高壓變頻器在蚌埠電廠凝結泵變頻改造應用

1 、概述

　　國電蚌埠電廠是由華東電網投資建設的大型火力發(fā)電企業(yè)，一期工程建設2×600MW國產亞臨界燃煤直接空冷機組。

　　機組中凝結泵變頻改造前運行中存在的問題：

?凝汽器內的水位調整是通過改變凝結泵出口閥門的開度進行的，調節(jié)線性度差，大量能量在閥門上損耗；

?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；

?汽水系統(tǒng)設計參數(shù)偏大，使凝結泵的出口壓力偏大，流量偏高；

?凝結泵出口壓力偏大， 超出了化學精處理系統(tǒng)的壓力， 對化學設備造成一些損害；

?凝升泵壓力、流量偏高， 對加熱器系統(tǒng)造成一定損害， 同時給除氧器水位的調整帶來一定困難；

?泵用電機啟動電流大，不僅對同一母線上的電機或其他設備正常工作造成極大的影響，而且對電機本身沖擊應力很大，軸承應力加大，同時對電機絕緣造成損傷，電機壽命縮短。

　　因此綜合以上多個角度，對凝結泵進行變頻調速改造是相當必要的。

　　現(xiàn)對#1機組凝結泵電動機安裝高壓變頻器調速裝置，凝結泵電動機型號及其參數(shù)如下表：

　　蚌埠電廠結合自身電機參數(shù)以及我公司產品優(yōu)勢，選用我公司型號MLVERT-D06/2800.B高壓變頻調速裝置。

2、凝結泵的工作流程

圖1 凝結水系統(tǒng)的工作流程

　　凝結水系統(tǒng)如圖1所示：從混合式凝汽器來的水97％-98％返回空冷塔，2％-3％參加熱力循環(huán)。凝結泵吸取凝汽器的水升壓后經過化學精處理， 經過低壓加熱器到除氧器， 除氧器除氧后進入給水泵升壓， 再經高壓加熱器到鍋爐， 最后經省煤器進入汽包， 從而完成熱力循環(huán)。維持凝結泵連續(xù)、穩(wěn)定運行是保持電廠安全、經濟生產地一個重要方面。

　　當機組負荷升高時，凝結水量增加，凝汽器內的水位相應上升。當機組負荷降低時，凝汽器內水位相應降低。在正常運行狀態(tài)下，凝汽器內的水位不能過高或過低。監(jiān)視、調整凝汽器內的水位是凝結泵運行中的一項主要工作。　　

　　蚌埠電廠所需凝結泵電機為6kV/2300kW的電機，每臺機組配備二臺凝結泵，一臺變頻運行，一臺工頻備用。

3、變頻調速改造的凝結泵電氣接線圖

圖2 凝結泵電機及其備用泵電機主電路接線圖

　　從主回路改造方案看出：對兩臺凝結泵的一臺進行變頻改造，另一臺工頻備用。當變頻器發(fā)生故障時，解決方案一，通過旁路柜將#1凝結泵連接到工頻運行。方案二，工頻啟動運行#2凝結泵，停止運行#1凝結泵。當#1號凝結泵發(fā)生故障時，解決方案是直接工頻啟動運行#2凝結泵。以上冗余備用保證了整個電廠生產正常。當故障設備恢復后，變頻啟動運行#1凝結泵，然后停止運行#2凝結泵。

　　對于變頻調速的#1凝結泵，高壓電源經用戶開關柜高壓開關QF11到刀閘柜，經輸入刀閘QF1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經出線刀閘QF2送至電動機；6kV電源還可經旁路刀閘QF3直接起動電動機。進出線刀閘QF2和旁路刀閘QF3的作用是：一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開進出線刀閘QF2，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘QF3，在工頻電源下啟動電機運行。QF11保留用戶原斷路器，QF1、QF2、QF3安裝在一個刀閘柜中與變頻裝置配套供貨。QF2與QF3之間閉鎖，防止誤操作。

4、變頻調速改造的直接經濟效益和間接投資效益分析

（1）節(jié)能

　　異步感應電動機的轉速n與電壓頻率f、轉差率s、電機極對數(shù)p三個參數(shù)有如下關系:n=60f(1-s)/p。改變電壓頻率f可以改變電動機轉速。由于凝結泵對轉速精度要求不是非常高,在異步感應電動機的設計制造完成后,在帶負載運行過程中由于負載變化,轉差率會略有變化,但變化極小，因此可以近似認為電機轉速與變頻器輸出電壓頻率成線性關系。所以將頻率不變的工網電壓變換為不同的頻率電壓時，電機轉速也會隨之改變。

圖3 水泵類負載工作特性曲線

　　在進行變頻調速改造前，凝結泵電機始終處于100%工作負荷狀態(tài)下，調節(jié)凝結器和除氧器中的水位即凝結泵的出水量完全依賴調節(jié)出口閥門開度改變管路的阻力來實現(xiàn)。當水量減小時，電機功率并沒有明顯下降。如圖所示，當需要減小流量時，減小閥門開度，凝結泵工作點從A點移到D點，忽略泵機和電機效率變化，電機功率由 變化到 ，變化不明顯。當采用變頻調速后，節(jié)能效果是明顯的，但一些變頻器廠家技術人員沒能掌握正確的節(jié)能算法，錯誤的應用公式，夸大了變頻調速節(jié)能效果，使計算值誤差很大，遠大于實際節(jié)能效果，給用戶產生了一定的誤導。具體分析如下：

