問題的提出 　　山西陽光發(fā)電有限責(zé)任公司總裝機(jī)容量為4×300MW機(jī)組，每臺機(jī)組配置兩臺循環(huán)水泵，其出口節(jié)門采用蝶閥，只有全開全關(guān)兩個(gè)位置，冷卻水流量調(diào)節(jié)采用開泵臺數(shù)進(jìn)行控制，由于季節(jié)及晝夜的溫度差異，時(shí)常出現(xiàn)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(diào)節(jié)方法，汽輪機(jī)的真空度不穩(wěn)定，不能保證汽輪機(jī)在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式下運(yùn)行，同時(shí)浪費(fèi)了大量電能和水資源，致使廠用電率高，供電標(biāo)煤耗高，發(fā)電成本不易降低。選擇合適的調(diào)速方式對循環(huán)水泵進(jìn)行節(jié)能改造成為當(dāng)務(wù)之急。為了進(jìn)一步適應(yīng)廠網(wǎng)分開、競價(jià)上網(wǎng)的電力體制，節(jié)約能源，降低廠用電率，保護(hù)環(huán)境，簡化運(yùn)行方式，減少轉(zhuǎn)動設(shè)備的磨損等，我公司決定在1#發(fā)電機(jī)組循環(huán)水泵上采用了一套北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的6 kV/1800 kW高壓變頻器調(diào)速裝置。 1、循環(huán)水泵工況特點(diǎn) 　　山西陽光發(fā)電公司發(fā)電機(jī)組采用閉式循環(huán)水系統(tǒng)。電廠補(bǔ)給水源為娘子關(guān)泉水，經(jīng)化學(xué)弱酸陽離子交換器處理后的軟化水，循環(huán)水泵采用單元制供水系統(tǒng)，即每臺機(jī)配一座冷卻塔，一條壓力循環(huán)水管，一條雙孔自流水溝和兩臺循環(huán)水泵，在正常運(yùn)行工況，每臺機(jī)運(yùn)行兩臺循環(huán)水泵。冷卻水塔采用風(fēng)筒式逆流自然通風(fēng)冷卻塔，通風(fēng)筒為雙曲線施轉(zhuǎn)殼。在循環(huán)供水系統(tǒng)中，是由循環(huán)水泵實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用的，經(jīng)熱交換后的熱水進(jìn)入冷卻設(shè)施進(jìn)行冷卻，使其水溫降至允許值，然后又重復(fù)將冷卻水輸入凝汽器而循環(huán)使用，由于系統(tǒng)水位基本上是穩(wěn)定的，故循環(huán)水泵的揚(yáng)程也基本穩(wěn)定，而其容量按計(jì)算水量確定。 　　循環(huán)水泵隨機(jī)組長期連續(xù)運(yùn)行，由于機(jī)組負(fù)荷經(jīng)常變化，需要及時(shí)調(diào)整循環(huán)水流量，以保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。即使在同一負(fù)荷的情況下，不同的外部環(huán)境也使得循環(huán)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(diào)，機(jī)組冬季全天、春季的后夜及低負(fù)荷工況時(shí)，開一臺循環(huán)水泵就可滿足運(yùn)行需要，循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)間按平均200 天計(jì)算，雙臺循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)間：150天。循環(huán)水泵工作在滿負(fù)荷時(shí)，其電機(jī)工作電流為195A。 　　采用變頻調(diào)節(jié)裝置根據(jù)工況調(diào)節(jié)流量是有其必要性的。利用高壓變頻器根據(jù)實(shí)際需要對循環(huán)水泵拖動電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，由于水泵固有的特性，調(diào)速即可以調(diào)節(jié)水泵的出水量，又可以降低電動機(jī)的功耗，并達(dá)到最有利真空的控制目的，從而達(dá)到了既保證和改善工藝，又可達(dá)到節(jié)能降耗的目的和效果。 2、汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式與循環(huán)水泵流量的控制 　　目前汽輪機(jī)的真空度主要依靠調(diào)節(jié)冷卻水流量來控制的，由汽輪機(jī)的運(yùn)行原理可知，運(yùn)行中的凝汽器壓力主要取決于蒸汽負(fù)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(fù)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(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，由于真空度提高汽輪機(jī)功率的增量ΔΝ1應(yīng)大于為增加循環(huán)水量所多消耗的功率ΔΝ2，顯然，汽輪機(jī)的最有利真空Peco（經(jīng)濟(jì)真空）應(yīng)位于凈增功率ΔΝ=ΔΝ2 -ΔΝ1的最大值處，此時(shí)汽輪機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，如圖1所示： 圖中Dw為冷卻水量，P為汽輪機(jī)的凝汽器真空，ΔΝ為功率差值，ΔΝ在冷卻水量比較小的時(shí)候隨冷卻水量的增大而增加，到a點(diǎn)達(dá)到最大，如果再進(jìn)一步增大冷卻水流量，ΔΝ反而開始減小，直至為零。但到達(dá)c點(diǎn)時(shí)，汽輪機(jī)的膨脹能力已達(dá)到極限，汽輪機(jī)功率不會再增加，c點(diǎn)所對應(yīng)的真空成為極限真空。從圖中可以看出，由a點(diǎn)引等水量線與凝汽器壓力線相交的b點(diǎn)所對應(yīng)的真空度Peco就是最有利真空，a點(diǎn)所對應(yīng)的冷卻水量Deco就是最佳冷卻水量。通過確定汽輪機(jī)的最有利真空，并以此為依據(jù)來控制冷卻水流量，使汽輪機(jī)的排氣壓力盡量維持最有利真空位置，以保證機(jī)組在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式下工作。 　　