）	1663.586	1589.976		1545.81		1516.366		1428.034
變頻單位耗電（kW）	1546.3296	1230.4128		1064.1408		1030.8864		1014.2592
每年節約分項（元）	29314.10	89890.80		120417.30		303424.75		206887.40
每年每臺總 共節約成本（元）	749934.35
每年節約耗電（kW）	2999737.40
不同負荷下的節電率	7%		23%	31%	32%		29%

三、設備冷卻方式

　　雖然變頻器的效率大于96%，但是滿負荷時仍有4％的損耗。其中變壓器的損耗約為總損耗的50%，功率逆變電路的損耗約為總損耗的50%。2000kW的變頻器，滿負荷時的最大損耗為80kW，全部都要轉換為熱量。因此，控制室的溫度在變頻器投運后，將會很快上升，如果不采用任何措施，變頻器將無法穩定運行。為了提高高壓大功率變頻器的應用穩定性，解決好高壓變頻器環境散熱問題，根據現場實際情況，將變壓器的熱量使用風道排出室外，而功率柜采用密閉式空調冷卻。功率柜密閉冷卻裝置結構如圖4所示：

圖4：功率柜密閉冷卻裝置其結構

　　冷卻設備主機安裝于變頻器功率柜頂部，該裝置配備兩臺制冷壓縮機，單獨為功率柜進行冷卻。該密閉冷卻裝置與現場接口簡單，提供兩路380V交流電源即可，操作方便，維護量少，保護功能完善。正常運行時，每段電源各帶一臺壓縮機；當單段電源故障時，另外一側工作電源帶兩臺壓縮機運行。兩臺壓縮機設備停運時，可以通過風道回路設置的風門實現變頻器功率柜自身冷卻，減少冷卻裝置故障對變頻器運行的影響。完整的冷卻系統解決方案有效減低了輔助系統的故障率，保證設備安全運行。

圖5：HARSVERT-A高壓變頻器在現場運行圖

四、結論

　　北京利德華福電氣技術有限公司生產的高壓變頻器技術先進、性能穩定，完全滿足現場要求。尤其是密閉冷卻裝置，別樹一幟的技術思路，大大降低了散熱所需的電能，降低了運行維護費用，值得大力推廣。
　　采用變頻調速裝置后，系統實現軟啟動，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應延長，對電網無大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷，降低噪音，降低了震動系數，有效的延長了電機和水泵的使用壽命，減少了檢修維護開支，節約大量維護費用。
　　通過我廠的實踐，證明發電企業使用高壓變頻器的可行性和經濟性，在今后的設備技改中，我們將會進一步推廣該項技術，為企業的節能降耗繼續努力。

參考資料：
1．《HARSVERT-VA系列高壓變頻器技術手冊》
2．《揚州二電高壓變頻器改造項目工程資料匯編》
3．《利德華福公司電力行業資料匯編》