高压变频在超超临界660MW机组凝结水泵中的应用

一、引言

　　本文以国产多电平型高压变频器在大唐宁德电厂凝结水泵的应用为例，分别对凝结水泵应用高压变频器前后的运行工况、基本原理及注意事项进行阐述，并通过电耗对比试验，对凝结水泵变频调节和传统调节阀门调节的节能效果进行比对，进而说明，超超临界机组采用高压变频器对凝结水泵进行调速节能改造的应用方法，具有投资省、见效快等特点。

　　超超临界燃煤发电机组具有煤耗低、技术含量高、环保性能好、节约资源的特点，必将是今后我国火电机组的发展方向。大唐宁德电厂二期工程为2×660MW超超临界发电机组，分别于2008年12月和2009年6月投入商业运行。自投产以来，机组各项运行指标良好。2台机组各配置2台100%容量的多级离心式凝结水泵，凝结水系统原设计运行方式为两台100%容量定速凝结泵互为备用，即由定速电动机驱动，一台运行，一台备用。凝结水流量靠除氧器上水调节门调节，并配备旁路以保证凝结泵在各种工况下安全运行。正常运行方式下，凝结水泵一台运行一台投备用，当运行凝结泵出现故障时，另外一台自动投入运行。在负荷变动时，通过除氧器上水调节门开度来控制除氧器水位，这就造成较大的节流损失。在启停机及低负荷时，为了维持凝结泵最小流量还要打开旁路门，造成能量白白流失。另外，即便机组处于满负荷运行状态，由于设计留有较大的裕量，除氧器上水调节门也不能处于全开位置。采用凝结泵定速运行，系统存在以下问题：

（1）阀门调调节节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低，造成能源的浪费。
（2）当流量降低，位开度减小时，调节阀前后压差增加工作安全特性变坏，压力损失严重，造成能耗增加。
（3）长期10～40％低阀门开度，加速阀体自身磨损，导致阀门控制特性变差，并造成凝结水附近管道震动较大，对安全生产有极大影响。
（4）管网压力过高威胁系统设备密封性能，严重时导致阀门泄漏，不能关严，凝结泵出口精处理器泄露等情况发生。
（5）设备使用寿命短、日常维护量大，维修成本高，造成各种资源的极大浪费。

　　如果采用高压变频器对凝结泵电机进行变频控制，实现除氧器水流量的变负荷调节。除氧器上水调节门可以始终处于全开的状态，而且旁路门始终处于关闭状态，从而避免上述的各种功率损失。除此之外，变频器可以使电动机实现软启动，避免电动机直接启动引起的电网冲击和机械冲击，大大延长电机的寿命、减小管路振动、提高系统的可靠性。这样，不仅解决了控制阀调节线性度差、纯滞延大等难以控制的缺点，而且提高了系统运行的可靠性；更重要的是减小了因调节阀门孔口变化造成的压流损失，减轻了控制阀的磨损，降低了系统对管路密封性能的破坏，延长了设备使用寿命，维护量减小，改善了系统的经济性，节约能源，为降低厂用电率提供了良好的途径。

　　国家将能源利用效率列为重中之重，主要目标是到2010年单位GDP的能源消耗减少20％。其中，每1万元GDP标准煤消耗量应减少到0.98吨；单位GDP的能耗每年必需减至4.4％；单位工业附加值的水资源消耗必需减少30％；主要污染物排放应减少10％。为此，国家制定并实施了《节能中长期专项规划》，确定了“十一五”期间能耗降低目标。国资委和原国家环保总局就节能减排指标还分别与国内五大发电集团公司签订了责任状，将能源消耗纳入企业综合评价和年度考核，按照“一票否决”制，实施节能目标责任制和问责制。

　　大唐宁德电厂作为大唐集团的代表性企业，积极响应国家节能减排、建设资源节约型社会的重要政策，09年我们先后对两台机组凝结泵系统进行了变频改造。一年多来机组运行实践表明，改造后凝结水系统各项安全经济性指标达到了预期的目标，凝结泵变频改造工作取得了成功。

