國產高壓變頻器在山西陽光發電廠循環水泵上的應用

山西陽光發電有限責任公司 孟崇林 李風鳴 武晉濤 呂碧


問題的提出
　　山西陽光發電有限責任公司總裝機容量為4×300MW機組，每臺機組配置兩臺循環水泵，其出口節門采用蝶閥，只有全開全關兩個位置，冷卻水流量調節采用開泵臺數進行控制，由于季節及晝夜的溫度差異，時常出現開一臺流量不夠，開兩臺流量過大的情況，由于這種原始的調節方法，汽輪機的真空度不穩定，不能保證汽輪機在經濟運行方式下運行，同時浪費了大量電能和水資源，致使廠用電率高，供電標煤耗高，發電成本不易降低。選擇合適的調速方式對循環水泵進行節能改造成為當務之急。為了進一步適應廠網分開、競價上網的電力體制，節約能源，降低廠用電率，保護環境，簡化運行方式，減少轉動設備的磨損等，我公司決定在1#發電機組循環水泵上采用了一套北京利德華福電氣技術有限公司生產的6 kV/1800 kW高壓變頻器調速裝置。
1、循環水泵工況特點
　　山西陽光發電公司發電機組采用閉式循環水系統。電廠補給水源為娘子關泉水，經化學弱酸陽離子交換器處理后的軟化水，循環水泵采用單元制供水系統，即每臺機配一座冷卻塔，一條壓力循環水管，一條雙孔自流水溝和兩臺循環水泵，在正常運行工況，每臺機運行兩臺循環水泵。冷卻水塔采用風筒式逆流自然通風冷卻塔，通風筒為雙曲線施轉殼。在循環供水系統中，是由循環水泵實現水資源的循環利用的，經熱交換后的熱水進入冷卻設施進行冷卻，使其水溫降至允許值，然后又重復將冷卻水輸入凝汽器而循環使用，由于系統水位基本上是穩定的，故循環水泵的揚程也基本穩定，而其容量按計算水量確定。
　　循環水泵隨機組長期連續運行，由于機組負荷經常變化，需要及時調整循環水流量，以保證機組的安全經濟運行。即使在同一負荷的情況下，不同的外部環境也使得循環水流量的需求不同，就目前電廠情況，一臺水少、兩臺水多的情況長期存在，而出囗閥門又不可調，機組冬季全天、春季的后夜及低負荷工況時，開一臺循環水泵就可滿足運行需要，循環水泵運行時間按平均200 天計算，雙臺循環水泵運行時間：150天。循環水泵工作在滿負荷時，其電機工作電流為195A。
　　采用變頻調節裝置根據工況調節流量是有其必要性的。利用高壓變頻器根據實際需要對循環水泵拖動電機進行調速，由于水泵固有的特性，調速即可以調節水泵的出水量，又可以降低電動機的功耗，并達到最有利真空的控制目的，從而達到了既保證和改善工藝，又可達到節能降耗的目的和效果。
2、汽輪機的經濟運行方式與循環水泵流量的控制
　　目前汽輪機的真空度主要依靠調節冷卻水流量來控制的，由汽輪機的運行原理可知，運行中的凝汽器壓力主要取決于蒸汽負荷、冷卻水入口溫度和冷卻水量，冷卻水溫一般取決于自然條件，在蒸汽負荷一定情況下就只有靠增加冷卻水的流量來提高凝汽器的真空度。為提高機組運行的經濟性，由于真空度提高汽輪機功率的增量ΔΝ1應大于為增加循環水量所多消耗的功率ΔΝ2，顯然，汽輪機的最有利真空Peco（經濟真空）應位于凈增功率ΔΝ=ΔΝ2 -ΔΝ1的最大值處，此時汽輪機工作在經濟運行方式，如圖1所示：


