高壓變頻在超超臨界660MW機組凝結水泵中的應用

一、引言

本文以國產多電平型高壓變頻器在大唐寧德電廠凝結水泵的應用為例，分別對凝結水泵應用高壓變頻器前后的運行工況、基本原理及注意事項進行闡述，并通過電耗對比試驗，對凝結水泵變頻調節和傳統調節閥門調節的節能效果進行比對，進而說明，超超臨界機組采用高壓變頻器對凝結水泵進行調速節能改造的應用方法，具有投資省、見效快等特點。

超超臨界燃煤發電機組具有煤耗低、技術含量高、環保性能好、節約資源的特點，必將是今后我國火電機組的發展方向。大唐寧德電廠二期工程為2×660MW超超臨界發電機組，分別于2008年12月和2009年6月投入商業運行。自投產以來，機組各項運行指標良好。2臺機組各配置2臺100%容量的多級離心式凝結水泵，凝結水系統原設計運行方式為兩臺100%容量定速凝結泵互為備用，即由定速電動機驅動，一臺運行，一臺備用。凝結水流量靠除氧器上水調節門調節，并配備旁路以保證凝結泵在各種工況下安全運行。正常運行方式下，凝結水泵一臺運行一臺投備用，當運行凝結泵出現故障時，另外一臺自動投入運行。在負荷變動時，通過除氧器上水調節門開度來控制除氧器水位，這就造成較大的節流損失。在啟停機及低負荷時，為了維持凝結泵最小流量還要打開旁路門，造成能量白白流失。另外，即便機組處于滿負荷運行狀態，由于設計留有較大的裕量，除氧器上水調節門也不能處于全開位置。采用凝結泵定速運行，系統存在以下問題：

（1） 閥門調調節節流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統效率低，造成能源的浪費。

（2） 當流量降低，位開度減小時，調節閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴重，造成能耗增加。

（3） 長期10～40％低閥門開度，加速閥體自身磨損，導致閥門控制特性變差，并造成凝結水附近管道震動較大，對安全生產有極大影響。

（4） 管網壓力過高威脅系統設備密封性能，嚴重時導致閥門泄漏，不能關嚴，凝結泵出口精處理器泄露等情況發生。

（5） 設備使用壽命短、日常維護量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費。

如果采用高壓變頻器對凝結泵電機進行變頻控制，實現除氧器水流量的變負荷調節。除氧器上水調節門可以始終處于全開的狀態，而且旁路門始終處于關閉狀態，從而避免上述的各種功率損失。除此之外，變頻器可以使電動機實現軟啟動，避免電動機直接啟動引起的電網沖擊和機械沖擊，大大延長電機的壽命、減小管路振動、提高系統的可靠性。這樣，不僅解決了控制閥調節線性度差、純滯延大等難以控制的缺點，而且提高了系統運行的可靠性；更重要的是減小了因調節閥門孔口變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了系統對管路密封性能的破壞，延長了設備使用壽命，維護量減小，改善了系統的經濟性，節約能源，為降低廠用電率提供了良好的途徑。

國家將能源利用效率列為重中之重，主要目標是到2010年單位GDP的能源消耗減少20％。其中，每1萬元GDP標準煤消耗量應減少到0.98噸；單位GDP的能耗每年必需減至4．4％；單位工業附加值的水資源消耗必需減少30％；主要污染物排放應減少10％。為此，國家制定并實施了《節能中長期專項規劃》，確定了“十一五”期間能耗降低目標。國資委和原國家環保總局就節能減排指標還分別與國內五大發電集團公司簽訂了責任狀，將能源消耗納入企業綜合評價和年度考核，按照“一票否決”制，實施節能目標責任制和問責制。

大唐寧德電廠作為大唐集團的代表性企業，積極響應國家節能減排、建設資源節約型社會的重要政策，09年我們先后對兩臺機組凝結泵系統進行了變頻改造。一年多來機組運行實踐表明，改造后凝結水系統各項安全經濟性指標達到了預期的目標，凝結泵變頻改造工作取得了成功。

二、高壓變頻調速技術

2.1 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：

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 －PC＝（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。

