一、概況 邯峰電廠一期工程為2臺66萬千瓦機組，該工程由中德雙方共同設計，是國家“九五”期間河北省最大的中外合資項目。該廠位于河北省邯鄲市，廠區(qū)占地73.54公頃，規(guī)劃容量2400MW，一期工程于2001年3月26日、9月1日先后建成2臺660MW燃煤發(fā)電機組投入商業(yè)運營，是華北地區(qū)單機容量最大的發(fā)電企業(yè)。邯峰發(fā)電廠主設備代表著上世紀90年代末期的國際先進水平。該廠汽輪發(fā)電機、電氣儀控系統(tǒng)采用德國西門子設計制造的設備。輔機主要有2臺全容量凝結(jié)水泵，2臺半容量汽動給水泵，1臺35%容量電動給水泵，3臺半容量循環(huán)水泵。 凝結(jié)泵是汽輪機熱力系統(tǒng)中的主要輔機設備之一，它的作用是把凝汽水箱的凝結(jié)水經(jīng)低壓加熱器加熱后送入除氧器內(nèi)維持除氧器水位平衡。系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的配置，凝結(jié)水通過凝結(jié)水泵升壓后，經(jīng)過軸封加熱器、4臺低壓加熱器后送入除氧器。維持凝結(jié)水泵連續(xù)、穩(wěn)定運行是保持電廠安全、經(jīng)濟生產(chǎn)的一個重要方面。 凝結(jié)水系統(tǒng)的工藝簡圖如圖1所示。 [align=center] 圖1：凝結(jié)水系統(tǒng)的工藝簡圖[/align] 機組在滿負荷情況下，凝結(jié)泵出口調(diào)節(jié)閥開度都在40％～60％之間運行，50%負荷至100%負荷間壓差較大，閥門一直處在節(jié)流狀態(tài)下工作，節(jié)流損失大。由于機組參與調(diào)峰，凝泵主輔機設備具有較大的調(diào)整空間，在低負荷時，凝泵出力不變，造成很大浪費。利用高壓變頻器對凝結(jié)泵進行變頻控制，實現(xiàn)凝泵給水流量的變負荷調(diào)節(jié)。這樣，不僅改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)，而且提高系統(tǒng)運行的可靠性；降低了機組的補水量，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟性，節(jié)約能源，為降低電廠廠用電率提供了良好的途徑。 　　 二、控制系統(tǒng)方案 1．凝結(jié)泵的運行工況 凝結(jié)泵電機使用德國西門子立式電機，2600kW/6kV，每臺機組配備2臺凝結(jié)泵，運行方式為一用一備。 調(diào)節(jié)凝汽器內(nèi)的水位是凝結(jié)泵運行中的一項主要工作。在正常運行狀態(tài)下，凝汽器內(nèi)的水位不能過高或過低。當機組負荷升高時，凝結(jié)水量增加，凝汽器內(nèi)的水位相應上升。當機組負荷降低時，凝汽器內(nèi)水位相應降低。 沒有使用變頻器之前，凝汽器內(nèi)的水位調(diào)整是通過改變凝結(jié)水泵出口閥門的開度進行的，調(diào)節(jié)線性度差，大量能量在閥門上損耗。同時由于頻繁的對閥門進行操作，導致閥門的可靠性下降，影響機組的穩(wěn)定運行。 使用高壓變頻器后，凝結(jié)水泵出口閥門不需要頻繁調(diào)整，閥門開度保持在一個比較大的范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率改變電機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)出口流量的目的，滿足運行工況的要求。 2、系統(tǒng)運行狀態(tài)的控制 在正常工況下，DCS優(yōu)先選擇#11凝結(jié)水泵投入運行，并根據(jù)凝汽器水位進行變頻調(diào)速控制，調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵。此時主凝結(jié)水調(diào)整門處于全開狀態(tài)。