高壓變頻器在火力發(fā)電廠(chǎng)凝結水泵中的應用分析

　　介紹了高壓變頻的發(fā)展歷史、原理，分析了南陽(yáng)鴨河口電廠(chǎng)2×350MW發(fā)電機組凝結水泵變頻改造的基本情況和控制方面存在的問(wèn)題，提出了解決方案，分析了改造后的節能效應。

一、高壓變頻的發(fā)展

　　20世紀80-90年代初，高壓電機的調速主要采用三種方式。

　　1.液力耦合器方式

　　即在電機和負載之間串入一個(gè)液力耦合裝置，通過(guò)液面的高低調節電機和負載之間耦合力的大小，實(shí)現負載的速度調節。

　　2.串級調速

　　將異步電機轉子繞組的一部分能量通過(guò)整流、逆變再送回到電網(wǎng)，調節轉子的內阻，從而改變了電動(dòng)機的滑差。

　　3.高低方式

　　利用一臺變壓器，先把電網(wǎng)電壓降低，輸入到低壓變頻器實(shí)現變頻，輸出到低壓電機或者輸出到升壓變壓器，升壓后再供給高壓電機。

　　上述三種調速方式中，都具有明顯的缺點(diǎn)，液力耦合器和串級調速的調速精度都比較差，調速范圍較小，維護工作量大。高低方式變頻能夠達到比較好的調速效果，但是效率低，諧波大，對電機的要求比較嚴格，特別是電機功率較大時(shí)(500kW以上)，可靠性較低。

　　目前，隨著(zhù)大功率整流、逆變元器件的發(fā)展，以及微機控制、可控硅導通光纖觸發(fā)等技術(shù)的進(jìn)步，原來(lái)一直難以解決的高壓?jiǎn)?wèn)題，現在通過(guò)元件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。高壓變頻技術(shù)逐步成熟，在火力發(fā)電廠(chǎng)應用越來(lái)越多，主要采用直接高壓輸出電壓型變頻裝置，具有輸入、輸出諧波小，效率高，運行可靠和維護方便的特點(diǎn)。南陽(yáng)鴨河口發(fā)電有限責任公司2011年#1、2機B凝泵變頻器、#3、4機A凝泵變頻改造均采用此類(lèi)型的變頻器。

二、高壓電壓型變頻器的組成、工作原理

　　1.高壓變頻器的組成及作用

　　高壓變頻器主要由旁路柜、變壓器柜、功率柜及控制柜組成。旁路柜安裝有刀閘和高壓真空接觸器及附件，6kV電纜的進(jìn)出接線(xiàn)，工頻、頻運行方式的切換，均通過(guò)旁路柜來(lái)實(shí)現。變壓器柜裝有一臺干式移相整流變壓器，為各個(gè)功率單元提供交流輸入電壓。功率柜裝有多個(gè)功率單元，向高壓電機提供變頻后的輸出電源�？刂乒裉幚聿杉�到的數據，實(shí)現保護、控制的功能，提供至DCS的輸入、輸出接口，如圖1所示。

圖1 高壓變頻工作流程示意圖

　　2.高壓變頻器的工作原理

　　高電壓型變頻器工作流程為：6kV三相電壓輸入移相變壓器，移相變壓器具有多個(gè)獨立的二次繞組，二次繞組連接各功率單元，每個(gè)功率單元整流、逆變后，將每相多個(gè)功率單元的輸出電壓串聯(lián)疊加直接形成高壓輸出(對于6kV電壓等級，每相由6～8個(gè)功率單元串聯(lián)疊加而成，如圖2所示)到電機。

圖2 高壓形成原理圖

　　功率單元為高壓變頻器的核心部件，功率單元內各器件的工作狀態(tài)及相應的參數都有監控和保護。通過(guò)控制每個(gè)功率單元的逆變橋IGBT，改變輸出PWM波形，改變頻率，逆變控制指令和所有的監控參數通過(guò)光纖送至控制器。

　　3.控制策略

　　現在高壓變頻調速系統采用輸出壓頻比的控制方式，根據異步電動(dòng)機的數學(xué)模型，只要保證電動(dòng)機的反電動(dòng)勢和定子頻率比值恒定，就可使電機運行在額定磁通，達到效率最優(yōu)點(diǎn)。

三、高壓變頻在凝結水泵中的應用

　　1.現狀介紹

　　(1)鴨河口電廠(chǎng)一期安裝兩臺350MW機組，每臺機組的凝結水系統(圖3)包含二臺凝結水泵，機組正常運行時(shí)一臺運行，一臺備用。系統在凝結水出口管路有三個(gè)調節閥(低負荷凝結水調閥、高負荷凝結水調閥、凝結水再循環(huán)調閥)。凝汽器水位控制原設計由這三個(gè)調門(mén)共同實(shí)現。由于水位采用閥門(mén)節流調節、凝泵定速工頻運行，凝泵電機能耗與系統需求并非動(dòng)態(tài)的最佳匹配，造成較大的能耗損失。