2.2 變頻調速原理

變頻調速是通過改變電源頻率來調節電動機轉速的。對于異步電動機而言，設f為定子電源頻率，s為轉差率，p為磁極對數，n為轉速，按照電機學的基本原理，電機的轉速滿足如下的關系式：

由上式可見，電機的同步轉速n0（n0=60f/p）正比于電機的運行頻率f，由于轉差率s一般情況下比較小(0~0.05)，電機的實際轉速n約等于電機的同步轉速n0，所以改變電機的電源頻率f，就能改變電機的實際轉速。

變頻調速就是通過改變輸入到交流電機的電源變頻，從而達到調節交流電動機的輸出轉速的目的。即變頻調速系統是從電網直接接收工頻50 Hz的交流電，經變頻器，將輸入的工頻交流電變換成為變頻幅值都可調節的交流電直接輸出到交流電動機，實現交流電動機的變速運行。

2.3 高壓變頻器特點

變頻器是運動控制系統中的功率變換器。目前，我國高壓變頻器呈現三大趨勢：

（1）功率單元串聯多電平技術依然是市場主流；

（2）向大功率方向發展；

（3）隨著高壓變頻技術的成熟，將大幅拓展工藝控制對于變頻調速的需求。

高壓變頻不像低壓變頻那樣具有成熟的一致性的主電路拓撲結構，而是限于功率器件的電壓耐量和高壓使用條件的矛盾，國內各變頻生產廠商，采用不同的功率器件和不同的主電路結構，以適應各種拖動設備的要求，因而在各項性能指標和適應范圍上也各有差異。

高壓變頻器一般可分為兩大類：

（1）交—交變頻器（無直流環節）

（2）交—直—交變頻器（有直流環節）

其中交—直—交變頻器又可根據直流環節采用大電感以平抑電流脈動的變頻器稱為電流源型變頻器，直流環節采用大電容抑制電壓波動的變頻器則稱為電壓源型變頻器。圖2所示為三種高壓變頻器框圖。

無論何類變頻器，判斷其優劣，首先要看其輸出交流電壓的諧波對電機的影響；其次要看對電網的諧波污染和輸入功率因數；再次要看其本身的能量損耗（即效率）如何。

目前，市場上眾多生產廠家推出了各種原理和結構各異的高壓變頻器，選擇一種適用于火電廠風機和水泵變頻調速改造的產品是非常重要的。實踐經驗表明：單元串聯多平電壓源型變頻器是火電廠風機和水泵變頻調速改造的首選。這種變頻器采用的拓撲結構由美國羅賓康公司率先開發研制，所以又稱羅賓康結構。國內廠商包括利德華福、東方日立以及微能科技等公司均采用這種主電路結構。其結構特點是：

