高壓變頻器在火力發(fā)電廠凝結(jié)水泵中的應(yīng)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2×350MW發(fā)電機(jī)組凝結(jié)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(jié)能效應(yīng)。

一、高壓變頻的發(fā)展

　　20世紀(jì)80-90年代初，高壓電機(jī)的調(diào)速主要采用三種方式。

　　1.液力耦合器方式

　　即在電機(jī)和負(fù)載之間串入一個(gè)液力耦合裝置，通過(guò)液面的高低調(diào)節(jié)電機(jī)和負(fù)載之間耦合力的大小，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的速度調(diào)節(jié)。

　　2.串級(jí)調(diào)速

　　將異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的一部分能量通過(guò)整流、逆變?cè)偎突氐诫娋W(wǎng)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的內(nèi)阻，從而改變了電動(dòng)機(jī)的滑差。

　　3.高低方式

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

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

　　目前，隨著大功率整流、逆變?cè)�器件的發(fā)展，以及微機(jī)控制、可控硅導(dǎo)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)栴}，現(xiàn)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)電廠應(yīng)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(yùn)行可靠和維護(hù)方便的特點(diǎn)。南陽(yáng)鴨河口發(fā)電有限責(zé)任公司2011年#1、2機(jī)B凝泵變頻器、#3、4機(jī)A凝泵變頻改造均采用此類型的變頻器。

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，工頻、頻運(yùn)行方式的切換，均通過(guò)旁路柜來(lái)實(shí)現(xiàn)。變壓器柜裝有一臺(tái)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(jī)提供變頻后的輸出電源�？刂乒裉幚聿杉�到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)、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(dú)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(duì)于6kV電壓等級(jí)，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(jī)。

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(nèi)各器件的工作狀態(tài)及相應(yīng)的參數(shù)都有監(jiān)控和保護(hù)。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(jiān)控參數(shù)通過(guò)光纖送至控制器。

　　3.控制策略

　　現(xiàn)在高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用輸出壓頻比的控制方式，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，只要保證電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和定子頻率比值恒定，就可使電機(jī)運(yùn)行在額定磁通，達(dá)到效率最優(yōu)點(diǎn)。

三、高壓變頻在凝結(jié)水泵中的應(yīng)用

　　1.現(xiàn)狀介紹

　　(1)鴨河口電廠一期安裝兩臺(tái)350MW機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組的凝結(jié)水系統(tǒng)(圖3)包含二臺(tái)凝結(jié)水泵，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。系統(tǒng)在凝結(jié)水出口管路有三個(gè)調(diào)節(jié)閥(低負(fù)荷凝結(jié)水調(diào)閥、高負(fù)荷凝結(jié)水調(diào)閥、凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)閥)。凝汽器水位控制原設(shè)計(jì)由這三個(gè)調(diào)門(mén)共同實(shí)現(xiàn)。由于水位采用閥門(mén)節(jié)流調(diào)節(jié)、凝泵定速工頻運(yùn)行，凝泵電機(jī)能耗與系統(tǒng)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(jié)水系統(tǒng)

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

　　(2)電機(jī)情況。

　　凝結(jié)水泵電機(jī)型號(hào)：NIC-710-K/A-4 電機(jī)容量：1315kW電機(jī)額定電壓：6kV;電機(jī)額定電流：145A;轉(zhuǎn)速：1497rpm;功率因數(shù)：0.92;頻率：50Hz;溫升：76.14℃;絕緣等級(jí)：F。

　　(3)采用高電壓型變頻器，容量為1650kVA，能滿足電機(jī)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(yīng)考慮的問(wèn)題

　　由于采用變頻控制后，凝泵的轉(zhuǎn)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(hù)要求：凝泵的共振頻率、變頻轉(zhuǎn)速要避開(kāi)泵的共振區(qū)，以免凝泵振動(dòng)大。低轉(zhuǎn)速下，泵的潤(rùn)滑條件能否滿足。對(duì)策：可通過(guò)泵的變頻試驗(yàn)確定其最低安全工作轉(zhuǎn)速，設(shè)變頻器頻率下限。

　　(2)低旁減溫水壓力要求：現(xiàn)低旁減溫水壓力保護(hù)設(shè)計(jì)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(yùn)行時(shí)出口壓力不能低于2.1MPa。對(duì)策：低旁運(yùn)行時(shí)使凝泵切變頻高速運(yùn)行，同時(shí)高負(fù)荷凝結(jié)水調(diào)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(yùn)行時(shí)出口壓力不能低于一定值。對(duì)策：出口壓力低時(shí)(P<[除氧器壓力+0.7 MPa])閉鎖凝泵轉(zhuǎn)速下降。

　　(4)凝汽器熱井水位控制穩(wěn)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(wěn)定。對(duì)策：設(shè)計(jì)水位的凝泵變頻自動(dòng)控制邏輯，保留原出口調(diào)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(diào)節(jié)門(mén)的超馳控制邏輯，關(guān)10秒后恢復(fù)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(dāng)熱井水位低1值時(shí)，閉鎖出口調(diào)閥開(kāi)行程。

