高壓變頻器一拖二自動旁路系統(tǒng)在凝結(jié)水泵上的應(yīng)用

1 引言

　　隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步和控制手段的日趨完善，高壓變頻技術(shù)逐漸成熟，變頻器的應(yīng)用方式和應(yīng)用范圍也不斷擴大?；痣姀S擁有大量不同應(yīng)用場合和不同運行工況的大功率輔機設(shè)備，且主要是風(fēng)機和水泵負(fù)載；由于變頻調(diào)速技術(shù)帶來的巨大的節(jié)能效果和操作的方便性，因此電動機的變頻調(diào)速改造也顯得尤為重要和迫切。

　　國電江蘇諫壁發(fā)電有限公司位于江蘇省鎮(zhèn)江市諫壁鎮(zhèn)，是個有著近50年建廠歷史的大型火力發(fā)電廠，目前全廠裝機容量為3×100mw＋6×330mw。由于小容量機組的發(fā)電量少，而且本身機組的能耗又比較大，因此電廠已經(jīng)停運并決定拆除100mw以下的3臺機組，在原來機組的基礎(chǔ)上重新建造1臺1000mw的機組，提高電廠總的發(fā)電量和發(fā)電效率。在現(xiàn)在運行的6臺機組中，有大小功率的高壓輔機設(shè)備幾十臺，尤其是引風(fēng)機和凝結(jié)水泵，生產(chǎn)過程中都是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、閘閥來調(diào)節(jié)風(fēng)量和水量來滿足生產(chǎn)要求，效率往往都低于70%。因此為了提高電動機的工作效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，電廠決定先對#10機組甲乙凝結(jié)水泵進(jìn)行變頻改造，然后依次再對送、引風(fēng)機等大功率輔機設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模改造。經(jīng)過反復(fù)比較，

　　決定選用由廣東明陽龍源電力電子有限公司生產(chǎn)的mlvert-d06/1120.a大功率高壓變頻器。

2 一拖二自動旁路系統(tǒng)介紹

　　2.1 凝結(jié)水泵的作用

　　#10機組甲乙凝結(jié)水泵的作用是把凝汽器熱井中的凝結(jié)水經(jīng)低壓加熱器打入除氧器，既維持凝汽器熱井水位穩(wěn)定又保證除氧器中的水量，既要滿足生產(chǎn)工藝要求又不造成電能的浪費，因此保持凝結(jié)水泵的安全可靠運行顯得至關(guān)重要。

　　2.2 凝結(jié)水泵電氣一次系統(tǒng)

　　變頻改造前：1臺發(fā)電機組一般配有2臺凝結(jié)水泵，正常發(fā)電時1臺凝結(jié)水泵運行，另一臺備用；一旦運行水泵發(fā)生故障，系統(tǒng)就會自動連啟備用泵，從而保證系統(tǒng)的連續(xù)運行。同時考慮到凝結(jié)水泵長期運行的可靠性，2臺水泵一般按月交替使用，以便定期檢修。

　　變頻改造后：保證原來凝結(jié)水泵工頻一次系統(tǒng)不變，變頻電源與甲凝結(jié)水泵的工頻電源來自同一段母線，在變頻電源與變頻器之間加入輸入真空開關(guān)（qf2），變頻器輸出通過兩個相互互鎖的開關(guān)（qf4與qf5）進(jìn)行切換便能實現(xiàn)兩臺泵的正常運行，如附圖所示。

　　2.3 安全工作方式

　?。?） 凝泵甲工頻開關(guān)（qf1）與凝泵甲變頻開關(guān)（qf4）互鎖；凝泵乙工頻開關(guān)（qf3）與凝泵乙變頻開關(guān)（qf5）互鎖；凝泵甲變頻開關(guān)（qf4）和凝泵乙變頻開關(guān)（qf5）互鎖，從而保證旁路系統(tǒng)的安全運行和切換。

　?。?） 凝泵甲工頻開關(guān)（qf1）和凝泵乙工頻開關(guān)（qf3）兩個開關(guān)與變頻電源開關(guān)（qf2）不用互鎖。

　?。?） 變頻器正?；蚬收贤C后變頻器先斷開qf2，然后連跳qf4和qf5；qf4或者qf5發(fā)生故障后dcs發(fā)信號連跳qf2。

　?。?） 變頻器故障發(fā)生后，系統(tǒng)自動連對側(cè)泵工頻運行，如果聯(lián)動失敗，則強行合對側(cè)泵電源開關(guān)。

2.4 凝結(jié)水泵運行方式

　?。?） 凝泵甲變頻調(diào)速運行，凝泵乙工頻備用狀態(tài)

