变频器在火力发电厂凝结水泵上的应用

变频器在火力发电厂凝结水泵上的应用
作者：樊龙景
来源：《武汉科技报·科教论坛》2013年第10期
【摘要】随着电力电子技术、自动控制技术、现代通信技术和高压电气技术的飞速发展，高压变频调速技术日趋成熟，在电力行业中的应用也得到很大的推广。

从本公司600MW 机组凝结水泵高压变频器使用的情况来看，变频装置工作稳定，凝结水系统的运行更加合理和稳定，同时其节能效果明显，值得在火力发电厂进一步推广应用。

【关键词】凝结水泵；变频器；节能
一、前言
大唐韩城第二发电有限责任公司位于陕西省韩城市，装备有四台600MW亚临界燃煤机组，其中I期两台机组凝结水泵在设计安装时未采用变频技术，单台机组采用“一用一备”配置。

实际应用中发现机组在满负荷运行时，电机电流最大在100A左右，具有较大的功率裕度，设备运行时特别在低负荷率时，电机的电能浪费比较严重，因而在2008年、2009年分别将这两台机组凝结水泵改为变频器运行。

二、变频器的运行方式及一次接线原理
（一）一次接线
变频装置与电动机采用“一拖二”的变频方式，一台机组采用一套变频器可以轮流拖动两台凝结水泵运行。

如图1所示，6.3kV电源经1号机凝泵变频电源开关输入到高压变频装置，变频装置输出经两台隔离刀闸K1A（1A凝泵切换刀闸）、K1B（1B凝泵切换刀闸）分别送至两台凝泵电动机。

（二）逻辑联锁
1A凝结水泵电源开关与隔离刀闸K1A（1A凝泵切换刀闸）有电气闭锁，不能同时处于“合”状态；1B凝结水泵电源开关与隔离刀闸K1B（1A凝泵切换刀闸）有电气闭锁，不能同时处于“合”状态；K1A与K1B有机械、电气闭锁，不能同时处于“合”状态。

1号机凝泵变频电源开关在合位时，有防止拉合K1A、K1B功能。

（三）运行方式
A泵变频运行，B泵工频备用。

此时1号机凝泵变频电源、K1A合闸，K1B、1A凝结水泵电源、1B凝结水泵电源断开。

B泵变频运行，A泵工频备用。

此时1B凝泵电源开关、K1B合闸，K1A、1A凝结水泵电源开关、1B凝结水泵电源开关断开。

1A凝结水泵电源自投工频的条件（变频器带B泵运行，A泵工频备用，K1A处于分闸状态）：联锁投入+变频器故障停运B泵+ 1号机凝泵变频电源开关跳闸+延时；
1B凝结水泵电源自投工频的条件（变频器带A泵运行，B泵工频备用，K1B处于分闸状态）：联锁投入+变频器故障停运A泵+ 1号机凝泵变频电源开关跳闸+延时；
“A泵变频运行，B泵工频备用”切换到“B泵变频运行，A泵工频备用”的步骤为：1.合1B 凝结水泵开关，B泵工频运行；2.停止变频器，跳断路器1号机凝泵变频开关，断开K1A；3.合1A凝结水泵开关，A泵工频运行；4.断开1B凝结水泵开关，B泵停止；5.合K1B；6.待B 泵完全停止后，合1号机凝泵变频电源开关，B泵变频运行。

7.B泵正常运行后，断开1A凝结水泵电源开关。

“B泵变频运行，A泵工频备用”切换到“A泵变频运行，B泵工频备用”的步骤为：1.合1A 凝结水泵电源开关，A泵工频运行；2.停止变频器，跳1号机凝泵变频电源，断开K1B；3.合1B凝结水泵电源，B泵工频；4.断开1A凝结水泵电源开关，A泵停止；5.合K1A；6.待A泵完全停止后，合1号机凝泵变频电源开关，A泵变频运行；7.A泵正常运行后，断开1B凝结水泵电源开关。

（四）变频原理
1. 交流电动机的调速特点
上述公式中n为电动机转速，f为电动机定子供电频率，p为电动机极对数，s为电动机转差率。

由上式可知，如果均匀地改变电动机定子供电频率，可以平滑地改变电动机的同步转速，在改变供电频率的同时，还需维持电机磁通恒定，即保持电动机的输出力矩不变。

2. HARSVERT-A高压变频器特点
HARSVERT-A高压变频器属于电压型高-高变频器，不需要另外加设输出变压器，只要将变频器输入端直接接在6kV的电网上，输出端直接接到高压电动机上，连接简单方便。

HARSVERT-A高压变频器整流电路采用36脉冲整流，逆变回路采用独特的单相多电平PWM控制技术，从而构成了对电源和电动机都十分友好的双完美系统，电源一侧为完美无谐波输入，电动机一侧输出为完美的正弦波，直接连接原有凝泵电动机，不需要大的改造，不需要增加输出滤波器。

通过对变频器输出PWM波形测量可以看出，波形正弦度好，dv/dt小，大大减少对电机和电缆的绝缘损坏，同时消除机械震动带来的轴承的损坏。

3. 600MW凝泵高压变频器的特殊设计
（1）功率模块的N+1冗余设计。

HARSVERT-A高压变频器采用6级串联结构形式，变压器为36脉冲输入，每个功率单元的输出电压能力仍然为700V，在正常运行模式下，由PWM调节每个功率单元的输出电压，功率单元的输出电压不用达到额定电压700V，即可保证电机运行的需要。