圖3 凝結水系統

　　為達到節能降耗目的，本次改造在B凝結水泵電氣回路增加一臺變頻裝置，采用一拖一控制，實(shí)現B泵的變頻控制;A泵仍為工頻方式，作為B泵備用。

　　(2)電機情況。

　　凝結水泵電機型號：NIC-710-K/A-4 電機容量：1315kW電機額定電壓：6kV;電機額定電流：145A;轉速：1497rpm;功率因數：0.92;頻率：50Hz;溫升：76.14℃;絕緣等級：F。

　　(3)采用高電壓型變頻器，容量為1650kVA，能滿(mǎn)足電機的容量。由旁路柜、變壓器柜、功率控制柜等組成。

　　2.控制方面應考慮的問(wèn)題

　　由于采用變頻控制后，凝泵的轉速降低，泵出口水壓下降，由此帶來(lái)以下問(wèn)題，必須予以考慮。

　　(1)凝泵自身的保護要求：凝泵的共振頻率、變頻轉速要避開(kāi)泵的共振區，以免凝泵振動(dòng)大。低轉速下，泵的潤滑條件能否滿(mǎn)足。對策：可通過(guò)泵的變頻試驗確定其最低安全工作轉速，設變頻器頻率下限。

　　(2)低旁減溫水壓力要求：現低旁減溫水壓力保護設計為“低于2.1MPa跳閘值15秒后低旁跳閘”。因此，需要低旁投入時(shí)，必須保證凝泵變頻運行時(shí)出口壓力不能低于2.1MPa。對策：低旁運行時(shí)使凝泵切變頻高速運行，同時(shí)高負荷凝結水調閥快關(guān)，保證低旁投入時(shí)減溫水的壓力要求。

　　(3)凝泵出口壓頭要求：為保證凝泵出口壓頭足夠，必須保證凝泵變頻運行時(shí)出口壓力不能低于一定值。對策：出口壓力低時(shí)(P<[除氧器壓力+0.7 MPa])閉鎖凝泵轉速下降。

　　(4)凝汽器熱井水位控制穩定要求：熱井水位低于低二值時(shí)，凝泵將跳閘。因此，必須保證熱井水位在變頻以及變工頻切換等情況下的水位控制穩定。對策：設計水位的凝泵變頻自動(dòng)控制邏輯，保留原出口調門(mén)水位控制邏輯。作為凝泵變頻自動(dòng)控制水位時(shí)，出口閥水位自動(dòng)作為水位偏差大時(shí)的后備自動(dòng);在變頻向工頻切換時(shí)加入出口調節門(mén)的超馳控制邏輯，關(guān)10秒后恢復閥門(mén)正常水位自動(dòng)，保證水位一直得到有效的自動(dòng)控制;當熱井水位低1值時(shí)，閉鎖出口調閥開(kāi)行程。

　　(5)變頻器設備及電機的保護要求：當電機故障或變頻器重故障時(shí)，必須能夠及時(shí)跳開(kāi)變頻器設備及運行電機，切換備用泵運行。對策：完善聯(lián)鎖保護設計，當運行B凝泵停運或者變頻故障時(shí)，聯(lián)鎖切換到備用泵。

　　3.控制方案設計

　　為達到改造目的，控制設計首先要保證系統的安全穩定運行，在此基礎上，盡可能降低凝泵運行轉速，以期獲得最大的節能效果�？刂品桨溉缦拢�

　　(1)機組啟動(dòng)過(guò)程，投入B泵變頻運行。機組啟動(dòng)時(shí)，B凝泵6kV開(kāi)關(guān)閉合，投入變頻運行，為保證低旁壓力使變頻高速運行，使出口壓力>2.5MPa。此時(shí)，投入出口調門(mén)自動(dòng)，仍由凝泵出口調門(mén)(低負荷凝結水調門(mén)、高負荷凝結水調門(mén)、凝結水再循環(huán)調門(mén))控制熱井水位。

　　(2)機組正常運行時(shí)：投入B泵變頻自動(dòng)調節。機組正常運行、低旁退出后，投入B凝泵變頻自動(dòng)控制回路，此時(shí)由變頻泵的轉速控制凝汽器熱井水位。此時(shí)，出口調門(mén)自動(dòng)切到大死區控制，作為后備調節手段。為保證變頻運行以及低旁隨時(shí)可投入，此時(shí)將退出低旁減溫水壓力保護。

　　(3)低旁緊急投入時(shí)：B泵切變頻高速運行。如果凝泵正常變頻運行時(shí)，低旁突然動(dòng)作，此時(shí)為保證低旁減溫水壓力和熱井水位穩定，應緊急將變頻泵切高速運行，此時(shí)，變頻自動(dòng)退出，出口調門(mén)緊急快關(guān)至對應開(kāi)度10秒，再投入出口調門(mén)水位自動(dòng)控制，維持水位穩定。同時(shí)，在低旁投入之后，投入低旁減溫水保護，如果低旁減溫水壓力15秒得不到及時(shí)供應，低旁仍跳閘。

