摘 要：本文結合湘潭發(fā)電有限責任公司凝結水泵高壓變頻器改造項目，介紹如何應用高壓變頻器來降低廠用電率，降低發(fā)電成本，達到節(jié)能降耗的目的，改善設備運行狀況。 關鍵詞：高壓變頻器、節(jié)能、凝結水泵 1 概況 　　大唐湘潭發(fā)電有限責任公司一期工程兩臺30萬千瓦機組分別于1997年、1998年投產(chǎn)發(fā)電;二期工程兩臺60萬千瓦超臨界機組。 　　采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對#11凝結水泵一臺進行高壓變頻改造，實現(xiàn)0～50Hz無極調(diào)速，功耗隨機組負荷變化而變化，進而提高設備利用率，達到最佳經(jīng)濟運行模式的目的。改造遵循“最小改動，最大可靠性，最優(yōu)經(jīng)濟性”的原則。 　　1.1 凝結水泵及配套電機的設計參數(shù)： 　　大唐湘潭發(fā)電有限責任公司凝結水泵采用沈陽水泵廠9LDTA—4型多級立式，其設計參數(shù)如下。 　　配套YLST500—4型空冷電動機，其設計參數(shù)如下。 　　1.2 變頻器選型及參數(shù)： 2 系統(tǒng)配置方案 　　系統(tǒng)采用傳統(tǒng)配置，2臺凝結水泵一用一備，水通過凝結水泵升壓，經(jīng)處理后經(jīng)過軸封加熱器、低加送入除氧器，在軸封加熱器出口與低加進口處設置除氧器水位調(diào)節(jié)閥及電動旁路閥，用于控制除氧器水位。 　　系統(tǒng)改造一次回路如圖1。為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，給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運行狀態(tài)下運行。工頻旁路由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成（見下圖，其中QF為原6KV高壓開關柜內(nèi)的斷路器）。要求QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現(xiàn)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(xiàn)變頻器故障的保護，變頻器對6KV開關QF進行連鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF，要求對QF的分合閘電路進行適當改造。并且兩臺凝結水泵是一運一備，當變頻泵跳閘時，聯(lián)啟工頻備用泵，不會影響凝結水系統(tǒng)正常工作。變頻泵工頻旁路時，變頻器始終允許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。 　　當凝結水泵變頻運行后，改造前調(diào)節(jié)凝結水流量的調(diào)節(jié)閥門完全打開，凝結水再循環(huán)系統(tǒng)關閉，并由變頻器或DCS系統(tǒng)控制凝結水泵的電動閥門，實現(xiàn)變頻水泵與電動閥門的聯(lián)動，聯(lián)動邏輯為：變頻水泵啟動前，閥門應關嚴;DCS向變頻器發(fā)出啟動指令后，水泵轉(zhuǎn)速逐漸加快，泵口水壓相應升高，當泵口水壓大于閥外側(cè)管網(wǎng)水壓時，變頻器發(fā)出開閥指令，閥門打開;當閥門全開后向變頻器返回閥門全開信號，變頻器進入正常運行狀態(tài)。當變頻水泵停機時，有兩種狀態(tài)，一種是變頻器正常停機，一種是事故急停。正常停機時，DCS向變頻器發(fā)出停機指令后，變頻器收到停機指令后先發(fā)出關閥指令，閥門開始關閉，當閥門關嚴后向變頻器發(fā)出閥門關嚴信號，變頻器接到閥門關嚴信號后再開始停機，直到變頻水泵轉(zhuǎn)速降為零;變頻器事故停機時，同時向閥門發(fā)出關閥指令。