摘要：介紹了國產(chǎn)HARSVER-A型高壓變頻裝置的技術(shù)特點(diǎn)，新海發(fā)電有限公司11號(hào)機(jī)組（220MW）凝結(jié)水系統(tǒng)變頻改造的技術(shù)方案，運(yùn)行中存在的問題及解決方法，通過與12號(hào)機(jī)凝泵運(yùn)行經(jīng)濟(jì)比較，表明變頻改造的節(jié)能效果顯著，并提高了設(shè)備和系統(tǒng)的安全可靠性。
關(guān)鍵詞：發(fā)電廠 凝結(jié)水泵 變頻裝置 節(jié)能

前言
　　江蘇新海發(fā)電有限公司11號(hào)、12號(hào)機(jī)是北京重型汽輪廠的產(chǎn)品，分別于1990、1991年投產(chǎn)發(fā)電。凝結(jié)水泵是上海水泵廠產(chǎn)品，為四級(jí)離心泵，立式雙筒殼式結(jié)構(gòu)，采用閥門節(jié)流調(diào)節(jié)，凝結(jié)水系統(tǒng)配置如表1。由于凝結(jié)水泵的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了較大的流量和揚(yáng)程的安全余量，同時(shí)機(jī)組參與調(diào)峰，負(fù)荷變化頻繁，而節(jié)流調(diào)節(jié)方式損失了大部分能量，使得凝結(jié)水泵長(zhǎng)期處于不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。通過把傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)節(jié)方式改為變速調(diào)節(jié)方式，凝結(jié)水泵具有較大的節(jié)電潛力。目前，交流電動(dòng)機(jī)最成熟、最高效的調(diào)速方式首推變頻調(diào)速，為此，在調(diào)研論證的基礎(chǔ)上，我們首先在11號(hào)機(jī)（220MW）凝結(jié)水系統(tǒng)上采用國產(chǎn)HARSVER-A型高壓變頻調(diào)速裝置實(shí)施技術(shù)改造。
表1

變頻調(diào)速的節(jié)能原理
異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式如下：
n＝（60f/P）×（1－S） r/min
式中 n-----電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
f-----電動(dòng)機(jī)定子供電頻率
P-----電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)
S-----電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率
　　由上式可知，在電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)差率不變的情況下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與供電頻率呈線性關(guān)系。另外，磁通密度和輸出力矩是電動(dòng)機(jī)必須保證的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，決定于定子供電電壓和頻率的比值U/f，因此，電動(dòng)機(jī)調(diào)速過程中，在降低頻率同時(shí)，還要降低供電電壓，這就需要變頻裝置實(shí)現(xiàn)頻率與電壓協(xié)調(diào)控制。變頻裝置在調(diào)速過程中從高速到低速都保持有不大的轉(zhuǎn)差率，因而具有高精度、寬范圍和高效率的調(diào)速性能。
　　當(dāng)凝結(jié)水泵水壓、流量需要調(diào)節(jié)時(shí)，傳統(tǒng)的方法是： 通過調(diào)節(jié)閥門或啟停電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，損耗隨之增大，同時(shí)降低了水泵的總效率，由此而引起的電能損失是相當(dāng)可觀的。
當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，可以按需要升降電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數(shù)滿足工藝要求，根據(jù)風(fēng)機(jī)、水泵的相似定律，變速前后流量、水壓、功率與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系為：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/P2=（n1/n2）3
Q 、H、P—水泵流量、水壓、軸功率；
　　假如轉(zhuǎn)速由額定50HZ降至35HZ，即：n2/n1=0.7，則P2/P1=0.34，可見降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率，因變頻器的效率較高，變頻器自身的功耗很低，而電動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)速下降引起的電機(jī)效率下降在50%轉(zhuǎn)速以上時(shí)是不明顯的，另外，在滿足操作要求的前提下，水泵轉(zhuǎn)速降低不會(huì)導(dǎo)致水泵效率降低（電機(jī)輸出力矩不變），根據(jù)以上分析認(rèn)為，凝泵變頻調(diào)速總的節(jié)能效果比較顯著。

HARSVER-A型高壓變頻裝置的技術(shù)特點(diǎn)
　　HARSVER-A型變頻裝置采用單元串聯(lián)多電平PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出，即6kV輸出電壓每相有7個(gè)額定電壓為480V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓3450V，線電壓達(dá)到6kV左右，裝置系統(tǒng)配置如圖1。這種技術(shù)是目前高壓變頻領(lǐng)域應(yīng)有最廣泛、最成熟的技術(shù)。
　　3.1 變頻器為高-高結(jié)構(gòu)，不需輸出升壓變壓器，變頻器效率高達(dá)96%；
　　3.2 42脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，使輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真低于4%，輸入功率因數(shù)達(dá)0.95以上；
　　3.3 逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，輸出電壓接近正弦波。輸出電壓每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，不需要配置專用濾波裝置；
　　3.4 采用功率單元串聯(lián)，而不是功率器件串聯(lián)，器件承受的最高電壓為單元內(nèi)直流母線的電壓，器件不必串聯(lián)，不存在器件串聯(lián)引起的均壓?jiǎn)栴}；
　　3.5 變頻器可以承受30%的電源電壓下降而繼續(xù)運(yùn)行，變頻器的6KV主電源完全失電時(shí)，變頻器可以在3秒內(nèi)不停機(jī)；
　　3.6 采用功率單元旁路技術(shù)，多極模塊串聯(lián)，某個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)旁路運(yùn)行，大大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；
　　3.7 變頻裝置提供大液晶中文操作界面，功能強(qiáng)，操作方便；
　　3.8 裝置除變壓器外，大部分的元器件采用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，保證了整件的質(zhì)量和可靠性。