　　(4)B泵變頻故障時(shí)：切A泵工頻運行。當變頻泵變頻重故障時(shí)，退出變頻器運行(切至旁路)，B凝泵6kV開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，緊急啟動(dòng)備用泵(A泵)運行。此時(shí)，變頻自動(dòng)退出，出口調門(mén)緊急快關(guān)至對應開(kāi)度(可為40%固定值、或負荷對應函數)后，再投入出口調門(mén)水位自動(dòng)控制，以保證此時(shí)A泵工頻運行時(shí)泵出口凝結水流量過(guò)大而造成的熱井水位快速下降。

　　(5)定期工作切A泵時(shí)：先投A泵，再退B泵變頻。正常定期工作切A泵運行時(shí)，將B泵退出變頻自動(dòng)，投入出口調門(mén)正常自動(dòng)，緩慢將變頻增至最大，此時(shí)投入A泵(工頻)運行，然后退出B泵變頻運行。

　　(6)A泵正常運行時(shí)，切B泵變頻。A泵正常運行時(shí)，如果要投B泵變頻控制，則將B泵切至變頻位置，啟動(dòng)B泵變頻運行后，停A泵運行，此時(shí)注意熱井水位，待系統穩定后，退出出口閥水位正常自動(dòng)，投入變頻水位自動(dòng)控制。

　　(7)A泵跳閘時(shí)：B泵工頻旁路聯(lián)啟。A泵運行時(shí)，B泵變頻系統應置旁路備用狀態(tài)。如果A泵跳閘，B泵將工頻旁路聯(lián)啟運行。

　　4.邏輯修改

　　(1)新增變頻器邏輯。新增變頻器調速手操站和凝汽器熱井水位變頻調節PID單沖量控制;手操站輸出的上下限分別為50Hz和20Hz;變頻器“變頻運行”消失時(shí)，變頻調速切手動(dòng);當凝給水母管壓力小于除氧器壓力+0.7MPa時(shí)，變頻自動(dòng)回路閉鎖減指令;單回路控制PID，其指令輸出上下限要和手操器的保持一致，暫定為50Hz和20Hz;變頻指令與反饋偏差大于5%時(shí)，變頻自動(dòng)切手動(dòng)，并發(fā)出報警;當變頻出現重故障報警時(shí)，變頻自動(dòng)切手動(dòng)，并發(fā)出報警。

　　(2)除氧器上水門(mén)控制邏輯修改。當變頻器調速在手動(dòng)時(shí)，凝泵出口閥原自動(dòng)方式不變。當變頻器調速在自動(dòng)時(shí)，凝泵出口閥控制方式為：調節經(jīng)死區函數±30mm處理過(guò)的水位偏差，正常時(shí)保持100%位置。當水位偏差超過(guò)30mm過(guò)高時(shí)，上水門(mén)參與調節，自動(dòng)關(guān)閉。當水位恢復到±30mm偏差內延時(shí)120秒后且凝給水母管壓力大于除氧器壓力+0.7MPa，則上水門(mén)以10%/min的速率緩慢打開(kāi)到100%正常位置。當變頻調速在手動(dòng)時(shí)，上水門(mén)控制自動(dòng)切換為原有的控制方式。備用泵工頻方式聯(lián)啟后，除氧器上水門(mén)不論在自動(dòng)方式還是在手動(dòng)方式，立即根據當時(shí)機組的負荷超馳關(guān)閉至一定開(kāi)度(0MW～20%;350MW～67%)，10秒后放開(kāi)繼續自動(dòng)或手動(dòng)調整。增加熱井水位低一值時(shí)，自動(dòng)閉鎖出口閥指令增大。

　　(3)低旁修改邏輯：保留低旁壓力低保護。低旁退出時(shí)，“低旁減溫水壓力低于2.1MPa聯(lián)關(guān)低旁”保護退出;低旁投入時(shí)，“低旁減溫水壓力低于2.1MPa聯(lián)關(guān)低旁”保護投入。

四、應用效果分析

　　凝泵變頻器投入運行后，電機和水泵的振動(dòng)值滿(mǎn)足要求，運行穩定，每年能節約不少電量，符合國家節能減排政策。節電效果分析如表1所示。

　　按照機組一年運行330天，30%時(shí)間運行在350MW，40%時(shí)間運行在250MW，30%時(shí)間運行在200MW，一年節電如下：

表1 節電效果分析

　　200kW×7920×30%+292kW×7920×40%+321kW×7920×30%=2162952kWh

　　一年節約電費：2162952×0.41=88.68萬(wàn)元。