当某个功率单元发生故障被旁路时，由于系统具有N+1备份的功能，由PWM调节提高其余功率单元的输出电压，系统仍旧可以输出6kV的电压，满足电机运行的需要。

（2）20s快速启动功能。

根据凝结水泵的工艺要求，两台水泵要真正实现互为备用，变频水泵必须能够在20—30s内由0速启动到全速，为此针对凝结水泵的特殊工况进行特殊设计，来满足20—30s内将水泵由0启动到全速的要求。

主要采取以下手段：1.选用比标准
2150kW/6kV高压变频器具有更大电流承载能力的IGBT器件、电解电容和整流桥，提高变频器的输出电流能力，从而可以获得较大的启动电流和启动转矩，加快电机启动时间；2.变压器容量、散热器容量仍然按2150kW/6kV高压变频器设计，因为变压器本身具有较大的短时过流能力，短时的大电流也不会在变频器内产生大的热量，散热器容量也没必要加大，这样可以将高压变频器的成本控制在合理范围内；3.从控制方式上，高压变频器启动时采用飞车启动功能将电机转速在20s内直接升至命令频率，按照转速-时间曲线进行速度调节，使得在一定的电流负载下，获得总体较快的加速效果。

4.过流保护设定上，采用不同的标准。

在启动时段，变频器内部会将过流保护设定得较高，保证电机能在较大电流下启动。

正常运行时，高压变频器自动将过流保护调整为120%每分钟，以保证能对电机实现有效的过流保护。

三、变频器改造后的节能效果
（一）节能效果
取1A凝泵变频运行与1A凝泵工频运行同工况状态下（300MW、400MW、500MW、600MW）下，变频运行120分钟的电度及功率进行比较来检验节电效果。

根据2007年10月——2008年8月凝结水泵耗电量统计，平均月耗电量120万度，机组平均负荷450MW。

从图2可以看出改变频后凝结水泵的节电率在50%左右，即月节约60万度电。

（二）效益分析
1.节能效益计算
从以上分析看出，一台机组凝结水泵变频改造后全年可节约电量约720万kWh，按我厂上网电价0.3元/kWh计算，全年可增收216万元左右，可见经济效益非常可观。

2.投资回报
单台机组凝结水泵变频改造（包括控制系统部分）预计投资大约270万元左右，变频器改造后每年可节约216万元左右，那么不到一年半就可以收回投资。

四、变频凝泵调速后的其它优点
变频调速不仅节能效益显著，而且可以明显改善系统的安全可靠性，有以下几个方面的优点。

（一）可减少电机启动时的电流冲击
电机直接启动时的最大启动电流为额定电流的7倍，星角启动为4.5倍，电机软启动器也要达到2.5倍。

观察变频器启动的负荷曲线，可以发现它启动时基本没有冲击，电流从零开始，仅是随着转速增加而上升，不管怎样都不会超过额定电流。

因此凝泵变频解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了启动电流大对电机、传动系统和主机的冲击应力，防止了电机、泵等设备损坏，大大降低了日常的维护费用。

（二）可延长设备寿命，减少日常维护费用
提高了凝结水泵的可靠性，延长了凝结水泵的寿命。

采用变频调速后，低负荷时凝结水泵低速运转，泵必需的汽蚀余量（NPSH）降低，降低了泵内发生汽蚀的可能性（因泵的汽蚀余量近似与泵的转速的平方成正比），延长了水泵的寿命。

同时使用变频器可使电机转速变化沿凝泵的加减速特性曲线变化，没有应力负载作用于轴承上，延长了轴承、电机的寿命，降低了检修次数，节约了维护费用。

（三）提高系统可靠性
变速调速运行时，其出口调节门可以全开，利用转速调节流量和压力，改善了由于阀门调节时对管系的冲击，降低了调节阀前后的管系泄漏的可能性，从而减少了维护工作量，提高了系统的安全可靠性。

另外由于小流量时的转速低，这样降低了泵及系统的噪音，改善了运行环境。

五、结论
变频器在我公司凝结水泵上的成功使用，表明了变频器可以满足大功率发电机组的辅机控制，而且也证明了设备改造后，维护费用大幅减少，安全性能大幅提高、节能效果显著，为今后600MW以上机组变频改造提供了良好的成功经验，变频器改造应在火电厂积极推广。

参考文献：
[1]600MW火电机组培训教材（电气分册）[M].中国电力出版社.
[2]北京利德华福电气技术有限公司，郑家海，黄桂英，吕泽玉等.，HARSVERT-A高压变频器技术手册[Z].
[3]西门子（上海）电气传动设备有限公司.空冷型完美无谐波系列新一代控制NBH 高压变频器（用户手册说明书）[Z].
[4]西门子（上海）电气传动设备有限公司大型传动罗宾康部许红强编写，大唐韩城第二发电有限责任公司，1、2号凝结水泵变频器调试大纲[Z].
[5]西门子（上海）电气传动设备有限公司大型传动罗宾康部许红强编写，大唐韩城第二发电有限责任公司，1、2号凝结水泵变频器调试报告[Z].。