高壓變頻器一拖二自動旁路系統在凝結水泵上的應用

1 引言

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

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

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

2 一拖二自動旁路系統介紹

　　2.1 凝結水泵的作用

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

　　2.2 凝結水泵電氣一次系統

　　變頻改造前：1臺發電機組一般配有2臺凝結水泵，正常發電時1臺凝結水泵運行，另一臺備用；一旦運行水泵發生故障，系統就會自動連啟備用泵，從而保證系統的連續運行。同時考慮到凝結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：保證原來凝結水泵工頻一次系統不變，變頻電源與甲凝結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（qf2），變頻器輸出通過兩個相互互鎖的開關（qf4與qf5）進行切換便能實現兩臺泵的正常運行，如附圖所示。

　　2.3 安全工作方式

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

　?。?） 凝泵甲工頻開關（qf1）和凝泵乙工頻開關（qf3）兩個開關與變頻電源開關（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發生故障后dcs發信號連跳qf2。

　?。?） 變頻器故障發生后，系統自動連對側泵工頻運行，如果聯動失敗，則強行合對側泵電源開關。

2.4 凝結水泵運行方式

　　（1） 凝泵甲變頻調速運行，凝泵乙工頻備用狀態

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

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

3 現場獨特的安裝方式

　　由于凝結水泵改造采用一拖二自動旁路方案，因此甲乙凝結水泵系統除了保持原有的工頻進線開關外，另外在乙凝結水泵母線與變頻器之間增加變頻進線開關和自動旁路切換開關。工頻進線柜保持改造之前的柜體，進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?，F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，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品，正常運行過程中會產生大量的熱量。這部分熱量主要包括變壓器傳送電能產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損耗。

　　3.1 高壓變頻器發熱量計算

　　（1）凝結水泵現場選用的mlvert-d06/1120.a變頻器匹配的進線變壓器容量為1175kva，根據凝結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。

　　根據上面的數據計算，變頻器在運行過程每小時將會產生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）的空調進行熱量交換才能保證變頻器穩定工作。正常工作時變頻器功率模塊的溫度保護值為65℃，而變壓器鐵心溫度保護值為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，現場對模塊控制柜和變壓器采取獨特的安裝方式進行分別散熱。

　　（1）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25kw）的空調進行熱交換，從而有效地抑制各個發熱源之間的相互熱傳遞，保證了各個部件的可靠散熱。

　?。?）同時變頻器頂部冷卻風機出口加裝獨立的風道，及時把柜內各個熱源產生的熱量排到變頻室外。這樣自然風經空調制冷后引入變頻器室，然后變頻器頂部冷卻風機把室內冷卻風從變頻器后門濾網引入，流經變頻器內部，接著把熱交換產生的熱風經風道引出變頻室外。這樣就保證了柜內外，室內外有效的冷熱交換。

　　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的老化程度，延長了設備的壽命。

4 變頻器改造后的節能效果

　　4.1 #10機組與#12機組凝結水泵耗電量統計

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

　　說明：

　?。?）從表1數據可以看出，在同一負荷工況下，凝泵的運行電流相差較大，尤其負荷在260mw以下時更為明顯，從而說明采用變頻調速后負荷越低，節能效果越明顯。負荷在180mw時每小時節電達360kw·h。

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

4.2 一天時間內單位發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（節電率為25％），如果發電量低，節電效果將更加明顯。

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

　　日平均節電為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：

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

5 結束語

　　#10機組凝結水泵通過變頻改造后，系統運行十分穩定。系統能夠靈活地進行就地/遠方控制，提高了生產工藝的自動化水平，減少系統維護工作量；同時電動機變頻啟動能實現軟啟動，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速來調節，投入變頻后，水泵的閥門處于全開位置，節流損失降到最低；由于節流損失的降低，輕載時實現節能運行，這樣既降低了生產成本，又降低了生產設備的故障率，從而產生較大的經濟效益和社會、環境效益，提高企業的綜合競爭力和發展后勁，因此高壓變頻技術值得大力推廣。