如果#12泵開關一旦合閘（不管其他條件），主凝結(jié)水調(diào)門可根據(jù)負荷大小分別調(diào)600MW時調(diào)整至40%，300MW時調(diào)整至30%，其它負荷按此直線斜率確定調(diào)門位置，到位后且＃11凝泵6kV開關跳閘，主凝結(jié)水調(diào)門自動投入。在凝汽器、除氧器水位平穩(wěn)后，將＃12泵出口電動門由30%逐漸開展。為保證主凝結(jié)水母管壓力不低于0.6MPa，#11凝泵最低頻率設定為30Hz（900轉(zhuǎn)/分）。 #11泵運行有兩種運行方式，即工頻運行和變頻運行。如變頻器正常，#11泵通過變頻調(diào)節(jié)（旁路斷開），操作順序為：先合上#11凝結(jié)水泵6kV開關，再啟動變頻器；如變頻器有故障，則需隔離變頻器、通過旁路工頻運行，并通過主凝結(jié)水調(diào)門自動來控制水位，操作順序為：將#11凝泵電源切換為旁路工頻狀態(tài)，合上#11凝結(jié)水泵6kV開關即可實現(xiàn)#11凝泵工頻運行。#12泵退出備用。#12泵控制方式保持不變，#11泵此時需隔離變頻器，旁路在連通位置，處于工頻備用位置。如#12泵故障跳閘或母管壓力低，引起#11泵自投，這時#11泵在工頻狀態(tài)下運行，并通過主凝結(jié)水調(diào)門來控制水位。 如變頻器正常，#11泵通過變頻調(diào)節(jié)（旁路斷開）；如變頻器有故障，#11泵隔離變頻器、通過旁路工頻運行，并通過主凝結(jié)水調(diào)門來控制水位。#11凝工頻運行時，如#11凝泵6kV開關跳閘，就應聯(lián)動#12泵；變頻運行時不僅#11凝泵6kV開關跳閘應聯(lián)動#12凝泵，而且如因變頻器跳閘也應聯(lián)動#12泵。 3、系統(tǒng)安全評價 凝結(jié)泵變頻改造后，設備增加，故障點增加，但系統(tǒng)通過以下安全措施能有效排除。 動力系統(tǒng)評價: 雖然增加了變頻設備，但保護沒有減少，分級保護仍然存在，動力系統(tǒng)變頻改造設計初期就充分考慮了安全方面因素。當變頻器故障或單臺泵跳閘時原有保護功能依然有效聯(lián)起備用，保證機組正常運行，不會對機組運行造成威脅。 為了保證設備穩(wěn)定運行，采取了一套完善的保護措施 　　※ 流量保護:設置最低轉(zhuǎn)速防止控制過程中電機不出水（防汽蝕）,當流量小于96kg/s,大于580kg/s，延時28秒停機。 　　※ 水位保護:當凝汽器水位小于400MM,A1低加,A2低加小于12600MM,A3低加小于1190MM,A4低加小于715MM,除氧器水位大于3070MM,延時20秒停機。 　　※ 溫度保護:當泵和電機軸承溫度超過100度也會跳機保護。 　　※ 轉(zhuǎn)速進行高、低速設置，具備快加快減功能，在負荷突變或單臺泵調(diào)閘情況下提高系統(tǒng)反應速度，降低水位變化速率，避免水位高、低值報警。 　　※ 在工頻泵運行變頻泵恢復時實現(xiàn)平穩(wěn)并泵、退泵，避免工頻泵壓頭過高變頻不出水。實現(xiàn)變頻器向上調(diào)整的平穩(wěn)過渡。 通過上述安全措施，再結(jié)合機組本身特點及凝泵系統(tǒng)特點達到節(jié)能效果，同時對機組的安全運行不構(gòu)成影響。 三．高壓大功率變頻器的技術特點 1、技術參數(shù) 配置凝結(jié)水泵數(shù)量：2臺（1用1備） 凝結(jié)泵參數(shù)： 配套電機參數(shù)： HARSVERT—A06/300參數(shù)如下表： 2、HARSVERT-A高壓變頻器特點 HARSVERT-A高壓變頻器屬于電壓型高-高變頻器，不需要另外加設輸出變壓器，只要將變頻器輸入端直接接在6kV的電網(wǎng)上，輸出端直接接到高壓電動機上，連接簡單方便。 HARSVERT-A高壓變頻器整流電路采用36脈沖整流，逆變回路采用獨特的單相多電平PWM控制技術，從而構(gòu)成了對電源和電動機都十分友好的雙完美系統(tǒng)，電源一側(cè)為完美無諧波輸入，電動機一側(cè)輸出為完美的正弦波，直接連接原有凝泵電動機，不需要大的改造，不需要增加輸出濾波器。 [align=center] 圖2：22Hz輸出波形 圖3：30Hz輸出波形[/align] 通過對變頻器輸出PWM波形（圖2、圖3）測量可以看出，這種波形正弦度好，dv/dt小，大大減少對電機和電纜的絕緣損壞，同時消除機械震動帶來的軸承的損壞。 HARSVERT-A高壓變頻器綜合運行效率高、功率因數(shù)高。由于采用多級移相干式變壓器使電網(wǎng)側(cè)電流諧波大大減小，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。利用這種常規(guī)低壓變頻器的成熟技術，使可靠性提高，由于IGBT開關頻率降低，使損耗減小，加之采用獨特的控制技術，變頻器綜合效率高達97%以上。由于電源輸入側(cè)36脈沖整流，功率因數(shù)超過0.95。 HARSVERT-A高壓變頻器控制系統(tǒng)采用嵌入式一體化工控機和PLC共同構(gòu)成，人機界面非常友好，實現(xiàn)多電平PWM控制和附加簡易矢量運算功能的V/f控制，控制響應快、精度高。采用了光電隔離技術，使低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。 3、HARSVERT-A高壓變頻器的外部接口如圖4所示： [align=center] 圖4：HARSVERT-A高壓變頻器的外部接口圖[/align] 4、600MW凝泵高壓變頻器的特殊設計 ※ 功率模塊的N+1冗余設計 HARSVERT-A高壓變頻器采用6級串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，變壓器為36脈沖輸入，每個功率單元的輸出電壓能力仍然為700V，在正常運行模式下，由PWM調(diào)節(jié)每個功率單元的輸出電壓，功率單元的輸出電壓不用達到額定電壓700V，即可保證電機運行的需要。當某個功率單元發(fā)生故障被旁路時，由于系統(tǒng)具有N＋1備份的功能，由PWM調(diào)節(jié)提高其余功率單元的輸出電壓，系統(tǒng)仍舊可以輸出6kV的電壓，滿足電機運行的需要。 新一代HARSVERT-A系列高壓變頻器采用單個單元模塊旁路控制方式（我公司已申請專利），當一個功率單元故障時，此模塊自動切換到旁路運行，系統(tǒng)調(diào)節(jié)其它功率單元的輸出，維持輸出線電壓的平衡，對電機無任何影響。采用這種技術，可以最大程度的發(fā)揮系統(tǒng)的電壓輸出能力；當某一相有兩個功率單元出現(xiàn)故障的情況下，系統(tǒng)仍舊可以輸出6kV的電壓。而早期的技術，當A相有一個功率單元出現(xiàn)故障，還需要旁路B相、C相一個完好的功率單元，來維持系統(tǒng)輸出電壓的平衡，這樣，當某一相有兩個功率單元出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)的電壓輸出能力將無法達到6kV。 采用這種N+1備份方式，出現(xiàn)單元旁路時，不影響高壓變頻器對電機的調(diào)節(jié)品質(zhì)。但是對輸入側(cè)（即電網(wǎng)）的電能品質(zhì)有一定的影響。當有一個功率單元退出運行時，變壓器的36脈沖構(gòu)成不再成立，由于總共有18個功率單元，因此將有1/18的電流諧波無法消除，由于變壓器的移相角度無法在線改變，這樣的缺憾在技術上是無法避免的。但是，這畢竟是一種非正常的運行方式，而且1/18的諧波增加仍舊滿足一般標準對諧波的要求，因此能夠得到用戶的諒解。如果不是采用單個單元模塊旁路技術，由于一次要旁路三個功率單元，將有3/18=1/6的諧波無法消除，對電網(wǎng)的諧波影響將較大。 HARSVERT-A高壓變頻器針對邯峰電廠要求功率單元采用冗余設計，用700V功率單元做成6 級，采用了特殊的主控程序（N+1 備份的專用版本）所有功率單元正常時，電壓調(diào)制系數(shù)比正常的標準設備略低，當有單元出現(xiàn)故障旁路時，則自動提升調(diào)制系數(shù)，旁路一級時仍然能達到滿電壓輸出。