高壓變頻器在徐塘發(fā)電300MW發(fā)電機組凝泵上的應(yīng)用
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變頻調(diào)速裝置可以使電動設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)，大大提高運行效率，達到節(jié)能的目的。我國已對變頻調(diào)速技術(shù)進行了一定的研究，主要用于中、小型設(shè)備上，如給煤機、給粉機、中、小型風(fēng)機、水泵及其它領(lǐng)域等，并得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。目前高電壓大功率電動機的變頻調(diào)速裝置也在推廣之中。我公司的2×300MW機組凝結(jié)水泵,通過技術(shù)改造,大膽使用了高壓變頻器,獲得了很好的經(jīng)濟效益,并取得了一定的經(jīng)驗,介紹如下：
變頻器節(jié)能原理
大家知道,異步感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f、轉(zhuǎn)差率s、電機極對數(shù)p三個參數(shù)有如下關(guān)系：
| 改變其中任何一個參數(shù)都可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。變頻器是通過改變電源頻率f的方式來改變電動機轉(zhuǎn)速的。在異步感應(yīng)電動機的設(shè)計制造完成后,轉(zhuǎn)速與頻率的線性關(guān)系既確定，如圖3所示： |
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圖3 變頻調(diào)速中轉(zhuǎn)速與頻率關(guān)系曲線 | 由于轉(zhuǎn)速n與頻率f之間為線性關(guān)系，從理論上分析調(diào)速范圍在0～100%內(nèi)，線性度都很好,因此變頻調(diào)速是當(dāng)今調(diào)速應(yīng)用的生力軍.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 高電壓大功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn),高壓變頻器應(yīng)運而生,使發(fā)電廠大型輔機的調(diào)速運行成為現(xiàn)實.從而省去由于閥門、擋板節(jié)流等帶來的功率損失，達到節(jié)能的目的,提高了發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟效益。
對于水泵,由流體動力學(xué)理論可以知道，流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比,扭矩與轉(zhuǎn)速二次方成正比,而泵的功率則與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。用n、 N分別表示轉(zhuǎn)速和功率,腳標(biāo)“0”均表示額定工況參數(shù)。當(dāng)流量由額定值Q0降至Q時，與額定功率N0比較，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的電機的功耗為：
當(dāng)流量由100%降到70%，則轉(zhuǎn)速相應(yīng)降到70%，而電機的功耗降到34.3% N0，也就是節(jié)約電能65.7%�？鄢y門調(diào)節(jié)時的功耗與額定功耗的差、轉(zhuǎn)速下降引起電機的效率下降等因素，節(jié)電效果也是非常顯著的。
凝結(jié)泵變頻改造方案
凝結(jié)泵是汽輪機熱力系統(tǒng)中的主要輔機設(shè)備之一，它的作用是把凝汽器中的凝結(jié)水打入低壓加熱器加熱后送入除氧器內(nèi)。由于凝結(jié)泵采用定速運行，出口流量只能由控制閥門調(diào)節(jié)，節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統(tǒng)效率低，且經(jīng)常發(fā)生泄漏，造成能源浪費。而且由于控制閥門為電動機械調(diào)整結(jié)構(gòu)，線性度不好、調(diào)節(jié)品質(zhì)差、自動投入率低；頻繁的開關(guān)調(diào)節(jié)，容易出現(xiàn)各種故障，使現(xiàn)場維護量增加，造成各種資源的浪費。
我公司300MW機組配備2臺100%容量的凝結(jié)水泵, 型號9LDTNA4,額定流量841m3/h,揚程280m,轉(zhuǎn)速1480rpm,配用1000KW的異步電動機,閥門調(diào)節(jié)�，F(xiàn)增設(shè)高壓變頻器采用無級調(diào)速，功耗隨機組負荷變化而變化，進而提高設(shè)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。系統(tǒng)改造方案圖如下：
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圖1 凝泵變頻改造系統(tǒng)圖
| 從主回路改造方案看出：用一臺變頻器連接兩臺電機，正常時變頻器拖動一臺凝泵變頻運行，另一臺工頻備用；當(dāng)變頻器或運行的凝泵發(fā)生故障時，備用凝泵可以工頻運行，使用原來的調(diào)節(jié)方式，保證機組運行。
優(yōu)點：充分利用變頻器和現(xiàn)有設(shè)備，投資相對較少，既保留了原系統(tǒng)的控制操作方式不變，又保證了系統(tǒng)改造后緊急狀態(tài)下的工頻恢復(fù)運行，易于系統(tǒng)維護。
缺點：系統(tǒng)接線較復(fù)雜；需增加高壓斷路器；二次回路需要增加閉鎖回路；定期切換操作較繁瑣。
正常運行方式：正常時，比如＃51泵運行在變頻調(diào)速狀態(tài)下，電源通過＃50開關(guān)至變頻器，然后通過＃510輸出至＃51泵電機。此時＃52泵的＃52凝泵工頻開關(guān)處于備用狀態(tài)，各開關(guān)的邏輯關(guān)系如下：
工頻開關(guān)合閘條件：
變頻器出口開關(guān)的合閘條件：
一臺泵發(fā)生故障情況的運行方式：