二、高压变频调速技术

2.1  水泵负载调速节能原理

　　变频调速在水泵应用上和风机有所区别，在很多场合，负载管路特性的改变是用户用水量减少（即用户人为关阀）造成的。水泵在调速过程中还往往要求压力恒定，这时水泵的工作点变化如下图1所示：

                                            
　　流量由Q1变为Q2时，如果水泵定速运行，工作点将由A点变为B点，压力将升高，威胁管网安全；如果通过调速方式，水泵工作点将由A点变为C点，在提供需要流量的同时，保持压力不变。水泵在B、C两点的输出功率差为：PB －PC＝（H3－H2）×Q2。

　　在A、C两点，尽管水泵速度不同，但由于在两种情况下水泵所承担的流量不同，其出口压力和外管网压力仍然保持平衡。由于压力平衡的需要，水泵并联运行时，调速水泵的速度不能低于N3，否则将出现根本不对外出水的现象。非但不节能，还出现水泵空转耗能的现象。

　　如果在管网特性不变的系统中进行水泵调速，并且对水压没有要求，这种情况下节能效益比恒压供水要显著得多。

2.2 变频调速原理

　　变频调速是通过改变电源频率来调节电动机转速的。对于异步电动机而言，设f为定子电源频率，s为转差率，p为磁极对数，n为转速，按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：

　　由上式可见，电机的同步转速n0（n0=60f/p）正比于电机的运行频率f，由于转差率s一般情况下比较小(0~0.05)，电机的实际转速n约等于电机的同步转速n0，所以改变电机的电源频率f，就能改变电机的实际转速。

　　变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源变频，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。即变频调速系统是从电网直接接收工频50 Hz的交流电，经变频器，将输入的工频交流电变换成为变频幅值都可调节的交流电直接输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。

2.3 高压变频器特点

　　变频器是运动控制系统中的功率变换器。目前，我国高压变频器呈现三大趋势：

（1）功率单元串联多电平技术依然是市场主流；
（2）向大功率方向发展；
（3）随着高压变频技术的成熟，将大幅拓展工艺控制对于变频调速的需求。

　　高压变频不像低压变频那样具有成熟的一致性的主电路拓扑结构，而是限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾，国内各变频生产厂商，采用不同的功率器件和不同的主电路结构，以适应各种拖动设备的要求，因而在各项性能指标和适应范围上也各有差异。

　　高压变频器一般可分为两大类：
（1）交—交变频器（无直流环节）
（2）交—直—交变频器（有直流环节）

　　其中交—直—交变频器又可根据直流环节采用大电感以平抑电流脉动的变频器称为电流源型变频器，直流环节采用大电容抑制电压波动的变频器则称为电压源型变频器。图2所示为三种高压变频器框图。

                                   
        无论何类变频器，判断其优劣，首先要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；其次要看对电网的谐波污染和输入功率因数；再次要看其本身的能量损耗（即效率）如何。

　　目前，市场上众多生产厂家推出了各种原理和结构各异的高压变频器，选择一种适用于火电厂风机和水泵变频调速改造的产品是非常重要的。实践经验表明：单元串联多平电压源型变频器是火电厂风机和水泵变频调速改造的首选。这种变频器采用的拓扑结构由美国罗宾康公司率先开发研制，所以又称罗宾康结构。国内厂商包括利德华福、东方日立以及微能科技等公司均采用这种主电路结构。其结构特点是：

（1）在输出逆变部分采用了具有独立电源的单相桥式SPWM逆变器的直接串联叠加，不存在器件均压的问题；
（2）在输入整流部分采用了多相多重叠加整流技术，可以降低开关损耗提高等效开关频率，从而减小输出谐波、降低噪声和电动机的脉动转矩；
（3）在结构上采用了功率单元模块化技术，虽然使元件数目增加，但由于IGBT驱动功率低可以使变频器的效率高达96%以上。
（4）这些技术的采用使得这种变频器驱动功率小、总体效率高、谐波污染最小，堪称完美无谐波变频器。单元串联多电平电压源型变频器的主要优点是：