當＃12泵、＃11泵變頻泵切換時，利用變頻器的快速啟動模式，20s內(nèi)快速啟動到50Hz，同時凝結(jié)水調(diào)門切手動，運行人員手動逐漸開展主凝結(jié)水調(diào)門，降#11泵轉(zhuǎn)速，手動調(diào)整水位正常后，再投入變頻自動運行。 ※ 20s快速啟動功能 根據(jù)凝結(jié)水泵的工藝要求，兩臺水泵要真正實現(xiàn)互為備用，變頻水泵必須能夠在20—30s內(nèi)由0速啟動到全速，為此針對凝結(jié)水泵的特殊工況進行特殊設計，來滿足20—30s內(nèi)將水泵由0啟動到全速的要求。主要采取以下手段：①選用比標準2600kW/6kV高壓變頻器具有更大電流承載能力的IGBT器件、電解電容和整流橋，提高變頻器的輸出電流能力，從而可以獲得較大的啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩，加快電機啟動時間；②變壓器容量、散熱器容量仍然按2600kW/6kV高壓變頻器設計，因為變壓器本身具有較大的短時過流能力，短時的大電流也不會在變頻器內(nèi)產(chǎn)生大的熱量，散熱器容量也沒必要加大，這樣可以將高壓變頻器的成本控制在合理范圍內(nèi)；③從控制方式上，高壓變頻器啟動時采用飛車啟動功能將電機轉(zhuǎn)速在20s內(nèi)直接升至命令頻率，按照轉(zhuǎn)速－時間曲線進行速度調(diào)節(jié)，使得在一定的電流負載下，獲得總體較快的加速效果。④過流保護設定上，采用不同的標準。在啟動時段，變頻器內(nèi)部會將過流保護設定得較高，保證電機能在較大電流下啟動。正常運行時，高壓變頻器自動將過流保護調(diào)整為120%每分鐘，以保證能對電機實現(xiàn)有效的過流保護。 5、空水冷運行效果 由于HARSVERT-A大功率高壓變頻器4％的散熱量采用風冷卻已不能滿足設備正常運行對環(huán)境的要求，為此，為用戶提供了一套空－水冷方案，實踐證明，該系統(tǒng)具有安裝簡便、快捷，使用壽命長、故障率低、免維護、周期長等特點。 四．節(jié)能效果 現(xiàn)場技術數(shù)據(jù)： 通過對比可知各負荷點節(jié)電率情況如圖5所示 [align=center] 圖5：各負荷點節(jié)電率情況圖[/align] 如果按照平均負荷率為75%（500MW），年運行時間為7200小時，年可節(jié)約電量568.88萬kW?h，平均節(jié)電率44.58%。該項目在1-1.5年內(nèi)可收回投資成本。 五．凝泵調(diào)速后的其它優(yōu)點 變頻調(diào)速不僅節(jié)能效益顯著，而且可以明顯改善系統(tǒng)的安全可靠性，有以下幾個方面的優(yōu)點。 ※ 減少電機啟動時的電流沖擊 電機直接啟動時的最大啟動電流為額定電流的7倍，星角啟動為4.5倍，電機軟啟動器也要達到2.5倍，變頻起動時基本沒有沖擊。 ※ 延長設備壽命 采用變頻調(diào)速后，低負荷時避免了泵內(nèi)發(fā)生汽蝕，同時變頻調(diào)速沒有應力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。 ※ 提高管系可靠性 變速調(diào)速運行時，改善了由于閥門調(diào)節(jié)時對管系的沖擊，這樣降低了泵及系統(tǒng)的噪音，改善了運行環(huán)境。 六．總結(jié) 邯峰電廠凝泵變頻改造是國內(nèi)660M W機組的首次應用，隨著大型機組參與調(diào)峰的增多，越來越多的輔機需要進行調(diào)速改造，以適應競爭的需求。這次邯峰電廠600MW以上大機組首次應用國產(chǎn)大功率高壓變頻器進行調(diào)速改造的成功，為今后600MW以上機組應用國產(chǎn)高壓變頻器進行改造提供了良好的成功應用經(jīng)驗，為2500kW以上主輔機設備的改造提供了廣闊的應用前景，也表明了國產(chǎn)大功率高壓變頻器的推廣及應用已經(jīng)進入實質(zhì)性階段。HARSVERT-A系列國產(chǎn)大功率高壓變頻器性價比高，不失為用戶在大容量機組節(jié)能降耗方面的首選產(chǎn)品。