高壓變頻器在徐塘發(fā)電300MW發(fā)電機組凝泵上的應(yīng)用

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

大家知道,異步感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f、轉(zhuǎn)差率s、電機極對數(shù)p三個參數(shù)有如下關(guān)系：

改變其中任何一個參數(shù)都可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的。在異步感應(yīng)電動機的設(shè)計制造完成后,轉(zhuǎn)速與頻率的線性關(guān)系既確定，如圖3所示：
	圖3 變頻調(diào)速中轉(zhuǎn)速與頻率關(guān)系曲線

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

凝結(jié)泵變頻改造方案

　　凝結(jié)泵是汽輪機熱力系統(tǒng)中的主要輔機設(shè)備之一，它的作用是把凝汽器中的凝結(jié)水打入低壓加熱器加熱后送入除氧器內(nèi)。由于凝結(jié)泵采用定速運行，出口流量只能由控制閥門調(diào)節(jié)，節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統(tǒng)效率低，且經(jīng)常發(fā)生泄漏，造成能源浪費。而且由于控制閥門為電動機械調(diào)整結(jié)構(gòu)，線性度不好、調(diào)節(jié)品質(zhì)差、自動投入率低；頻繁的開關(guān)調(diào)節(jié)，容易出現(xiàn)各種故障，使現(xiàn)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(jié)水泵, 型號9LDTNA4,額定流量841m3/h,揚程280m,轉(zhuǎn)速1480rpm,配用1000KW的異步電動機,閥門調(diào)節(jié)?，F(xiàn)增設(shè)高壓變頻器采用無級調(diào)速，功耗隨機組負荷變化而變化，進而提高設(shè)備利用率，達到最佳經(jīng)濟運行模式的目的。改造遵循“最小改動，最大可靠性，最優(yōu)經(jīng)濟性”的原則。系統(tǒng)改造方案圖如下：

圖1 凝泵變頻改造系統(tǒng)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(fā)生故障時，備用凝泵可以工頻運行，使用原來的調(diào)節(jié)方式，保證機組運行。
　　優(yōu)點：充分利用變頻器和現(xiàn)有設(shè)備，投資相對較少，既保留了原系統(tǒng)的控制操作方式不變，又保證了系統(tǒng)改造后緊急狀態(tài)下的工頻恢復(fù)運行，易于系統(tǒng)維護。
　　缺點：系統(tǒng)接線較復(fù)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(diào)速狀態(tài)下，電源通過＃50開關(guān)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(guān)處于備用狀態(tài)，各開關(guān)的邏輯關(guān)系如下：
　　工頻開關(guān)合閘條件：
　　變頻器出口開關(guān)的合閘條件：
　　一臺泵發(fā)生故障情況的運行方式：
　　當變頻控制的工作泵發(fā)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(fā)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(diào)速。
　　相關(guān)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(guān)，工頻開啟＃52泵，調(diào)整負荷由52凝泵接待。
　　　　b）斷開510開關(guān)，合上51開關(guān)，＃51凝泵工頻運行，調(diào)整負荷由51凝泵接待。
　　　　c）斷開52開關(guān)，合上＃520開關(guān)將＃52泵接入變頻器，變頻控制開啟＃52泵。
　　　　d）調(diào)整＃52泵變頻運行接待全部負荷后，停＃51泵至備用，切換完成。
　　　　?。?2泵切換到＃51泵，順序相同。
　　選用變頻器情況
　　通過收集和調(diào)研，結(jié)合凝泵運行實際情況，決定采用國產(chǎn)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(shù)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：
　　?。?）屬于電壓型高-高變頻器，不需要另外加設(shè)輸出變壓器，只要將變頻器輸入端直接接在6kV的電網(wǎng)上，輸出端直接接到6kV高壓電動機上，聯(lián)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(shù)，從而構(gòu)成了對電源和電動機都十分友好的雙完美系統(tǒng)：電源一側(cè)為完美無諧波輸入，電動機一側(cè)，輸出為完美的正弦波，直接聯(lián)接原有凝泵電動機，不需要增加諧波濾波器。
　　?。?）綜合運行效率高、功率因數(shù)高。由于采用干式變壓器和類似常規(guī)低壓變頻器的成熟技術(shù)，使可靠性提高，由于IGBT開關(guān)頻率降低，使損耗減小，加之采用獨特的控制技術(shù)，變頻器綜合效率在97%以上。由于電源輸入側(cè)42脈沖整流，功率因數(shù)超過0.95。
　　?。?）控制回路采用高速單片機、工控機和PLC共同構(gòu)成，實現(xiàn)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(yīng)快、精度高。采用了光電隔離技術(shù)，使低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)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(jié)約廠用電效果顯著
　　下面是部分運行數(shù)據(jù)，對本機改造前后的電流做一個縱向比較，可以發(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(fā)電量萬KWH	凝泵用電量KWH	凝泵用電/發(fā)電量	節(jié)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(fā)電量15億千瓦時計算，使用變頻器可節(jié)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(fā)現(xiàn)它啟動時基本沒有沖擊，電流從零開始，僅是隨著轉(zhuǎn)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(tǒng)和主機的沖擊應(yīng)力，大大降低日常的維護保養(yǎng)費用。
3、延長設(shè)備壽命
　　使用變頻器可使電機轉(zhuǎn)速變化沿凝泵的加減速特性曲線變化，沒有應(yīng)力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。同時有關(guān)數(shù)據(jù)說明，機械壽命與轉(zhuǎn)速的倒數(shù)成正比，降低凝泵轉(zhuǎn)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(jié)水泵改用變頻器后，降低水泵轉(zhuǎn)速運行的同時，噪音大幅度地降低，當轉(zhuǎn)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(diào)門線性度不好，調(diào)節(jié)品質(zhì)差，引起管道錘擊和共振，造成給水系統(tǒng)上水管道強烈震動的缺陷，凝結(jié)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(fā)電機組凝泵推廣使用變頻調(diào)速器，可以大幅度降低廠用電率，減少發(fā)電成本，提高競價上網(wǎng)的競爭能力。