高壓變頻器在徐塘發電300MW發電機組凝泵上的應用

　　變頻調速裝置可以使電動設備處于最佳運行狀態，大大提高運行效率，達到節能的目的。我國已對變頻調速技術進行了一定的研究，主要用于中、小型設備上，如給煤機、給粉機、中、小型風機、水泵及其它領域等，并得到了廣泛的推廣和應用。目前高電壓大功率電動機的變頻調速裝置也在推廣之中。我公司的2×300MW機組凝結水泵,通過技術改造,大膽使用了高壓變頻器,獲得了很好的經濟效益,并取得了一定的經驗,介紹如下：
　　
變頻器節能原理

大家知道,異步感應電動機的轉速n與電源頻率f、轉差率s、電機極對數p三個參數有如下關系：

改變其中任何一個參數都可以實現轉速的改變。變頻器是通過改變電源頻率f的方式來改變電動機轉速的。在異步感應電動機的設計制造完成后,轉速與頻率的線性關系既確定，如圖3所示：
	圖3 變頻調速中轉速與頻率關系曲線

　　由于轉速n與頻率f之間為線性關系，從理論上分析調速范圍在0～100%內，線性度都很好,因此變頻調速是當今調速應用的生力軍.隨著科學技術的不斷發展, 高電壓大功率半導體器件的出現,高壓變頻器應運而生,使發電廠大型輔機的調速運行成為現實.從而省去由于閥門、擋板節流等帶來的功率損失，達到節能的目的,提高了發電企業的經濟效益。
　　對于水泵,由流體動力學理論可以知道，流量與轉速的一次方成正比,扭矩與轉速二次方成正比,而泵的功率則與轉速的三次方成正比。用n、 N分別表示轉速和功率,腳標“0”均表示額定工況參數。當流量由額定值Q0降至Q時，與額定功率N0比較，采用轉速調節的電機的功耗為：
　　當流量由100%降到70%，則轉速相應降到70%，而電機的功耗降到34.3% N0，也就是節約電能65.7%。扣除閥門調節時的功耗與額定功耗的差、轉速下降引起電機的效率下降等因素，節電效果也是非常顯著的。

凝結泵變頻改造方案

　　凝結泵是汽輪機熱力系統中的主要輔機設備之一，它的作用是把凝汽器中的凝結水打入低壓加熱器加熱后送入除氧器內。由于凝結泵采用定速運行，出口流量只能由控制閥門調節，節流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統效率低，且經常發生泄漏，造成能源浪費。而且由于控制閥門為電動機械調整結構，線性度不好、調節品質差、自動投入率低；頻繁的開關調節，容易出現各種故障，使現場維護量增加，造成各種資源的浪費。
　　我公司300MW機組配備2臺100%容量的凝結水泵, 型號9LDTNA4,額定流量841m3/h,揚程280m,轉速1480rpm,配用1000KW的異步電動機,閥門調節。現增設高壓變頻器采用無級調速，功耗隨機組負荷變化而變化，進而提高設備利用率，達到最佳經濟運行模式的目的。改造遵循“最小改動，最大可靠性，最優經濟性”的原則。系統改造方案圖如下：

圖1 凝泵變頻改造系統圖

　　從主回路改造方案看出：用一臺變頻器連接兩臺電機，正常時變頻器拖動一臺凝泵變頻運行，另一臺工頻備用；當變頻器或運行的凝泵發生故障時，備用凝泵可以工頻運行，使用原來的調節方式，保證機組運行。
　　優點：充分利用變頻器和現有設備，投資相對較少，既保留了原系統的控制操作方式不變，又保證了系統改造后緊急狀態下的工頻恢復運行，易于系統維護。
　　缺點：系統接線較復雜；需增加高壓斷路器；二次回路需要增加閉鎖回路；定期切換操作較繁瑣。
　　正常運行方式：正常時，比如＃51泵運行在變頻調速狀態下，電源通過＃50開關至變頻器，然后通過＃510輸出至＃51泵電機。此時＃52泵的＃52凝泵工頻開關處于備用狀態，各開關的邏輯關系如下：
　　工頻開關合閘條件：
　　變頻器出口開關的合閘條件：
　　一臺泵發生故障情況的運行方式：
　　當變頻控制的工作泵發生故障跳閘，或出力不足等故障時，另一臺泵會自動工頻投入運行（與原自投方式一致）。將發生故障的泵處理好后，再按上述方式切換至變頻運行。在此之前備用泵只能工頻運行，不能調速。
　　相關控制回路必須滿足下列邏輯：
　　定期切換按下列順序操作：
　　　　a）合52凝泵工頻開關，工頻開啟＃52泵，調整負荷由52凝泵接待。
　　　　b）斷開510開關，合上51開關，＃51凝泵工頻運行，調整負荷由51凝泵接待。
　　　　c）斷開52開關，合上＃520開關將＃52泵接入變頻器，變頻控制開啟＃52泵。
　　　　d）調整＃52泵變頻運行接待全部負荷后，停＃51泵至備用，切換完成。
　　　　　＃52泵切換到＃51泵，順序相同。
　　選用變頻器情況
　　通過收集和調研，結合凝泵運行實際情況，決定采用國產引進型高壓變頻器，我們使用了北京利德　　華福的HARSVERT-A06/130高壓變頻器，具體參數如下表：