由上述分析可以看出，改變循環(huán)水流量可以提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 3、汽輪機(jī)最有利真空度循環(huán)泵控制原理 　　最有利真空的實(shí)現(xiàn)是靠調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水的流量，由機(jī)組DCS控制循環(huán)水泵的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的運(yùn)行臺數(shù)和運(yùn)行轉(zhuǎn)速，控制循環(huán)水流量使汽輪機(jī)的真空度維持在最有利真空位置，保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。水泵的速度調(diào)節(jié)控制是汽輪機(jī)最有利真空控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，利用變頻器對循環(huán)水泵進(jìn)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(lián)技術(shù)，6KV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(gè)功率單元，每5個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。 　　每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)以及電氣性能完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)見圖3，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，可得到如圖4所示的波形。 　　輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)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(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。 　　另外，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對獨(dú)立，每個(gè)功率單元等效為一臺單相低壓變頻器。 　　輸出側(cè)由每個(gè)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(jī)供電，通過對每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)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(jī)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(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。 　　當(dāng)某一個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，通過使圖3中的軟開關(guān)節(jié)點(diǎn)K導(dǎo)通，可將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其他單元的運(yùn)行，變頻器可持續(xù)降額運(yùn)行，可減少很多場合下停機(jī)造成的損失。 5、變頻改造方案簡介 　　#1發(fā)電機(jī)組配置兩臺循環(huán)水泵，對其中一臺循環(huán)水泵加裝高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速控制，循環(huán)水泵有關(guān)參數(shù)如下： 型號：1600HB立式斜流泵 流量：Q=18500 m 3/h 揚(yáng)程：H=18.2 m 額定轉(zhuǎn)速：370r/min 配套電機(jī)：YL1800-16 匹配功率：1800kw 額定電流：223A 額定轉(zhuǎn)速：375r/min [align=center]變頻器技術(shù)參數(shù)如下表： [/align] 　　為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，為變頻器同時(shí)加裝工頻旁路裝置，變頻器異常時(shí)，變頻器停止運(yùn)行，電機(jī)可以直接手動切換到工頻下運(yùn)行。工頻旁路由3個(gè)高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成（見圖，其中QF為原有高壓開關(guān)）。QS2不能與QS3同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖。變頻運(yùn)行時(shí)，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運(yùn)行時(shí)，QS3閉合，QS1和QS2斷開。 　　為了實(shí)現(xiàn)變頻器故障的保護(hù)，變頻器對6KV開關(guān)QF進(jìn)行聯(lián)鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF，工頻旁路時(shí)，變頻器允許QF合閘，撤消對QF的跳閘信號，使電機(jī)能正常通過QF合閘工頻啟動。 　　為了保證發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行，在單臺變頻循環(huán)水泵運(yùn)行工作模式下，變頻器發(fā)生故障跳開QF時(shí)，需要將備用的循環(huán)水泵自動投入運(yùn)行；為適應(yīng)變頻改造后循環(huán)水泵系統(tǒng)自動化水平的提高，對出水閥門也進(jìn)行聯(lián)鎖自動控制，其閥門聯(lián)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(dāng)大于設(shè)定的“最小開閥出口水壓”時(shí)，閥門開始打開，直至開全；在停泵時(shí)，閥門同步關(guān)閉；如果開泵時(shí)，閥門因各種原因未能開全，將提示“閥門沒有開全”，停泵時(shí)，如閥門未關(guān)嚴(yán)，將提示“閥門沒有關(guān)嚴(yán)”。這樣在開泵和停泵過程中，值班人員無需再對閥門執(zhí)行任何操作，不僅減少了操作的失誤，而且在開閥、關(guān)閥過程中對管網(wǎng)的沖擊也很小。 　　