摘 要：本文結合湘潭發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，降低發電成本，達到節能降耗的目的，改善設備運行狀況。 關鍵詞：高壓變頻器、節能、凝結水泵 1 概況 　　大唐湘潭發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年投產發電;二期工程兩臺60萬千瓦超臨界機組。 　　采用高壓變頻調速系統對#11凝結水泵一臺進行高壓變頻改造，實現0～50Hz無極調速，功耗隨機組負荷變化而變化，進而提高設備利用率，達到最佳經濟運行模式的目的。改造遵循“最小改動，最大可靠性，最優經濟性”的原則。 　　1.1 凝結水泵及配套電機的設計參數： 　　大唐湘潭發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，其設計參數如下。 　　配套YLST500—4型空冷電動機，其設計參數如下。 　　1.2 變頻器選型及參數： 2 系統配置方案 　　系統采用傳統配置，2臺凝結水泵一用一備，水通過凝結水泵升壓，經處理后經過軸封加熱器、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節閥及電動旁路閥，用于控制除氧器水位。 　　系統改造一次回路如圖1。為了充分保證系統的可靠性，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高壓開關柜內的斷路器）。要求QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現互鎖。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，聯啟工頻備用泵，不會影響凝結水系統正常工作。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，改造前調節凝結水流量的調節閥門完全打開，凝結水再循環系統關閉，并由變頻器或DCS系統控制凝結水泵的電動閥門，實現變頻水泵與電動閥門的聯動，聯動邏輯為：變頻水泵啟動前，閥門應關嚴;DCS向變頻器發出啟動指令后，水泵轉速逐漸加快，泵口水壓相應升高，當泵口水壓大于閥外側管網水壓時，變頻器發出開閥指令，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。當變頻水泵停機時，有兩種狀態，一種是變頻器正常停機，一種是事故急停。正常停機時，DCS向變頻器發出停機指令后，變頻器收到停機指令后先發出關閥指令，閥門開始關閉，當閥門關嚴后向變頻器發出閥門關嚴信號，變頻器接到閥門關嚴信號后再開始停機，直到變頻水泵轉速降為零;變頻器事故停機時，同時向閥門發出關閥指令。 [align=center] 圖1 系統一次回路圖[/align] 3 變頻器原理 　　DHVECTOL-DI 系列無電網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，再由多個單元串聯疊加為所需的高壓。以6KV每相六單元串聯為例,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） 　　多重化串聯結構使用低壓器件實現了高壓輸出，減低了對功率器件的耐壓要求。它對電網諧波污染非常小，輸入電流諧波畸變率小于4%，滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準;輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置;輸出波形接近正弦波，不存在輸出諧波引起的電動機發熱和轉矩脈動、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、驅動、保護監測、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。電容組根據單元電壓選擇并聯或串聯，如母線電壓為815V，則將三組電容串連起來以滿足耐壓要求，每組電容根據單元容量的大小選擇并聯個數。控制部分通過冗余設計的電源板從直流母線上取電，接收主控系統發送的PWM信號并通過控制IGBT的工作狀態，輸出PWM電壓波形。監控電路實時監控IGBT和直流母線的狀態，將狀態反饋回主控系統。在某一個功率單元出現重故障時，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，而整個變頻器可以繼續工作，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，產生多重化的相電壓波形，使相電壓產生出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 　　主控系統包括：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場運行數據。主控板和光通訊主板之間通過專用電纜進行數據傳輸。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人機界面功能。顯示內容有系統狀態，運行狀態，功能參數值、故障記錄等。通過面板上的功能鍵，可以實現系統運行、停機、復位及功能參數設定和記錄查詢。主控板的I/O接口用來實現端子控制模式的外部通信。主要功能有，系統端子復位和運行/停止控制、外部模擬方式頻率給定、以及系統狀態、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：負責與主控系統交換給定頻率、運行頻率、輸入輸出電流及功能號等數據，監控主控系統的就緒、運行、故障等狀態;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和參數。 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。變頻器內部是大功率的電子元件，加上移相變壓器發熱，變頻器總發熱量特別大，而功率電子元件和控制部分受溫度影響大，實際使用中由于現場環境溫度過高引起的設備故障比例較大，產品一般要求為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，防止局部過熱現象。根據改造經驗、變頻器可采用安裝空調、安裝風道和水冷幾種散熱形式，安裝空調優點是可以保證室內環境清潔，設備積灰少，但可靠性差，空調費用及運行費用高，一般1000KW的變頻器需安裝兩臺10P以上的空調。風道散熱成本低，可靠性高，散熱效果良好，我廠因空調制冷量不夠后改造用這種形式，但不能用于現場比較臟，灰塵大的環境。用水冷系統效果最佳，對功率特別大的變頻器選用方式，但輔助系統較多，安裝復雜。 　　4.2 環境溫度變化較大時變頻器內部易出現結露現象，其絕緣性能就會大降低，甚至可能引發短路事故，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，特別是使用空調制冷系統。必要時，須在變頻器柜內增加干燥劑和加熱器。 　　4.3 變頻器在不同頻率下運行，電機的發熱及振動對電機的影響是否在允許范圍之內。實測不同頻率下電機帶水泵振動在25Hz時出現共振點，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 凝泵系統加裝變頻器后對機組安全穩定運行的影響。凝結水泵在變頻方式運行時，若凝泵事故跳閘，工頻泵聯起則除氧器水位調整門M/A站強制發出一個依負荷大小來設定的預置指令作為除氧器上水調整門開度指令，預置指令的大小依機組實際運行來調整，目前#1、2機300MW負荷時除氧器水位調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驗設定為負荷除以5。同時需通過試驗測試在凝泵系統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。及現場測試不同工況下自動調節的響應速度是否滿足機組穩定運行的要求，現場測試發現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，接地線滿足熱穩定容量。 5 綜合效益分析 　　5.1節能計算 　　根據投運以來變頻器運行在不同工況下實測參數如下： 　　從上述統計數據來看，改造前在不同負荷下凝結水泵損耗的功率（電壓取6.1KV，功率因數取0.86）減去改造后在相同負荷下損耗的功率（電壓取6.1KV，功率因數取0.97）再減去變頻器室內空調損耗（計算兩空調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能數據: 　　86.6＊1.732＊6.1＊0.86-52.2＊1.732＊6.1＊0.97-9.4=242.5KW 　　300MW時電機節約的電功率為（計算含空調損耗）， 　　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、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養費用，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。同時有關數據說明，機械壽命與轉速的倒數成正比，降低凝泵轉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，低負荷時運行轉速更低。 　　5.4 降低噪音 　　使用變頻器后，轉速降低，電機噪音將大幅度下降。 6 結束語 　　總之，300MW發電機組凝結水泵推廣使用變頻調速，節能效果明顯，實現了電機的軟啟動，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，減少發電成本，提高競價上網的競爭能力。 參考文獻： 　　1、高壓大功率變頻器產品技術手冊 東方日立（成都）電控設備有限公司 　　2、變頻調速凝結水泵在300MW機組的應用 大唐國際發電股份有限公司張家口發電廠卜喜正 　　3、高壓變頻調速裝置在火電廠300MW機組引風機上的應用 山西陽光發電有限責任公司 李風鳴