　　圖中Dw為冷卻水量，P為汽輪機的凝汽器真空，ΔΝ為功率差值，ΔΝ在冷卻水量比較小的時候隨冷卻水量的增大而增加，到a點達到最大，如果再進一步增大冷卻水流量，ΔΝ反而開始減小，直至為零。但到達c點時，汽輪機的膨脹能力已達到極限，汽輪機功率不會再增加，c點所對應的真空成為極限真空。從圖中可以看出，由a點引等水量線與凝汽器壓力線相交的b點所對應的真空度Peco就是最有利真空，a點所對應的冷卻水量Deco就是最佳冷卻水量。通過確定汽輪機的最有利真空，并以此為依據來控制冷卻水流量，使汽輪機的排氣壓力盡量維持最有利真空位置，以保證機組在經濟運行方式下工作。
　　由上述分析可以看出，改變循環水流量可以提高機組運行的經濟性。
3、汽輪機最有利真空度循環泵控制原理
　　最有利真空的實現是靠調節循環冷卻水的流量，由機組DCS控制循環水泵的運行狀態，調節循環水泵的運行臺數和運行轉速，控制循環水流量使汽輪機的真空度維持在最有利真空位置，保證機組經濟運行。水泵的速度調節控制是汽輪機最有利真空控制系統的核心內容，利用變頻器對循環水泵進行速度控制，控制方式為“一變一定”。
4、HARSVERT-A06/220型高壓變頻裝置原理
　　變頻裝置采用多電平串聯技術，6KV系統結構見圖2，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6KV系列有15個功率單元，每5個功率單元串聯構成一相。
　　每個功率單元結構以及電氣性能完全一致，可以互換，其電路結構見圖3，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，可得到如圖4所示的波形。


圖2 高壓變頻調速系統結構圖


圖3 功率單元電路結構
　　每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其電路結構見圖3，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，可得到如圖4所示的波形。


圖4 單元輸出的PWM波形
　　輸入側由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構成30脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網側的電流波形，使其負載下的網側功率因數接近1。
　　另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，每個功率單元等效為一臺單相低壓變頻器。
　　輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接成星型接法直接給高壓電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到如圖5所示的階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。
　　當某一個單元出現故障時，通過使圖3中的軟開關節點K導通，可將此單元旁路出系統而不影響其他單元的運行，變頻器可持續降額運行，可減少很多場合下停機造成的損失。


　 圖5 變頻器輸出的相電壓階梯正弦PWM波形
5、變頻改造方案簡介
　　#1發電機組配置兩臺循環水泵，對其中一臺循環水泵加裝高壓變頻調速系統進行調速控制，循環水泵有關參數如下：
型號：1600HB立式斜流泵
流量：Q=18500 m 3/h
揚程：H=18.2 m
額定轉速：370r/min
配套電機：YL1800-16
匹配功率：1800kw
額定電流：223A
額定轉速：375r/min


為了充分保證系統的可靠性，為變頻器同時加裝工頻旁路裝置，變頻器異常時，變頻器停止運行，電機可以直接手動切換到工頻下運行。工頻旁路由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成（見圖，其中QF為原有高壓開關）。QS2不能與QS3同時閉合，在機械上實現互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。