變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)電機(jī)組現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)。DCS根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷情況，按設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)對鍋爐循環(huán)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動控制。變頻器需要提供給DCS的開關(guān)量輸出包括故障報(bào)警（變壓器超溫、單元柜風(fēng)機(jī)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(yùn)行指示、高壓合閘允許、高壓緊急分?jǐn)?、開閥門（變頻器控制閥門聯(lián)動時(shí)使用，即打開出口碟閥）、關(guān)閥門（變頻器控制閥門聯(lián)動時(shí)使用，即關(guān)閉出口碟閥）；DCS需要提供給變頻器的開關(guān)量包括：啟動變頻（干節(jié)點(diǎn)，閉合時(shí)有效，使變頻器開始運(yùn)行）、停運(yùn)變頻器（干節(jié)點(diǎn)，閉合時(shí)有效，使變頻器正常停機(jī)）、閥門關(guān)嚴(yán)（干節(jié)點(diǎn)，開點(diǎn)有效，表示變頻器所控制的水泵出口碟閥的閥門已關(guān)嚴(yán)）、閥門開全（干節(jié)點(diǎn)，開點(diǎn)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(zhuǎn)速給定值，即變頻器需要運(yùn)行的轉(zhuǎn)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(yīng)的物理量為輸出頻率和輸出電流；現(xiàn)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(lián)動時(shí)備用；高壓開關(guān)柜提供給變頻器的開關(guān)量有：1個(gè)，工頻高壓開關(guān)已分閘。節(jié)點(diǎn)閉合時(shí)表示高壓在分閘位置，高壓開關(guān)合閘，該節(jié)點(diǎn)斷開。 　　循環(huán)水泵調(diào)速由操作人員通過DCS系統(tǒng)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(jìn)行調(diào)節(jié)，此輸出值為反饋給變頻器的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，對應(yīng)不同的頻率（速度）給定值，變頻器通過比較轉(zhuǎn)速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)的循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水量的目的。 　　在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過一段時(shí)間的積累，可將不同負(fù)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(huán)水泵調(diào)速專用算法，同時(shí)利用熱工一次測量元件，將采集的負(fù)荷和溫度參數(shù)的變化值送到機(jī)組DCS系統(tǒng)中，在機(jī)組DCS系統(tǒng)中，進(jìn)行控制運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)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(zhuǎn)速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速自動控制。 　　由于這次改造只針對兩臺并聯(lián)水泵中的一臺，正常運(yùn)行工況為一臺工頻、一臺變頻，由于季節(jié)及晝夜溫度的差別使得變頻系統(tǒng)的運(yùn)行有著特殊性，管網(wǎng)總出口的壓力取決于兩臺并聯(lián)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(yùn)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(dǎo)致整體壓力下降，達(dá)不到循環(huán)系統(tǒng)總體的揚(yáng)程要求，處于工頻定速運(yùn)行的水泵也易導(dǎo)致過流發(fā)生，根據(jù)以往的運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在工頻泵與變頻泵同時(shí)運(yùn)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(dú)運(yùn)行時(shí)，變頻泵可以根據(jù)需要在5-45Hz范圍調(diào)節(jié)，（變頻泵調(diào)節(jié)的頻率必須滿足水泵出口壓力最低要求），這樣可以滿足運(yùn)行需要，同時(shí)可對出水量進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)。 6、變頻裝置調(diào)試數(shù)據(jù)對比 對相關(guān)參數(shù)的實(shí)際測量結(jié)果如下 [align=center]表1 工頻和變頻調(diào)速循環(huán)水泵系統(tǒng)的綜合輸入功率對比 [/align] 　　測試結(jié)果表明,50%負(fù)荷時(shí)節(jié)能率為60%，滿負(fù)荷時(shí)節(jié)能率也達(dá)20%。同時(shí)，電機(jī)變頻啟動時(shí)，啟動電流平穩(wěn)上升,電機(jī)啟動非常平穩(wěn)。 