當(dāng)變頻控制的工作泵發(fā)生故障跳閘，或出力不足等故障時，另一臺泵會自動工頻投入運行（與原自投方式一致）。將發(fā)生故障的泵處理好后，再按上述方式切換至變頻運行。在此之前備用泵只能工頻運行，不能調(diào)速。
相關(guān)控制回路必須滿足下列邏輯：
定期切換按下列順序操作：
a）合52凝泵工頻開關(guān)，工頻開啟＃52泵，調(diào)整負荷由52凝泵接待。
b）斷開510開關(guān)，合上51開關(guān)，＃51凝泵工頻運行，調(diào)整負荷由51凝泵接待。
c）斷開52開關(guān)，合上＃520開關(guān)將＃52泵接入變頻器，變頻控制開啟＃52泵。
d）調(diào)整＃52泵變頻運行接待全部負荷后，停＃51泵至備用，切換完成。
�。�52泵切換到＃51泵，順序相同。
選用變頻器情況
通過收集和調(diào)研，結(jié)合凝泵運行實際情況，決定采用國產(chǎn)引進型高壓變頻器，我們使用了北京利德 華福的HARSVERT-A06/130高壓變頻器，具體參數(shù)如下表：
| 額定容量（kVA） |
1250 |
| 額定電流（A） |
130 |
| 額定電壓（V） |
三相，6000 |
| 輸出頻率（Hz） |
0～50 |
| 適用電動機功率（kW） |
1000 |
| 輸出頻率精度 |
0.1Hz |
| 加減速時間 |
0.5—650秒 |
| 過載能力 |
120%，60秒 |
| 保護功能 |
過電流、主回路熔斷器斷、過壓、欠壓、CPU異常、冷卻風(fēng)扇停止。 |
此高壓變頻器特點：
�。�1）屬于電壓型高-高變頻器，不需要另外加設(shè)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6kV高壓電動機上，聯(lián)接簡單方便。
（2）整流電路采用42脈沖整流，逆變回路采用獨特的單相多電平控制技術(shù)，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，直接聯(lián)接原有凝泵電動機，不需要增加諧波濾波器。
�。�3）綜合運行效率高、功率因數(shù)高。由于采用干式變壓器和類似常規(guī)低壓變頻器的成熟技術(shù)，使可靠性提高，由于IGBT開關(guān)頻率降低，使損耗減小，加之采用獨特的控制技術(shù)，變頻器綜合效率在97%以上。由于電源輸入側(cè)42脈沖整流，功率因數(shù)超過0.95。
（4）控制回路采用高速單片機、工控機和PLC共同構(gòu)成，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(yīng)快、精度高。采用了光電隔離技術(shù)，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。
使用變頻器的效益分析
1、節(jié)約廠用電效果顯著
下面是部分運行數(shù)據(jù)，對本機改造前后的電流做一個縱向比較，可以發(fā)現(xiàn)電流減小許多。
機級負荷
（MW） |
150 |
160 |
170 |
180 |
190 |
200 |
210 |
220 |
230 |
240 |
250 |
260 |
270 |
280 |
290 |
300 |
凝泵電流
（改造前） |
74 |
75 |
76.2 |
78 |
79.3 |
80.2 |
81.2 |
82 |
83.5 |
84.3 |
85 |
86.8 |
89.5 |
90 |
91.2 |
92.5 |
凝泵電流
（改造后） |
16.6 |
18.2 |
20.8 |
22.8 |
24.4 |
26.8 |
30.7 |
32.5 |
36.8 |
38.9 |
41.7 |
45.2 |
50.3 |
54 |
58.5 |
61.5 |
| 降低電流A |
57.4 |
56.8 |
55.4 |
55.2 |
54.9 |
53.4 |
50.5 |
49.5 |
46.7 |
45.4 |
43.3 |
41.8 |
39.2 |
36 |
32.7 |
31 |
下面是某月的電能統(tǒng)計，做一個同類機組的橫向比較，可以看出凝泵用電減少許多。
| 機組 |
發(fā)電量萬KWH |
凝泵用電量KWH |
凝泵用電/發(fā)電量 |
節(jié)約電量萬KWH |
| ＃4機（工頻） |
14337.6 |
532728 |
0.00372 |
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| ＃5機（變頻） |
13965 |
206088 |
0.0015 |
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以每臺機組年發(fā)電量15億千瓦時計算，使用變頻器可節(jié)約廠用電330 萬千瓦時，折合人民幣100萬元。
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(zhuǎn)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(yīng)力，大大降低日常的維護保養(yǎng)費用。
3、延長設(shè)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變化，沒有應(yīng)力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。同時有關(guān)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，凝泵使用費用自然就降低了。
5、降低噪音
我廠凝結(jié)水泵改用變頻器后，降低水泵轉(zhuǎn)速運行的同時，噪音大幅度地降低，當(dāng)轉(zhuǎn)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(diào)門線性度不好，調(diào)節(jié)品質(zhì)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(jié)水泵變頻運行后，噪音、振動都大為減少，變化相當(dāng)可觀。
總之，大型汽輪發(fā)電機組凝泵推廣使用變頻調(diào)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(wǎng)的競爭能力。
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