　　為了實現變頻器故障的保護，變頻器對6KV開關QF進行聯鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF，工頻旁路時，變頻器允許QF合閘，撤消對QF的跳閘信號，使電機能正常通過QF合閘工頻啟動。
　　為了保證發電機組安全運行，在單臺變頻循環水泵運行工作模式下，變頻器發生故障跳開QF時，需要將備用的循環水泵自動投入運行；為適應變頻改造后循環水泵系統自動化水平的提高，對出水閥門也進行聯鎖自動控制，其閥門聯鎖功能的作用是：在啟動水泵升速過程中，水泵出口水壓逐漸增高，當大于設定的“最小開閥出口水壓”時，閥門開始打開，直至開全；在停泵時，閥門同步關閉；如果開泵時，閥門因各種原因未能開全，將提示“閥門沒有開全”，停泵時，如閥門未關嚴，將提示“閥門沒有關嚴”。這樣在開泵和停泵過程中，值班人員無需再對閥門執行任何操作，不僅減少了操作的失誤，而且在開閥、關閥過程中對管網的沖擊也很小。
　　變頻調速系統進入發電機組現有的DCS系統。DCS根據機組的負荷情況，按設定程序實現對鍋爐循環水泵電機轉速的自動控制。變頻器需要提供給DCS的開關量輸出包括故障報警（變壓器超溫、單元柜風機故障、控制電源掉電、控制器故障、單元故障、模擬信號斷線等）、待命指示、運行指示、高壓合閘允許、高壓緊急分斷、開閥門（變頻器控制閥門聯動時使用，即打開出口碟閥）、關閥門（變頻器控制閥門聯動時使用，即關閉出口碟閥）；DCS需要提供給變頻器的開關量包括：啟動變頻（干節點，閉合時有效，使變頻器開始運行）、停運變頻器（干節點，閉合時有效，使變頻器正常停機）、閥門關嚴（干節點，開點有效，表示變頻器所控制的水泵出口碟閥的閥門已關嚴）、閥門開全（干節點，開點有效表示變頻器所控制的水泵出口碟閥的閥門已全開）；DCS需要提供給變頻器的模擬量有：1路4～20mA的電流源輸出，作為變頻器的轉速給定值，即變頻器需要運行的轉速；變頻器需要提供給DCS的模擬量有：2路4～20mA的電流源輸出，模擬輸出對應的物理量為輸出頻率和輸出電流；現場提供給變頻器的模擬量有：1路4～20mA的電流源輸出，表示變頻泵的出口壓力，閥門聯動時備用；高壓開關柜提供給變頻器的開關量有：1個，工頻高壓開關已分閘。節點閉合時表示高壓在分閘位置，高壓開關合閘，該節點斷開。
　　循環水泵調速由操作人員通過DCS系統的CRT上的模擬操作器，參照凝汽器的真空度和外界氣溫，對DCS的輸出值進行調節，此輸出值為反饋給變頻器的4-20mA標準信號，對應不同的頻率（速度）給定值，變頻器通過比較轉速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動調節電動機的轉速，實現的循環水泵轉速控制，從而達到調節水量的目的。
　　在此基礎上，經過一段時間的積累，可將不同負荷和溫度下的給定值繪制成曲線，定出安全的上下限，制成循環水泵調速專用算法，同時利用熱工一次測量元件，將采集的負荷和溫度參數的變化值送到機組DCS系統中，在機組DCS系統中，進行控制運算，將計算結果形成4-20mA的速度給定指令信號，反饋給變頻器，變頻器通過比較轉速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動調節電動機的轉速，實現循環水泵的轉速自動控制。
　　由于這次改造只針對兩臺并聯水泵中的一臺，正常運行工況為一臺工頻、一臺變頻，由于季節及晝夜溫度的差別使得變頻系統的運行有著特殊性，管網總出口的壓力取決于兩臺并聯水泵各自的出口壓力，從而決定了變頻泵不可能在太低的頻率下運行，否則會引起倒流或不出水的情況，另一方面，太低的頻率會導致整體壓力下降，達不到循環系統總體的揚程要求，處于工頻定速運行的水泵也易導致過流發生，根據以往的運行實踐經驗，在工頻泵與變頻泵同時運行的情況下，使變頻泵最低的頻率保持在38Hz以上，在變頻泵單獨運行時，變頻泵可以根據需要在5-45Hz范圍調節，（變頻泵調節的頻率必須滿足水泵出口壓力最低要求），這樣可以滿足運行需要，同時可對出水量進行連續的調節。
6、變頻裝置調試數據對比
對相關參數的實際測量結果如下