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)一次回路圖[/align] 3 變頻器原理 　　DHVECTOL-DI 系列無電網(wǎng)污染高壓大功率變頻器是采用直接“高-高”的變換形式，由多個功率單元構成多重化串聯(lián)的拓撲結構，每個單元輸出固定的低壓電平，再由多個單元串聯(lián)疊加為所需的高壓。以6KV每相六單元串聯(lián)為例,電壓疊加如圖2所示。每相由六個相同的 [align=center] 圖2 6KV變頻器電壓疊加示 圖3 6級6KV變頻器電路原理示意圖[/align] 　　功率單元串聯(lián)而成，相電壓為3464V。每個功率單元輸出有效值Ve=577V，峰值輸出電壓Vp= Ve=816V。（見示意圖3） 　　多重化串聯(lián)結構使用低壓器件實現(xiàn)了高壓輸出，減低了對功率器件的耐壓要求。它對電網(wǎng)諧波污染非常小，輸入電流諧波畸變率小于4%，滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準;輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置;輸出波形接近正弦波，不存在輸出諧波引起的電動機發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，對普通異步電動機不必加輸出濾波器就可以直接使用。 　　3.1 功率單元 　　功率單元主要由輸入熔斷器、三相全橋式整流器、預充電回路、電容器組、IGBT逆變橋、直流母線和旁通回路構成，同時還包括電源、驅(qū)動、保護監(jiān)測、通訊等組件組成的控制電路。單元結構如圖4所示。各功率單元具有完全相同的結構，有互換性。 [align=center] 圖4 變頻器單元結構[/align] 　　功率單元由移相變壓器的一組副邊供電，通過三相全橋整流器將交流輸入整流為直流，并將能量儲存在電容組中。電容組根據(jù)單元電壓選擇并聯(lián)或串聯(lián)，如母線電壓為815V，則將三組電容串連起來以滿足耐壓要求，每組電容根據(jù)單元容量的大小選擇并聯(lián)個數(shù)?？刂撇糠滞ㄟ^冗余設計的電源板從直流母線上取電，接收主控系統(tǒng)發(fā)送的PWM信號并通過控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。監(jiān)控電路實時監(jiān)控IGBT和直流母線的狀態(tài)，將狀態(tài)反饋回主控系統(tǒng)。在某一個功率單元出現(xiàn)重故障時，主控將打開該功率單元的旁通回路，使該功率單元進入旁通狀態(tài)，而整個變頻器可以繼續(xù)工作，直至適當時機停機進行功率單元更換，避免整個變頻器停機。 　　每個單元輸出PWM波，將每相N功率單元的輸出電壓疊加，產(chǎn)生多重化的相電壓波形，使相電壓產(chǎn)生出2N+1個電壓臺階，如圖5所示的六個功率單元輸出的PWM波形及疊加之后的相電壓波形圖。 [align=center] 圖5 變頻器的單元輸出波形及相電壓疊加波形[/align] 　　3.2 移相變壓器 　　移相變壓器電氣原理圖如6圖所示: 變壓器（以6KV變頻器輸入變壓器為例）原邊繞組為6kV, 副邊共十八個繞組分為三相。每個繞組為延邊三角形接法，分別有±5o 、±15o 、±25o 等移相角度，每個繞組接一個功率單元。這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。因此，采用移相變壓器進行隔離降壓，不會對電網(wǎng)造成超過國家標準的諧波干擾。 [align=center] 圖6 移相變壓器電氣原理圖[/align] 　　3.3 控制系統(tǒng) 　　主控系統(tǒng)包括：主控板及其輸入輸出接口。主控板以INTEL公司高性能單片機為控制核心，輔以一個EPROM存儲器存儲主控程序，另外使用一個NVRAM存儲器存儲用戶設置的現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)。