（1）在輸出逆變部分采用了具有獨立電源的單相橋式SPWM逆變器的直接串聯疊加，不存在器件均壓的問題；

（2）在輸入整流部分采用了多相多重疊加整流技術，可以降低開關損耗提高等效開關頻率，從而減小輸出諧波、降低噪聲和電動機的脈動轉矩；

（3）在結構上采用了功率單元模塊化技術，雖然使元件數目增加，但由于IGBT驅動功率低可以使變頻器的效率高達96%以上。

（4）這些技術的采用使得這種變頻器驅動功率小、總體效率高、諧波污染最小，堪稱完美無諧波變頻器。單元串聯多電平電壓源型變頻器的主要優點是：

①由于采用功率單元串聯，可采用技術成熟，價格低廉的低壓IGBT組成逆變單元，通過改變聯單元的個數適應不同的輸出電壓要求；

②完美的輸入、輸出波形，可以降低電機脈動轉矩，使其能適應任何場合及電動機使用，對電機電纜長度無特殊要求；

③由于多功率單元具有相同的結構及參數，便于將功率單元做成模塊化，實現冗余設計，在個別單元故障時可以通過旁路功能使系統能夠正常或降額使用；

④變頻器可承受-35電源電壓降低和5個周波的電源喪失，能夠適應發電廠廠用電系統工作和備用之間電源切換、電動給水泵等大負荷啟動時造成的電壓波動。

2.4 單元串聯多電平型高壓變頻調速系統結構

我公司本次改造采用利德華福HARSVERT-A系列高壓變頻器，其調速系統采用多電平串聯的結構控制方式，系統結構如圖3所示。系統主要有移相變壓器、功率單元、旁路單元組成。6kV系列有5個功率單元，每5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。串聯方式采用星型接法，中性點浮空。每個功率單元由電網電壓經移相變壓器的次級繞組供電，所有功率單元都通過光纖接收來自同一個中央控制器的指令，以調節輸出電壓，功率單元輸出電壓串聯后得到可變頻率的高壓電供給電動機。

三、高壓凝泵變頻方案實施

3.1 動力系統方案

針對凝結水系統的特點，綜合比較多種動力系統方案，我們最終確定我廠凝結水系統變頻改造采用一拖二手動旁路方案。即配備一臺高壓變頻器，通過切換高壓隔離開關把高壓變頻器切換到要運行的凝結水泵上去。高壓變頻器可以拖動A凝結泵電動機實現變頻運行，也可以通過切換拖動B凝結泵電動機實現變頻運行。兩側凝結泵電動機均具備工頻旁路功能，可實現任意一臺電動機的變頻運行，另外一臺處于工頻備用，當高壓變頻器故障時，系統可聯鎖另一臺工頻電機運行。

圖4理示意圖

基本原理：它是由六個高壓隔離開關QS1～QS6組成（見圖4）。其中QS1和QS4,QS2和QS5有電氣互鎖；QS3和QS2,QS6和QS5安裝機械互鎖裝置。如果兩路電源同時供電，A凝泵工作在變頻狀態，B凝泵工作在工頻狀態時，QS3和QS4、QS5分閘，QS1、QS2和QS6處于合閘狀態；B凝泵工作在變頻狀態，A凝泵工作在工頻狀態時，QS1和QS2、QS6分閘，QS3、QS4和QS5處于合閘狀態；如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于合閘狀態，其它隔離開關都分閘，兩臺負載可以同時工頻運行；當一路電源檢修時，可以通過分合隔離開關使任一電機變頻運行。

當A凝結泵變頻運行故障跳閘時，系統聯鎖起動B凝結泵QF2開關工頻運行。當B凝結泵變頻運行故障跳閘時，系統聯鎖起動A凝結泵QF1開關工頻運行。

3.2 控制系統方案

3.2.1 改造原則

凝結水泵變頻改造要在保證除氧器水位調節品質不變，并可以在工作泵跳閘、低水壓等特殊工況發生時保證機組正常運行前提下進行變頻改造。改造利用現有的設備與系統，原來兩個水位調節門全開以減小節流損失，當高壓變頻器跳閘后，備用凝結水泵以工頻方式立即啟動，將凝結水打至出口母管，以保證在變頻器跳閘時除氧器水位的穩定。兩個調整門的開度由當前實際負荷計算得出，而且在10秒鐘時間內迅速關到指定位置，最低程度減小系統擾動，維持除氧器水位在正常范圍內，保證機組運行。

3.2.2 實際改造實施情況

變頻器的啟停通過閉合、斷開變頻方式下的凝結水泵的6kV開關來自動完成，也就是說，行人員在凝泵操作面板上按下凝泵操作面板的啟動”和“停止”按鈕即可完成6kV開關的閉合、斷開及變頻器的啟停控制。由于是一臺變頻器控制兩臺凝泵，所以同時只能有一臺泵在變頻方式下，另一臺泵在工頻方式，在邏輯中設計了凝泵的變頻運行方式和工頻運行方式，同時在原系統中分別增加了一套保護和一套聯鎖，即變頻器重故障凝結水泵跳閘保護，同時備用泵聯鎖啟動。