額定容量（kVA）	1250
額定電流（A）	130
額定電壓（V）	三相，6000
輸出頻率（Hz）	0～50
適用電動機功率（kW）	1000
輸出頻率精度	0.1Hz
加減速時間	0.5—650秒
過載能力	120%，60秒
保護功能	過電流、主回路熔斷器斷、過壓、欠壓、CPU異常、冷卻風扇停止。

　　此高壓變頻器特點：
　　　（1）屬于電壓型高-高變頻器，不需要另外加設輸出變壓器，只要將變頻器輸入端直接接在6kV的電網上，輸出端直接接到6kV高壓電動機上，聯接簡單方便。
　　　（2）整流電路采用42脈沖整流，逆變回路采用獨特的單相多電平控制技術，從而構成了對電源和電動機都十分友好的雙完美系統：電源一側為完美無諧波輸入，電動機一側，輸出為完美的正弦波，直接聯接原有凝泵電動機，不需要增加諧波濾波器。
　　　（3）綜合運行效率高、功率因數高。由于采用干式變壓器和類似常規低壓變頻器的成熟技術，使可靠性提高，由于IGBT開關頻率降低，使損耗減小，加之采用獨特的控制技術，變頻器綜合效率在97%以上。由于電源輸入側42脈沖整流，功率因數超過0.95。
　　　（4）控制回路采用高速單片機、工控機和PLC共同構成，實現多電平PWM控制和附加簡易矢量運算功能的V/f控制，控制響應快、精度高。采用了光電隔離技術，使低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。

使用變頻器的效益分析

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。

機級負荷 （MW）	150	160	170	180	190	200	210	220	230	240	250	260	270	280	290	300
凝泵電流 （改造前）	74	75	76.2	78	79.3	80.2	81.2	82	83.5	84.3	85	86.8	89.5	90	91.2	92.5
凝泵電流 （改造后）	16.6	18.2	20.8	22.8	24.4	26.8	30.7	32.5	36.8	38.9	41.7	45.2	50.3	54	58.5	61.5
降低電流A	57.4	56.8	55.4	55.2	54.9	53.4	50.5	49.5	46.7	45.4	43.3	41.8	39.2	36	32.7	31

　　下面是某月的電能統計，做一個同類機組的橫向比較，可以看出凝泵用電減少許多。

機組	發電量萬KWH	凝泵用電量KWH	凝泵用電/發電量	節約電量萬KWH
＃4機（工頻）	14337.6	532728	0.00372
＃5機（變頻）	13965	206088	0.0015	31

　　 以每臺機組年發電量15億千瓦時計算，使用變頻器可節約廠用電330 萬千瓦時，折合人民幣100萬元。
2、減少電機啟動時的電流沖擊
　　電機直接啟動時的最大啟動電流為額定電流的7倍；星角啟動為4.5倍；電機軟啟動器也要達到2.5倍。觀察變頻器起動的負荷曲線，可以發現它啟動時基本沒有沖擊，電流從零開始，僅是隨著轉速增加而上升，不管怎樣都不會超過額定電流。因此凝泵變頻運行解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養費用。
3、延長設備壽命
　　使用變頻器可使電機轉速變化沿凝泵的加減速特性曲線變化，沒有應力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。同時有關數據說明，機械壽命與轉速的倒數成正比，降低凝泵轉速可成倍地提高凝泵壽命，凝泵使用費用自然就降低了。
5、降低噪音
　　我廠凝結水泵改用變頻器后，降低水泵轉速運行的同時，噪音大幅度地降低，當轉速降低50%時，噪音可減少十幾個絕對分貝。同時消除了停車和啟動時的打滑和尖嘯聲，克服了由于調門線性度不好，調節品質差，引起管道錘擊和共振，造成給水系統上水管道強烈震動的缺陷，凝結水泵變頻運行后，噪音、振動都大為減少，變化相當可觀。
　　總之，大型汽輪發電機組凝泵推廣使用變頻調速器，可以大幅度降低廠用電率，減少發電成本，提高競價上網的競爭能力。