　　比例定律：以離心式水泵為例,當驅動電機的轉速由 改變?yōu)?時,若輸送的液體不變,則在不同轉速下相似工況點的對應參數(shù)與轉速之間有下列關系:

　　上述比例公式應用的條件是在水泵工作在相似的工況點，所謂相似工況點是指兩臺泵在幾何相似、運動相似和動力相似的情況下運行參數(shù)。

　　幾何相似就是說他們的形狀完全相同，只是大小不同，其中一臺泵相當于另一臺泵按一定比例的放大或縮小。舉個形象的例子，兩張比例尺不同的中國地圖，它是幾何相似的，但大小相差一定的倍數(shù)。應當指出的是，這里提到的兩泵幾何相似是指流通部分的幾何相似，而不是要求泵之間的輪廓外形相似。

　　運動相似是指兩臺幾何相似泵流通部分各對應點的速度三角形相似。顯然，只有當兩臺泵的流通部分幾何相似，才有可能運動相似，但滿足幾何相似的條件不一定滿足運動相似，只有當兩臺幾何相似泵都在相似工況點運行時（例如：都運行在最高效率工況點），才是運動相似，所以運動相似又稱工況相似。

　　動力相似是指作用于兩臺泵內各對應點上的方向相同，大小成比例。作用于泵內流體的力主要是慣性力和粘性力的總壓力。因此，為使泵中的動力相似，必須對應點上的慣性力和彈性力（或壓力和密度）之比相等，慣性力和粘性力之比相等。

　　由上所述，比率定律轉速與流量成正比關系應用條件是非?？量痰?。

　　下面以水泵從流量 變?yōu)?時采用變頻調速節(jié)能效果分析（以下均不考慮電機和水泵效率）。

（2）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。觀察變頻器起動的負荷曲線，可以發(fā)現(xiàn)它啟動時基本沒有沖擊，電流從零開始，僅是隨著轉速增加而上升，不管怎樣都不會超過額定電流。因此凝泵變頻運行解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，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。

（3）延長設備壽命

   使用變頻器可使電機轉速變化沿凝泵的加減速特性曲線變化，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，機械壽命與轉速的倒數(shù)成正比，降低凝泵轉速可成倍地提高凝泵壽命，凝泵使用費用自然就降低了。

（4）降低噪音

   凝結泵改用變頻器后，降低水泵轉速運行的同時，噪音大幅度地降低，當轉速降低50%時，噪音可減少十幾個絕對分貝。同時消除了停車和啟動時的打滑和尖嘯聲，克服了由于調門線性度不好，調節(jié)品質差，引起管道錘擊和共振，造成給水系統(tǒng)上水管道強烈震動的缺陷，凝結泵變頻運行后，噪音、振動都大為減少，變化相當可觀。

（5）其他許多變頻調速改造前存在的問題都得到合理的解決。如使用閥門調節(jié)少了，精度提高了。出口的壓力變小，對精處理過程的化學設備影響小了等等。

   總之，大型汽輪發(fā)電機組凝泵推廣使用變頻調速器，可以大幅度降低廠用電率，減少發(fā)電成本，提高競價上網的競爭能力。

5、我公司變頻調速裝置的優(yōu)勢

(1)功率單元電子式旁路

　　為了保證變頻器和現(xiàn)場設備的正常運行，MLVERT系列高壓變頻器為用戶提供了功率單元電子旁路功能，當單元故障時，IGBT上管導通，使其不影響整個系統(tǒng)的正常工作，使整個系統(tǒng)由原來的串聯(lián)可靠性結構變成為并聯(lián)可靠性結構。電子旁路示意圖如下：

圖4 功率單元電子式旁路示意圖

（2）變頻器帶故障運行方式

　　當有功率單元故障時，變頻器可通過線電壓自動均衡技術，輸出最大的功率而不至于跳機影響生產，用戶可以根據(jù)設備的報警自行確定停機維修時間。

（3）風機選用進口設備

　　我公司高壓變頻器冷卻風機采用原裝進口施樂百風機，其平均無故障連續(xù)運行時間大于100000小時。

（4）諧波指標

　　輸出電流諧波失真<2%,變頻調速系統(tǒng)產生的諧波滿足并高于中國“GB/T 14549電能質量公用電網諧波”及“IEEE519”國際標準的規(guī)定。變頻裝置考慮將對電網諧波影響減至最小的措施包括：a、移相變壓器；b、單元串聯(lián)技術；c、優(yōu)化的PWM算法；d、多脈沖整流技術 。

（5）控制部分雙電源切換

　　變頻器控制回路采用雙電源切換技術并配置UPS電源，雙電源一路來源于用戶電源，一路來源于變頻器內隔離變壓器二次輸出繞組，其中任意一單元掉電自動切換至另一回路，切換時間約為40ms，切換過程中的電源保證由UPS提供，UPS提供掉電30分鐘輸出。

參考文獻：

[1] 廣東明陽龍源電力電子有限公司.高壓變頻器總體設計方案[S].中山: 廣東明陽龍源電力電子有限公司，2011