①由于采用功率单元串联，可采用技术成熟，价格低廉的低压IGBT组成逆变单元，通过改变联单元的个数适应不同的输出电压要求；
②完美的输入、输出波形，可以降低电机脉动转矩，使其能适应任何场合及电动机使用，对电机电缆长度无特殊要求；
③由于多功率单元具有相同的结构及参数，便于将功率单元做成模块化，实现冗余设计，在个别单元故障时可以通过旁路功能使系统能够正常或降额使用；
④变频器可承受-35电源电压降低和5个周波的电源丧失，能够适应发电厂厂用电系统工作和备用之间电源切换、电动给水泵等大负荷启动时造成的电压波动。
 
2.4 单元串联多电平型高压变频调速系统结构

　　我公司本次改造采用利德华福HARSVERT-A系列高压变频器，其调速系统采用多电平串联的结构控制方式，系统结构如图3所示。系统主要有移相变压器、功率单元、旁路单元组成。6kV系列有5个功率单元，每5个功率单元串联构成一相，每个功率单元结构上完全一致，可以互换。串联方式采用星型接法，中性点浮空。每个功率单元由电网电压经移相变压器的次级绕组供电，所有功率单元都通过光纤接收来自同一个中央控制器的指令，以调节输出电压，功率单元输出电压串联后得到可变频率的高压电供给电动机。 

三、高压凝泵变频方案实施

3.1  动力系统方案

　　针对凝结水系统的特点，综合比较多种动力系统方案，我们最终确定我厂凝结水系统变频改造采用一拖二手动旁路方案。即配备一台高压变频器，通过切换高压隔离开关把高压变频器切换到要运行的凝结水泵上去。高压变频器可以拖动A凝结泵电动机实现变频运行，也可以通过切换拖动B凝结泵电动机实现变频运行。两侧凝结泵电动机均具备工频旁路功能，可实现任意一台电动机的变频运行，另外一台处于工频备用，当高压变频器故障时，系统可联锁另一台工频电机运行。
                                                    
　　基本原理：它是由六个高压隔离开关QS1～QS6组成（见图4）。其中QS1和QS4,QS2和QS5有电气互锁；QS3和QS2,QS6和QS5安装机械互锁装置。如果两路电源同时供电，A凝泵工作在变频状态，B凝泵工作在工频状态时，QS3和QS4、QS5分闸，QS1、QS2和QS6处于合闸状态；B凝泵工作在变频状态，A凝泵工作在工频状态时，QS1和QS2、QS6分闸，QS3、QS4和QS5处于合闸状态；如果检修变频器，QS3和QS6可以处于合闸状态，其它隔离开关都分闸，两台负载可以同时工频运行；当一路电源检修时，可以通过分合隔离开关使任一电机变频运行。

　　当A凝结泵变频运行故障跳闸时，系统联锁起动B凝结泵QF2开关工频运行。当B凝结泵变频运行故障跳闸时，系统联锁起动A凝结泵QF1开关工频运行。

3.2 控制系统方案

3.2.1 改造原则

　　凝结水泵变频改造要在保证除氧器水位调节品质不变，并可以在工作泵跳闸、低水压等特殊工况发生时保证机组正常运行前提下进行变频改造。改造利用现有的设备与系统，原来两个水位调节门全开以减小节流损失，当高压变频器跳闸后，备用凝结水泵以工频方式立即启动，将凝结水打至出口母管，以保证在变频器跳闸时除氧器水位的稳定。两个调整门的开度由当前实际负荷计算得出，而且在10秒钟时间内迅速关到指定位置，最低程度减小系统扰动，维持除氧器水位在正常范围内，保证机组运行。

3.2.2 实际改造实施情况

　　变频器的启停通过闭合、断开变频方式下的凝结水泵的6kV开关来自动完成，也就是说，行人员在凝泵操作面板上按下凝泵操作面板的启动”和“停止”按钮即可完成6kV开关的闭合、断开及变频器的启停控制。由于是一台变频器控制两台凝泵，所以同时只能有一台泵在变频方式下，另一台泵在工频方式，在逻辑中设计了凝泵的变频运行方式和工频运行方式，同时在原系统中分别增加了一套保护和一套联锁，即变频器重故障凝结水泵跳闸保护，同时备用泵联锁启动。