主控板和光通訊主板之間通過專用電纜進行數(shù)據(jù)傳輸。光通訊主板通過光纖和單元之間進行通信，向各個功率單元傳輸PWM信號，并返回各個功率單元狀態(tài)信息。主控板和液晶顯示界面之間使用光纖連接，液晶及面板鍵盤實現(xiàn)人機界面功能。顯示內(nèi)容有系統(tǒng)狀態(tài)，運行狀態(tài)，功能參數(shù)值、故障記錄等。通過面板上的功能鍵，可以實現(xiàn)系統(tǒng)運行、停機、復位及功能參數(shù)設定和記錄查詢。主控板的I/O接口用來實現(xiàn)端子控制模式的外部通信。主要功能有，系統(tǒng)端子復位和運行/停止控制、外部模擬方式頻率給定、以及系統(tǒng)狀態(tài)、運行頻率的輸出等。主控板的輸入還包括控制電源和運行電流的采樣信號。如圖7所示： [align=center] 圖 7 主控系統(tǒng)示意圖[/align] 　　電氣控制以可編程邏輯控制器（PLC）為中心，輔與繼電器、開關等器件，負責變頻器內(nèi)部的邏輯控制和外部與用戶的接口。PLC主要完成以下功能：負責與主控系統(tǒng)交換給定頻率、運行頻率、輸入輸出電流及功能號等數(shù)據(jù)，監(jiān)控主控系統(tǒng)的就緒、運行、故障等狀態(tài);負責處理變頻器控制電源切換、旁通柜開關切換與互鎖、風機、柜門、變壓器溫度等信號;負責與用戶的接口，處理用戶的高壓開關信號、控制指令信號，并向用戶提供變頻器運行狀態(tài)和參數(shù)。 4 變頻器在應用中應注意的問題 　　4.1 變頻器工作溫度的控制。變頻器內(nèi)部是大功率的電子元件，加上移相變壓器發(fā)熱，變頻器總發(fā)熱量特別大，而功率電子元件和控制部分受溫度影響大，實際使用中由于現(xiàn)場環(huán)境溫度過高引起的設備故障比例較大，產(chǎn)品一般要求為0～40℃，但為了保證工作安全、可靠，使用時應考慮留有余地，最好控制在35℃以下，并需設計好冷卻系統(tǒng)，防止局部過熱現(xiàn)象。根據(jù)改造經(jīng)驗、變頻器可采用安裝空調(diào)、安裝風道和水冷幾種散熱形式，安裝空調(diào)優(yōu)點是可以保證室內(nèi)環(huán)境清潔，設備積灰少，但可靠性差，空調(diào)費用及運行費用高，一般1000KW的變頻器需安裝兩臺10P以上的空調(diào)。風道散熱成本低，可靠性高，散熱效果良好，我廠因空調(diào)制冷量不夠后改造用這種形式，但不能用于現(xiàn)場比較臟，灰塵大的環(huán)境。用水冷系統(tǒng)效果最佳，對功率特別大的變頻器選用方式，但輔助系統(tǒng)較多，安裝復雜。 　　4.2 環(huán)境溫度變化較大時變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結露現(xiàn)象，其絕緣性能就會大降低，甚至可能引發(fā)短路事故，這是變頻器在長期運行中需特別注意的地方。停機后需防止溫度過低而使設備受潮，特別是使用空調(diào)制冷系統(tǒng)。必要時，須在變頻器柜內(nèi)增加干燥劑和加熱器。 　　4.3 變頻器在不同頻率下運行，電機的發(fā)熱及振動對電機的影響是否在允許范圍之內(nèi)。實測不同頻率下電機帶水泵振動在25Hz時出現(xiàn)共振點，振動達至0.53MM，電機有明顯的晃動感覺。但在50Hz下電機的振動大大減少，振動僅0.01MM，工頻運行時有0.04MM。因此變頻器運行頻率應跳過電機共振點，啟動頻率一般設定為30Hz。 　　4.4 凝泵系統(tǒng)加裝變頻器后對機組安全穩(wěn)定運行的影響。凝結水泵在變頻方式運行時，若凝泵事故跳閘，工頻泵聯(lián)起則除氧器水位調(diào)整門M/A站強制發(fā)出一個依負荷大小來設定的預置指令作為除氧器上水調(diào)整門開度指令，預置指令的大小依機組實際運行來調(diào)整，目前#1、2機300MW負荷時除氧器水位調(diào)整門在自動方式時為60%左右，200MW負荷時為40%左右。