　　(5)變頻器設(shè)備及電機(jī)的保護(hù)要求：當(dāng)電機(jī)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(shè)備及運(yùn)行電機(jī)，切換備用泵運(yùn)行。對(duì)策：完善聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)計(jì)，當(dāng)運(yùn)行B凝泵停運(yùn)或者變頻故障時(shí)，聯(lián)鎖切換到備用泵。

　　3.控制方案設(shè)計(jì)

　　為達(dá)到改造目的，控制設(shè)計(jì)首先要保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在此基礎(chǔ)上，盡可能降低凝泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速，以期獲得最大的節(jié)能效果�？刂品桨溉缦拢�

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

　　(2)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)：投入B泵變頻自動(dòng)調(diào)節(jié)。機(jī)組正常運(yùn)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(zhuǎn)速控制凝汽器熱井水位。此時(shí)，出口調(diào)門(mén)自動(dòng)切到大死區(qū)控制，作為后備調(diào)節(jié)手段。為保證變頻運(yùn)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(hù)。

　　(3)低旁緊急投入時(shí)：B泵切變頻高速運(yùn)行。如果凝泵正常變頻運(yùn)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(wěn)定，應(yīng)緊急將變頻泵切高速運(yùn)行，此時(shí)，變頻自動(dòng)退出，出口調(diào)門(mén)緊急快關(guān)至對(duì)應(yīng)開(kāi)度10秒，再投入出口調(diào)門(mén)水位自動(dòng)控制，維持水位穩(wěn)定。同時(shí)，在低旁投入之后，投入低旁減溫水保護(hù)，如果低旁減溫水壓力15秒得不到及時(shí)供應(yīng)，低旁仍跳閘。

　　(4)B泵變頻故障時(shí)：切A泵工頻運(yùn)行。當(dāng)變頻泵變頻重故障時(shí)，退出變頻器運(yùn)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(yùn)行。此時(shí)，變頻自動(dòng)退出，出口調(diào)門(mén)緊急快關(guān)至對(duì)應(yīng)開(kāi)度(可為40%固定值、或負(fù)荷對(duì)應(yīng)函數(shù))后，再投入出口調(diào)門(mén)水位自動(dòng)控制，以保證此時(shí)A泵工頻運(yùn)行時(shí)泵出口凝結(jié)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(yùn)行時(shí)，將B泵退出變頻自動(dòng)，投入出口調(diào)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(yùn)行，然后退出B泵變頻運(yùn)行。

　　(6)A泵正常運(yùn)行時(shí)，切B泵變頻。A泵正常運(yùn)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(yùn)行后，停A泵運(yùn)行，此時(shí)注意熱井水位，待系統(tǒng)穩(wěn)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(yùn)行時(shí)，B泵變頻系統(tǒng)應(yīng)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(yùn)行。

　　4.邏輯修改

　　(1)新增變頻器邏輯。新增變頻器調(diào)速手操站和凝汽器熱井水位變頻調(diào)節(jié)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(yùn)行”消失時(shí)，變頻調(diào)速切手動(dòng);當(dāng)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(bào)警;當(dāng)變頻出現(xiàn)重故障報(bào)警時(shí)，變頻自動(dòng)切手動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警。

　　(2)除氧器上水門(mén)控制邏輯修改。當(dāng)變頻器調(diào)速在手動(dòng)時(shí)，凝泵出口閥原自動(dòng)方式不變。當(dāng)變頻器調(diào)速在自動(dòng)時(shí)，凝泵出口閥控制方式為：調(diào)節(jié)經(jīng)死區(qū)函數(shù)±30mm處理過(guò)的水位偏差，正常時(shí)保持100%位置。當(dāng)水位偏差超過(guò)30mm過(guò)高時(shí)，上水門(mén)參與調(diào)節(jié)，自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)水位恢復(fù)到±30mm偏差內(nèi)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(dāng)變頻調(diào)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(jù)當(dāng)時(shí)機(jī)組的負(fù)荷超馳關(guān)閉至一定開(kāi)度(0MW～20%;350MW～67%)，10秒后放開(kāi)繼續(xù)自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)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(hù)。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(hù)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(hù)投入。

四、應(yīng)用效果分析

　　凝泵變頻器投入運(yùn)行后，電機(jī)和水泵的振動(dòng)值滿足要求，運(yùn)行穩(wěn)定，每年能節(jié)約不少電量，符合國(guó)家節(jié)能減排政策。節(jié)電效果分析如表1所示。

　　按照機(jī)組一年運(yùn)行330天，30%時(shí)間運(yùn)行在350MW，40%時(shí)間運(yùn)行在250MW，30%時(shí)間運(yùn)行在200MW，一年節(jié)電如下：

表1 節(jié)電效果分析

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

　　一年節(jié)約電費(fèi)：2162952×0.41=88.68萬(wàn)元。