　　正常运行时一台凝结水泵变频运行，另外一台凝结水泵工频备用，运行人员可根据实际情况控制除氧器水位调节门开度，变频运行且投入自动，变频器通过输出频率的改变来调整凝结水泵的转速，从而通过控制凝结水泵到除氧器的上水量，保证除氧器水位稳定在运行人员的设定值范围内。当水位发生波动时，通过DCS组态中以凝结水流量、省煤器出口流量、除氧器水位三个参数构成的串级回路，输出转速指令至变频器，调整凝结水泵的上水量，以稳定除氧器水位。

　　当就地设备发生故障，例如变频器发“重故障报警”或者凝结水泵突然跳闸等故障发生时，当前凝结水泵的高压合闸开关断开，并闭合另外一台工频备用凝结水泵高压合闸开关，备用泵工频启动。变频器自动切换到“手动”方式，两个调节门自动切换到“自动”方式，当工频泵启动的瞬间，除氧器上水调整门开度仍然在较大开度，凝结水上水量会因此猛增，为防止除氧器水位超过规定值，两个调节门必须在最短的时间内关到合适的位置，所以逻辑设计了一旦变频器由于故障原因由自动切手动，调门在10秒钟时间内强制关到当前负荷要求的开度，投入到“自动”方式运行。这个开度也是工频正常运行时调整门的理想开度值。当调整门关到负荷计算值位置并且稳定后，从而完成整个凝结水变频故障的无扰切换。

3.3 冷却系统方案

　　由于变频器本体在运行过程中有一定的热量散失，为保证变频器具有良好的运行环境，需要为变频器配备独立的冷却系统。根据现场的实际情况，综合冷却系统的投资和运营成本、设备维护量、无故障运行时间，针对实际安装位置、发热总量、运营成本、施工费用等因素，此次变频改造采用了强制密闭式冷却方案。

　　为保障变频设备处于安全运行，避免环境温度和粉尘对设备的不利影响，在变频器功率柜侧独立增加密闭式强制冷却系统。该系统作为变频功率柜外的附属装置，能够保证变频功率柜始终处于25～40℃运行环境，大幅度延长滤网更换周期，少现场维护量。不需要为变频器再独立建筑房屋，变压器柜采用开放式冷却。强制冷却装置与变频器功率柜一体化设计，附着于功率柜顶部。制冷压缩机组安装于变频器柜附近。

　　强制密闭式冷却系统如下图所示：

                       
　　通过实际运行，强制密闭冷却装置能够满足高压变频器运行过程中的散热需要，设备安装简便、快捷，热交换效率高。

四、采用变频调速应该注意的问题

　　选择可靠性要求高。电厂的性质决定了用于电厂的高压变频器需要有很高的可靠性，保证电厂的安全生产。美国罗宾康高压变频器和北京利德华福有限公司的高压变频器均采用整个功率单元串联，而不是功率器件直接串联，避免了器件直接串联带来的均压问题。采用功率单元旁路技术，当功率单元故障时，变频器仍可降额继续运行，大大提高了系统的可靠性。在选择高压变频器时，这一性能应询问变频器厂家，作为重点参考指标。

　　变频器输入谐波对电力系统的影响。如果变频器输入电流谐波较大（比如采用电流源型变频器，没有滤波措施时），对火电厂的电力系统会产生如下危害：供电系统的继电保护装置误动作，可能导致大面积停电。测量仪器仪表误差增大，影响计量精度和控制性能。影响其它电力电子装置，电子计算机系统及通信设备的正常工作。使电机，变压器和电容器等用电设备损耗增大，严重时会过热或烧损。完美无谐波高压变频器输入电流谐波失真极小，对电网基本不产生谐波污染。大，中型火电厂自动化水平高，大多数采用自动化仪表和计算机控制系统，对用电系统的谐波要求很高，美国罗宾康高压变频器和北京利德华福有限公司的高压变频器电压、电流波形较好，不存在这方面的问题。