　　正常運行時，變頻器電源開關(guān)（qf2）和凝泵甲變頻開關(guān)（qf4）合上，其它開關(guān)斷開，凝泵甲通過變頻器調(diào)速運行，凝泵乙處于工頻備用狀態(tài)。當(dāng)凝泵甲運行到最大轉(zhuǎn)速還不能滿足工況要求時，自動以工頻方式啟動凝泵乙，調(diào)節(jié)凝泵閥門，穩(wěn)定后凝泵甲可以轉(zhuǎn)入調(diào)速運行。當(dāng)凝泵甲調(diào)速運行有故障時，可以通過故障信號自動將凝泵乙以工頻方式啟動，調(diào)節(jié)凝泵閥門。

　?。?） 凝泵乙變頻調(diào)速運行，凝泵甲工頻備用狀態(tài)該種運行方式與（1）所述的運行方式類似。

3 現(xiàn)場獨特的安裝方式

　　由于凝結(jié)水泵改造采用一拖二自動旁路方案，因此甲乙凝結(jié)水泵系統(tǒng)除了保持原有的工頻進(jìn)線開關(guān)外，另外在乙凝結(jié)水泵母線與變頻器之間增加變頻進(jìn)線開關(guān)和自動旁路切換開關(guān)。工頻進(jìn)線柜保持改造之前的柜體，進(jìn)線斷路器也由用戶提供；而自動旁路切換柜就連同變頻器本體安裝在一起。現(xiàn)場高壓變頻裝置各個柜體具體布置從左至右依次是自動旁路切換柜、變壓器柜、模塊柜和控制柜。整個柜體安裝在單獨的密閉房間內(nèi)，底部跟槽鋼底座相連，保持柜體良好的安全接地。

　　高壓變頻器是新型的電力電子產(chǎn)品，正常運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量。這部分熱量主要包括變壓器傳送電能產(chǎn)生的損耗和模塊中主要功率器件igbt、晶閘管和整流二極管的開關(guān)損耗。

　　3.1 高壓變頻器發(fā)熱量計算

　　（1）凝結(jié)水泵現(xiàn)場選用的mlvert-d06/1120.a變頻器匹配的進(jìn)線變壓器容量為1175kva，根據(jù)凝結(jié)水泵實際運行的最大功率為800kw和變壓器的效率為97%，可以計算出變壓器的功率損耗為p變=800×（1-0.97）=24kw。

　?。?）mlvert-d06/1120.a變頻器共有18個功率單元模塊。在每個模塊中，電流將流過2只整流二極管、1只晶閘管和兩只igbt。整流二極管、晶閘管和igbt將分別產(chǎn)生0.7v/只、2.5v/只、2.5v/只的壓降，則總的壓降為v=0.7×2+2.5+2.5×2=9v；變頻器正常運行時最大運行功率為800kw，則最大運行電流i=p/1.732×u×cosφ=800/1.732×6000×0.85=90a。單個模塊的損耗為p單=ui=9×90=810w；整個變頻器18個模塊的損耗為p=810×18=14.6kw。

　　根據(jù)上面的數(shù)據(jù)計算，變頻器在運行過程每小時將會產(chǎn)生24kw+14.6kw=38.6kw的熱量，加上變頻器房本身要有180w/m2的制冷量，因此變頻室需要安裝制冷量為50kw（2臺10匹）的空調(diào)進(jìn)行熱量交換才能保證變頻器穩(wěn)定工作。正常工作時變頻器功率模塊的溫度保護(hù)值為65℃，而變壓器鐵心溫度保護(hù)值為120℃，變壓器的過溫能力比模塊大將近一倍，因此對模塊的散熱顯得尤為重要。

　　3.2 變壓器和模塊的分別散熱

　　考慮到變壓器和模塊對溫升要求的差異，現(xiàn)場對模塊控制柜和變壓器采取獨特的安裝方式進(jìn)行分別散熱。

　?。?）在變壓器柜和模塊柜兩者的連接處加上隔熱墻，把整個變頻室分成兩個單獨的房間，每個房間分別配上10匹（相當(dāng)25kw）的空調(diào)進(jìn)行熱交換，從而有效地抑制各個發(fā)熱源之間的相互熱傳遞，保證了各個部件的可靠散熱。