因此將此值按試驗經(jīng)驗設定為負荷除以5。同時需通過試驗測試在凝泵系統(tǒng)在不同運行工況下出口壓力變化是否滿足其它輔助設備的影響，如給水泵機械密封冷卻水系統(tǒng)。及現(xiàn)場測試不同工況下自動調(diào)節(jié)的響應速度是否滿足機組穩(wěn)定運行的要求，現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)在除氧器水位波動較大的情況下，凝泵變頻器自動方式將難以自動調(diào)整除氧器水位和凝結水壓力正常，必須依靠手動方式進行調(diào)整。 　　4.5 變頻器的工作接地、和保護接地是否足夠可靠。變頻器的接地必須與動力設備接地點分開，不能共地。信號輸入線的屏蔽層，應接至E（G）上，其另一端絕不能接于地端，否則會引起信號變化波動。變頻器與控制柜之間應電氣連通，如果實際安裝有困難，可利用銅芯導線跨接。變頻器外殼和機座與大地至少需兩個可靠的接地點，接地線滿足熱穩(wěn)定容量。 5 綜合效益分析 　　5.1節(jié)能計算 　　根據(jù)投運以來變頻器運行在不同工況下實測參數(shù)如下： 　　從上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，改造前在不同負荷下凝結水泵損耗的功率（電壓取6.1KV，功率因數(shù)取0.86）減去改造后在相同負荷下?lián)p耗的功率（電壓取6.1KV，功率因數(shù)取0.97）再減去變頻器室內(nèi)空調(diào)損耗（計算兩空調(diào)同時以最大功率運行2X4700W），可以計算變頻器在不同工況下凝結水泵節(jié)能數(shù)據(jù): 　　86.6＊1.732＊6.1＊0.86-52.2＊1.732＊6.1＊0.97-9.4=242.5KW 　　300MW時電機節(jié)約的電功率為（計算含空調(diào)損耗）， 　　95.5＊1.732＊6.1＊0.86-71.8＊1.732＊6.1＊0.97-9.4=122.5KW 　　變頻器在機組負荷越低時節(jié)能效果越明顯，如果以變頻器年運行5500小時（2005年#1機組年運行小時為7438小時），節(jié)約電價為0.38元/千瓦＊時來計算，最晚回收成本為4年左右。最早收回成本為2年左右。 　　5.2 改善系統(tǒng)啟動性能 　　減少電機啟動時的電流沖擊，消除了大啟動電流對電機、傳動系統(tǒng)和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養(yǎng)費用，變頻器投運行后電流可平滑升降，且最大啟動電流值可不超額定電流值。 　　5.3 延長設備壽命 　　使用變頻器可使電機轉(zhuǎn)速變化沿凝泵的加減速特性曲線的變化，沒有應力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。同時有關數(shù)據(jù)說明，機械壽命與轉(zhuǎn)速的倒數(shù)成正比，降低凝泵轉(zhuǎn)速可成倍地提高凝泵壽命，凝結水泵使用費用自然就降低了，我廠在機組最大負荷時凝泵運行頻率為45.47HZ，低負荷時運行轉(zhuǎn)速更低。 　　5.4 降低噪音 　　使用變頻器后，轉(zhuǎn)速降低，電機噪音將大幅度下降。 6 結束語 　　總之，300MW發(fā)電機組凝結水泵推廣使用變頻調(diào)速，節(jié)能效果明顯，實現(xiàn)了電機的軟啟動，延長電動機的壽命，降低電機噪音。同時由于不需要反復的開關閥門，減少了閥門的磨損，更為重要的是可以大幅度降低廠用電率，減少發(fā)電成本，提高競價上網(wǎng)的競爭能力。 參考文獻： 　　1、高壓大功率變頻器產(chǎn)品技術手冊 東方日立（成都）電控設備有限公司 　　2、變頻調(diào)速凝結水泵在300MW機組的應用 大唐國際發(fā)電股份有限公司張家口發(fā)電廠卜喜正 　　3、高壓變頻調(diào)速裝置在火電廠300MW機組引風機上的應用 山西陽光發(fā)電有限責任公司 李風鳴