測試結果表明,50%負荷時節能率為60%，滿負荷時節能率也達20%。同時，電機變頻啟動時，啟動電流平穩上升,電機啟動非常平穩。
7、變頻改造后的效益計算
　　我們從水泵調速節能原理得知，當水泵拖動電機工頻運行時，出力為額定值，轉速及功耗為額定值，當采用變頻調速時，可以按需要升降電機轉速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數滿足工藝要求，根據水泵的相似定律，變速前后流量、揚程、功率與轉速之間關系為：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/P2=（n1/n2）3
Q1 、H1、P1—水泵在n1轉速時的流量、揚程、功率；
Q2、H2、P2—水泵在n2轉速時相似工況條件下的流量、揚程、功率。


圖7 水泵變頻調速性能曲線變化
　　假如轉速降低一半，即：n2/n1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉速能大大降低軸功率達到節能的目的。從上圖中可以看出：當轉速由n1降為n2時，水泵的額定工作參數Q、H、P都降低了。但從效率曲線η-Q看，Q2點的效率值與Q1點的效率值基本是一樣的。也就是說當轉速降低時，額定工作參數相應降低，但效率不會降低，有時甚至會提高。因此在滿足操作要求的前提下，水泵仍能在同樣甚至更高的效率下工作。
　　節能效益計算如下；
　　全年發電機組運行時間按7200小時計算，其中雙泵運行時間和單泵運行時間各占一半，發電機組滿負荷、80%負荷、70%負荷、50%負荷運行時間均為1800小時，電費成本為0.2/元度。
　　1)　1#機組滿負荷時，在雙泵運行情況下，估算年節電量為：302400KWh，
　　　　年至少節省電費：60480元
　　2)　1#機組滿負荷時，在變頻泵單泵運行情況下，估算年節電量為：302400KWh
　　　　年至少節省電費：60480元
　　3)　1#機組80%負荷時，在雙泵運行情況下，估算年節電量為：625500KWh
　　　　年至少節省電費：125100元
　　4)　1#機組80%負荷時，在變頻泵單泵運行情況下，估算年節電量為：625500KWh
　　　　年至少節省電費：125100元
　　5)　1#機組70%負荷時，在雙泵運行情況下，估算年節電量為：843300KWh
　　　　年至少節省電費：168660元
　　6)　1#機組70%負荷時，在變頻泵單泵運行情況下，估算年節電量為：843300KWh
　　　　年至少節省電費：168660元
　　7)　1#機組50%負荷時，在雙泵運行情況下，估算年節電量為：897300KWh
　　　　年至少節省電費：179460元
　　8)　1#機組50%負荷時，在變頻泵單泵運行情況下，估算年節電量為：897300KWh
　　　　年至少節省電費：179460元
　　可見，在滿負荷全年運行至50%負荷全年運行情況下，投入一臺北京利德華福公司生產的國產高壓變頻器后，我公司全年節約電費均可達107.604萬元左右。另外，由于北京利德華福公司系列變頻器功率因數可達0.95以上，大于電機功率因數0.82，減少大量無功。并且實現電機軟啟動，可避免因大電流啟動沖擊造成對電機絕緣的影響，減少電機維護量，節約檢修維護費用，同時電機壽命大幅度延長。
8、結束語
　　高壓變頻裝置節能效果明顯，采用變頻調速后，實現了電機的軟啟動，延長電機的壽命，也減少了管道的振動與磨損；總之，HARSVERT-A06/220型高壓變頻器在山西陽光發電有限責任公司1#機組循環水泵系統的調速改造中應用是相當成功的。該系列變頻器的先進性、可靠性已得到許多工業應用的證實。在電力行業，對于許多高壓大功率的輔機設備推廣和采用高壓變頻調速技術，不僅可以取得相當顯著的節能效果，是電廠節能降耗的一個有效的途徑，而且也得到國家產業政策的支持，代表了今后電力行業節能技改的方向，目前電力行業越來越多的人員對此都已形成廣泛共識。