　　（2）同時變頻器頂部冷卻風(fēng)機出口加裝獨立的風(fēng)道，及時把柜內(nèi)各個熱源產(chǎn)生的熱量排到變頻室外。這樣自然風(fēng)經(jīng)空調(diào)制冷后引入變頻器室，然后變頻器頂部冷卻風(fēng)機把室內(nèi)冷卻風(fēng)從變頻器后門濾網(wǎng)引入，流經(jīng)變頻器內(nèi)部，接著把熱交換產(chǎn)生的熱風(fēng)經(jīng)風(fēng)道引出變頻室外。這樣就保證了柜內(nèi)外，室內(nèi)外有效的冷熱交換。

　　變頻器改造之后通過半年的實際運行考驗，變壓器鐵心工作溫度為28℃左右，比普通的安裝方式工作溫度降低了近10℃。這樣既保證了變頻器的可靠運行，同時又降低了整個系統(tǒng)的老化程度，延長了設(shè)備的壽命。

4 變頻器改造后的節(jié)能效果

　　4.1 #10機組與#12機組凝結(jié)水泵耗電量統(tǒng)計

　　#10機組甲乙凝結(jié)水泵自2007年12月采取一拖二自動旁路變頻改造以來，凝結(jié)水泵系統(tǒng)工作穩(wěn)定。由于#10機組與#12機組的發(fā)電容量相同，工作方式也完全一樣，因此我們采取對比的方法，隨機對凝結(jié)水泵（#10機凝泵變頻運行，#12機凝泵工頻運行）的耗電量進(jìn)行了10h統(tǒng)計，具體參數(shù)如表1所示。

　　說明：

　?。?）從表1數(shù)據(jù)可以看出，在同一負(fù)荷工況下，凝泵的運行電流相差較大，尤其負(fù)荷在260mw以下時更為明顯，從而說明采用變頻調(diào)速后負(fù)荷越低，節(jié)能效果越明顯。負(fù)荷在180mw時每小時節(jié)電達(dá)360kw·h。

　?。?）由于現(xiàn)場運行人員思維固定，變頻改造后還利用調(diào)整器來維持壓力，沒有充分利用調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來保持水位的壓力。變頻改造后可以保持調(diào)節(jié)器盡可能大的開度，不必截流。

4.2 一天時間內(nèi)單位發(fā)電量下凝泵耗電比較：

　　24h凝泵耗電比較如表2所示。

　　從表2可以看出，凝結(jié)水泵使用變頻器后耗電量占不使用變頻器電量的75%左右（節(jié)電率為25％），如果發(fā)電量低，節(jié)電效果將更加明顯。

　　通過表一對#10機組、#12機組凝結(jié)水泵的耗電統(tǒng)計，計算#10機組變頻改造后每小時的平均節(jié)電為p=（195+288+312+384+384+360）/5=321kw·h；

　　日平均節(jié)電為p=321×24=9630（kw·h）；

　　考慮到機組正常的停機檢修時間，機組按每年300天運行時間計算：

　　年平均節(jié)電為p=9630×300=289（萬kw·h），按照當(dāng)?shù)厣暇W(wǎng)電價0.4 元/kw·h計算，變頻改造后一年節(jié)電費289×0.4=116（萬元）。按照現(xiàn)在目前國產(chǎn)變頻器的價格以及變頻器現(xiàn)場改造施工費用，保守的估計1年的時間就能完全收回投資成本。

5 結(jié)束語

　　#10機組凝結(jié)水泵通過變頻改造后，系統(tǒng)運行十分穩(wěn)定。系統(tǒng)能夠靈活地進(jìn)行就地/遠(yuǎn)方控制，提高了生產(chǎn)工藝的自動化水平，減少系統(tǒng)維護(hù)工作量；同時電動機變頻啟動能實現(xiàn)軟啟動，減少了電機的啟動沖擊和機械磨損，延長了電機的使用壽命；變頻改造后母管壓力可以通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)，投入變頻后，水泵的閥門處于全開位置，節(jié)流損失降到最低；由于節(jié)流損失的降低，輕載時實現(xiàn)節(jié)能運行，這樣既降低了生產(chǎn)成本，又降低了生產(chǎn)設(shè)備的故障率，從而產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益和社會、環(huán)境效益，提高企業(yè)的綜合競爭力和發(fā)展后勁，因此高壓變頻技術(shù)值得大力推廣。