正常運行時一臺凝結水泵變頻運行，另外一臺凝結水泵工頻備用，運行人員可根據實際情況控制除氧器水位調節門開度，變頻運行且投入自動，變頻器通過輸出頻率的改變來調整凝結水泵的轉速，從而通過控制凝結水泵到除氧器的上水量，保證除氧器水位穩定在運行人員的設定值范圍內。當水位發生波動時，通過DCS組態中以凝結水流量、省煤器出口流量、除氧器水位三個參數構成的串級回路，輸出轉速指令至變頻器，調整凝結水泵的上水量，以穩定除氧器水位。

當就地設備發生故障，例如變頻器發“重故障報警”或者凝結水泵突然跳閘等故障發生時，當前凝結水泵的高壓合閘開關斷開，并閉合另外一臺工頻備用凝結水泵高壓合閘開關，備用泵工頻啟動。變頻器自動切換到“手動”方式，兩個調節門自動切換到“自動”方式，當工頻泵啟動的瞬間，除氧器上水調整門開度仍然在較大開度，凝結水上水量會因此猛增，為防止除氧器水位超過規定值，兩個調節門必須在最短的時間內關到合適的位置，所以邏輯設計了一旦變頻器由于故障原因由自動切手動，調門在10秒鐘時間內強制關到當前負荷要求的開度，投入到“自動”方式運行。這個開度也是工頻正常運行時調整門的理想開度值。當調整門關到負荷計算值位置并且穩定后，從而完成整個凝結水變頻故障的無擾切換。

3.3 冷卻系統方案

由于變頻器本體在運行過程中有一定的熱量散失，為保證變頻器具有良好的運行環境，需要為變頻器配備獨立的冷卻系統。根據現場的實際情況，綜合冷卻系統的投資和運營成本、設備維護量、無故障運行時間，針對實際安裝位置、發熱總量、運營成本、施工費用等因素，此次變頻改造采用了強制密閉式冷卻方案。

為保障變頻設備處于安全運行，避免環境溫度和粉塵對設備的不利影響，在變頻器功率柜側獨立增加密閉式強制冷卻系統。該系統作為變頻功率柜外的附屬裝置，能夠保證變頻功率柜始終處于25～40℃運行環境，大幅度延長濾網更換周期，少現場維護量。不需要為變頻器再獨立建筑房屋，變壓器柜采用開放式冷卻。強制冷卻裝置與變頻器功率柜一體化設計，附著于功率柜頂部。制冷壓縮機組安裝于變頻器柜附近。

強制密閉式冷卻系統如下圖所示：

通過實際運行，強制密閉冷卻裝置能夠滿足高壓變頻器運行過程中的散熱需要，設備安裝簡便、快捷，熱交換效率高。

四、采用變頻調速應該注意的問題

選擇可靠性要求高。電廠的性質決定了用于電廠的高壓變頻器需要有很高的可靠性，保證電廠的安全生產。美國羅賓康高壓變頻器和北京利德華福有限公司的高壓變頻器均采用整個功率單元串聯，而不是功率器件直接串聯，避免了器件直接串聯帶來的均壓問題。采用功率單元旁路技術，當功率單元故障時，變頻器仍可降額繼續運行，大大提高了系統的可靠性。在選擇高壓變頻器時，這一性能應詢問變頻器廠家，作為重點參考指標。

變頻器輸入諧波對電力系統的影響。如果變頻器輸入電流諧波較大（比如采用電流源型變頻器，沒有濾波措施時），對火電廠的電力系統會產生如下危害：供電系統的繼電保護裝置誤動作，可能導致大面積停電。測量儀器儀表誤差增大，影響計量精度和控制性能。影響其它電力電子裝置，電子計算機系統及通信設備的正常工作。使電機，變壓器和電容器等用電設備損耗增大，嚴重時會過熱或燒損。完美無諧波高壓變頻器輸入電流諧波失真極小，對電網基本不產生諧波污染。大，中型火電廠自動化水平高，大多數采用自動化儀表和計算機控制系統，對用電系統的諧波要求很高，美國羅賓康高壓變頻器和北京利德華福有限公司的高壓變頻器電壓、電流波形較好，不存在這方面的問題。