7、變頻改造后的效益計(jì)算 　　我們從水泵調(diào)速節(jié)能原理得知，當(dāng)水泵拖動電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，出力為額定值，轉(zhuǎn)速及功耗為額定值，當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，可以按需要升降電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數(shù)滿足工藝要求，根據(jù)水泵的相似定律，變速前后流量、揚(yáng)程、功率與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系為： Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=（n1/n2）2 P1/P2=（n1/n2）3 Q1 、H1、P1—水泵在n1轉(zhuǎn)速時(shí)的流量、揚(yáng)程、功率； Q2、H2、P2—水泵在n2轉(zhuǎn)速時(shí)相似工況條件下的流量、揚(yáng)程、功率。 　　假如轉(zhuǎn)速降低一半，即：n2/n1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達(dá)到節(jié)能的目的。從上圖中可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速由n1降為n2時(shí)，水泵的額定工作參數(shù)Q、H、P都降低了。但從效率曲線η-Q看，Q2點(diǎn)的效率值與Q1點(diǎn)的效率值基本是一樣的。也就是說當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，額定工作參數(shù)相應(yīng)降低，但效率不會降低，有時(shí)甚至?xí)岣?。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(jié)能效益計(jì)算如下； 　　全年發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間按7200小時(shí)計(jì)算，其中雙泵運(yùn)行時(shí)間和單泵運(yùn)行時(shí)間各占一半，發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷、80%負(fù)荷、70%負(fù)荷、50%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間均為1800小時(shí)，電費(fèi)成本為0.2/元度。 　　1）　1#機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)，在雙泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量為：302400KWh， 　　　　年至少節(jié)省電費(fèi)：60480元 　　2）　1#機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)，在變頻泵單泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量為：302400KWh 　　　　年至少節(jié)省電費(fèi)：60480元 　　3）　1#機(jī)組80%負(fù)荷時(shí)，在雙泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量為：625500KWh 　　　　年至少節(jié)省電費(fèi)：125100元 　　4）　1#機(jī)組80%負(fù)荷時(shí)，在變頻泵單泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量為：625500KWh 　　　　年至少節(jié)省電費(fèi)：125100元 　　5）　1#機(jī)組70%負(fù)荷時(shí)，在雙泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量為：843300KWh 　　　　年至少節(jié)省電費(fèi)：168660元 　　6）　1#機(jī)組70%負(fù)荷時(shí)，在變頻泵單泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量為：843300KWh 　　　　年至少節(jié)省電費(fèi)：168660元 　　7）　1#機(jī)組50%負(fù)荷時(shí)，在雙泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量為：897300KWh 　　　　年至少節(jié)省電費(fèi)：179460元 　　8）　1#機(jī)組50%負(fù)荷時(shí)，在變頻泵單泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量為：897300KWh 　　　　年至少節(jié)省電費(fèi)：179460元 　　可見，在滿負(fù)荷全年運(yùn)行至50%負(fù)荷全年運(yùn)行情況下，投入一臺北京利德華福公司生產(chǎn)的國產(chǎn)高壓變頻器后，我公司全年節(jié)約電費(fèi)均可達(dá)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(shù)可達(dá)0.95以上，大于電機(jī)功率因數(shù)0.82，減少大量無功。并且實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動，可避免因大電流啟動沖擊造成對電機(jī)絕緣的影響，減少電機(jī)維護(hù)量，節(jié)約檢修維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)電機(jī)壽命大幅度延長。 8、結(jié)束語 　　高壓變頻裝置節(jié)能效果明顯，采用變頻調(diào)速后，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動，延長電機(jī)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(fā)電有限責(zé)任公司1#機(jī)組循環(huán)水泵系統(tǒng)的調(diào)速改造中應(yīng)用是相當(dāng)成功的。該系列變頻器的先進(jìn)性、可靠性已得到許多工業(yè)應(yīng)用的證實(shí)。在電力行業(yè)，對于許多高壓大功率的輔機(jī)設(shè)備推廣和采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，不僅可以取得相當(dāng)顯著的節(jié)能效果，是電廠節(jié)能降耗的一個(gè)有效的途徑，而且也得到國家產(chǎn)業(yè)政策的支持，代表了今后電力行業(yè)節(jié)能技改的方向，目前電力行業(yè)越來越多的人員對此都已形成廣泛共識。