　　变频器输出波形对电机的影响。由于火电厂应用变频调速很大部分是属于旧有设备的改造，原有的普通电机是设计成为电网直接运行的，而电网电压波形基本为正弦波。如果变频器输出波形质量不好的话，会对电机产生影响。变频器输出谐波会引起的电机附加发热和转矩脉动，噪音增加，输出dv/dt和共模电压会影响电机的绝缘。美国罗宾康高压变频器和北京利德华福有限公司的高压变频器输出波形质量均很高，不必设置输出滤波器，就可以使用原有的普通异步电机。

　　高压变频器进线刀闸、旁路刀闸、出线刀闸集成柜的选择。选择高压变频器时，可根据辅机设备的重要程度决定是否采用进线刀闸、旁路刀闸、出线刀闸集成柜。而凝结水泵，正常运行时一台运行，一台备用，因此在变频器故障时不会造成造成机组降负荷运行，不再采用进线刀闸、旁路刀闸、出线刀闸集成柜，以便降低造价，节约投资。

　　高压变频器要有可靠的冷却装置，高压变频器在冷却风扇停运时，功率单元将超温而使变频器停止运行，因此高压变频器应有两套独立的冷却装置，并且冷却装置的电源系统要有两套来自不同低压段的独立的电源供电。

　　高压变频器应选择良好的运行环境。高压变频器的运行应选择清洁、通风、干燥的运行环境，高压变频器变压器柜和功率柜的滤网应定期清扫。特别是运行环境较差时，灰尘将阻塞滤网，造成冷却效果变差而功率单元超温报警，甚至停运。

五、节能效果分析

5.1 设备参数

5.1.1 凝泵系统参数
凝结泵电机参数
型号：YKKL2300-4/1180-1  
额定功率：2300 kW  
额定电压：6kV        额定频率：50Hz
额定电流：262.9A     额定转速：1492r/min  
相数：3              接线方式：2Y
冷却方式：IC611
电机转动惯量：J=133.4kg.m2
生产日期2007年4月  
制造厂家 湘潭电机有限公司

5.1.2 高压变频器参数
型号       HARSVERT-A06/270
技术方案   多级模块串联，交直交、高高方式
额定输入电压/允许变化范围  6kV/±10%
系统输出电压              0～6kV
对电网电压波动的敏感性    -35%～+15%
移相变压器额定容量        2900kVA
变频器输出电压变化范围    0~6kV  
变频器输出电流变化范围    0~262.9A
电网侧变换器型式及元件    30脉冲，二极管三相全桥
电机侧逆变器型式及元件    IGBT 逆变桥串连
冷却方式   强制密闭冷却
制造厂家   北京利德华福电气技术有限公司

5.2工频/变频状态在各种负荷下每小时节电见下表：

　　根据上表中数据可以看出，机组负荷越小，采用变频改造后，凝结水泵电机节能效果越显著。按平均每小时节电750kWh，年运行6000小时计算,年节电750×6000=450万（kWh）,按上网电价0.4元/kWh 计算,年效益0.4×450=180(万元)。

六、结语

　　凝结泵在变频改造投运后一年多时间里运行稳定。此次，660MW超超临界机组凝结水系统高压变频改造，新增变频设备安装布置在凝结水泵就近位置，节省了高压电缆和土建费用；冷却系统均采用强制密闭冷却结构设计，风路循环使用，粉尘小、环境稳定，受外界环境因素影响小，大大减低维修维护人员的工作强度。凝结水系统投入运行后各项测试性能指标良好：两个调整门截流噪音及震动明显减小，机组在330MW运行时，凝结水泵电机电流由原来的170.5A 最低降低到75.9A左右，节电率可达55.5%，全年平均节电率为50.9%。节能效果十分明显。超超临界机组凝结水泵变频改造后，实现了跟踪负荷等参数变化通过调节电动机频率实现连续调节，平滑稳定、调节范围大、节能降耗效果明显，经济性较高。值得在全国范围内大规模的推广应用。