變頻器輸出波形對電機的影響。由于火電廠應用變頻調速很大部分是屬于舊有設備的改造，原有的普通電機是設計成為電網直接運行的，而電網電壓波形基本為正弦波。如果變頻器輸出波形質量不好的話，會對電機產生影響。變頻器輸出諧波會引起的電機附加發熱和轉矩脈動，噪音增加，輸出dv/dt和共模電壓會影響電機的絕緣。美國羅賓康高壓變頻器和北京利德華福有限公司的高壓變頻器輸出波形質量均很高，不必設置輸出濾波器，就可以使用原有的普通異步電機。

高壓變頻器進線刀閘、旁路刀閘、出線刀閘集成柜的選擇。選擇高壓變頻器時，可根據輔機設備的重要程度決定是否采用進線刀閘、旁路刀閘、出線刀閘集成柜。而凝結水泵，正常運行時一臺運行，一臺備用，因此在變頻器故障時不會造成造成機組降負荷運行，不再采用進線刀閘、旁路刀閘、出線刀閘集成柜，以便降低造價，節約投資。

高壓變頻器要有可靠的冷卻裝置，高壓變頻器在冷卻風扇停運時，功率單元將超溫而使變頻器停止運行，因此高壓變頻器應有兩套獨立的冷卻裝置，并且冷卻裝置的電源系統要有兩套來自不同低壓段的獨立的電源供電。

高壓變頻器應選擇良好的運行環境。高壓變頻器的運行應選擇清潔、通風、干燥的運行環境，高壓變頻器變壓器柜和功率柜的濾網應定期清掃。特別是運行環境較差時，灰塵將阻塞濾網，造成冷卻效果變差而功率單元超溫報警，甚至停運。

五、節能效果分析

5.1 設備參數

5.1.1 凝泵系統參數

凝結泵電機參數

型號：YKKL2300-4/1180-1

額定功率：2300 kW

額定電壓：6kV 額定頻率：50Hz

額定電流：262.9A 額定轉速：1492r/min

相數：3 接線方式：2Y

冷卻方式：IC611

電機轉動慣量：J=133.4kg.m2

生產日期2007年4月

制造廠家 湘潭電機有限公司

5.1.2 高壓變頻器參數

型號 HARSVERT-A06/270

技術方案 多級模塊串聯，交直交、高高方式

額定輸入電壓/允許變化范圍 6kV/±10%

系統輸出電壓 0～6kV

對電網電壓波動的敏感性 -35%～+15%

移相變壓器額定容量 2900kVA

變頻器輸出電壓變化范圍 0~6kV

變頻器輸出電流變化范圍 0~262.9A

電網側變換器型式及元件 30脈沖，二極管三相全橋

電機側逆變器型式及元件 IGBT 逆變橋串連

冷卻方式 強制密閉冷卻

制造廠家 北京利德華福電氣技術有限公司

5.2工頻/變頻狀態在各種負荷下每小時節電見下表：

根據上表中數據可以看出，機組負荷越小，采用變頻改造后，凝結水泵電機節能效果越顯著。按平均每小時節電750kWh，年運行6000小時計算,年節電750×6000=450萬（kWh）,按上網電價0.4元/kWh 計算,年效益0.4×450=180(萬元)。

六、結語

凝結泵在變頻改造投運后一年多時間里運行穩定。此次，660MW超超臨界機組凝結水系統高壓變頻改造，新增變頻設備安裝布置在凝結水泵就近位置，節省了高壓電纜和土建費用；冷卻系統均采用強制密閉冷卻結構設計，風路循環使用，粉塵小、環境穩定，受外界環境因素影響小，大大減低維修維護人員的工作強度。凝結水系統投入運行后各項測試性能指標良好：兩個調整門截流噪音及震動明顯減小，機組在330MW運行時，凝結水泵電機電流由原來的170.5A 最低降低到75.9A左右，節電率可達55.5%，全年平均節電率為50.9%。節能效果十分明顯。超超臨界機組凝結水泵變頻改造后，實現了跟蹤負荷等參數變化通過調節電動機頻率實現連續調節，平滑穩定、調節范圍大、節能降耗效果明顯，經濟性較高。值得在全國范圍內大規模的推廣應用。