圖1：HARSVER-A型高壓變頻調(diào)速裝置系統(tǒng)圖

改造技術(shù)方案
　　4.1 考慮兩臺(tái)凝結(jié)水泵平時(shí)一用一備，所以采用單臺(tái)變頻器供2臺(tái)凝結(jié)水泵電機(jī)，即“一拖二方案”。正常時(shí)變頻器拖動(dòng)一臺(tái)凝泵運(yùn)行，另一臺(tái)工頻備用。當(dāng)變頻器或運(yùn)行的凝泵發(fā)生故障時(shí)，備用泵工頻啟動(dòng)。正常調(diào)泵運(yùn)行時(shí)（如甲泵變頻調(diào)乙泵變頻運(yùn)行），合KM2開關(guān)，開乙泵工頻，甲泵變頻停車，斷開QS1開關(guān)，停甲泵變頻，合KM1開關(guān)，開甲泵工頻，斷開KM2開關(guān)，合QS2開關(guān)，啟乙泵變頻，最后斷開KM1開關(guān)，調(diào)泵工作結(jié)束。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。
　　4.2 系統(tǒng)方案中QS1、QS2采用真空開關(guān)，滿足兩臺(tái)凝泵遠(yuǎn)方調(diào)度需要。
　　4.3 KM1和QS1電氣互鎖，KM2和QS2電氣互鎖，QS1和QS2電氣互鎖。
　　4.4 變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入電廠DCS系統(tǒng)。DCS根據(jù)機(jī)組負(fù)荷情況，按設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)組凝泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制。
　　4.5 變頻泵跳閘，備用泵聯(lián)起時(shí)，原凝結(jié)水自動(dòng)調(diào)門開度根據(jù)調(diào)試結(jié)果修正。


圖2：220MW機(jī)組凝泵調(diào)速系統(tǒng)方案

　　圖中 M甲、M乙為兩臺(tái)凝結(jié)水泵，KM1、KM2兩臺(tái)凝泵電機(jī)工頻電源開關(guān)，KM3為凝泵電機(jī)變頻電源開關(guān)，QS1、QS2為兩臺(tái)凝泵變頻輸出開關(guān)。

系統(tǒng)變頻運(yùn)行存在的問題及解決方案
5.1 變頻運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水溶氧超標(biāo)。
　　主要原因是備用凝泵的浮環(huán)與下導(dǎo)軸承的密封冷卻水壓力低造成的。因凝泵的浮環(huán)與下導(dǎo)軸承的密封冷卻水管道與第一級(jí)葉輪出口及穩(wěn)壓水箱連接，并且甲乙兩臺(tái)凝泵的密封冷卻水管接在穩(wěn)壓水箱一根下水管上，運(yùn)行與備用凝泵的密封冷卻水系統(tǒng)互相影響，當(dāng)凝泵工頻運(yùn)行時(shí)，凝泵出口調(diào)節(jié)門處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，凝泵出口壓力在1.7Mpa左右，從第一級(jí)葉輪壓出室引出的凝結(jié)水進(jìn)入下導(dǎo)軸承及浮環(huán)密封，然后沿著管路進(jìn)入備用泵的密封冷卻水系統(tǒng)（該壓力約0.4 Mpa左右）。而凝泵低負(fù)荷變頻運(yùn)行時(shí)，凝泵出口壓力一般在0.8～1.2Mpa 左右，從第一級(jí)葉輪壓出室引出的凝結(jié)水壓力比工頻運(yùn)行時(shí)的出水壓力低的多（該壓力約0.2～0.3 Mpa左右），不能滿足備用凝泵密封系統(tǒng)的要求，造成凝結(jié)水溶氧增大。
現(xiàn)從凝結(jié)水泵出水管接一路至凝泵密封水系統(tǒng)與原密封水并聯(lián)解決了此問題，凝泵首次啟動(dòng)或工頻運(yùn)行時(shí)用穩(wěn)壓水箱下水作密封水，而當(dāng)凝泵變頻運(yùn)行時(shí)，密封水切換為凝結(jié)水泵出水供。
5.2 不能滿足高加控制水要求
　　高加控制水接在凝結(jié)水泵出口的分配聯(lián)箱上即凝結(jié)水調(diào)節(jié)門前，規(guī)程規(guī)定該水壓運(yùn)行中不低于1.5MPa，而凝泵變頻運(yùn)行時(shí)不能滿足此要求。根據(jù)試驗(yàn)當(dāng)凝結(jié)水壓力在1.0MPa時(shí)，高加聯(lián)成閥能可靠動(dòng)作，因此規(guī)定凝泵變頻運(yùn)行時(shí)，泵出口壓力不得低于該壓力。
5.3 運(yùn)行安全性
　　5.3.1我公司兩臺(tái)凝泵共用一臺(tái)變頻器。凝結(jié)水泵工頻運(yùn)行時(shí)，除氧器水位由凝結(jié)水調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)，若運(yùn)行凝泵故障跳閘備用泵聯(lián)啟時(shí)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響不大；而凝泵變頻運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水調(diào)節(jié)門是全開的，若此時(shí)運(yùn)行凝泵跳閘備用泵聯(lián)啟（工頻）對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行將產(chǎn)生較大的影響.因此，我們?cè)黾右韵驴刂七壿嫞寒?dāng)機(jī)組負(fù)荷在200MW以上工況，變頻凝泵跳閘，備用泵聯(lián)啟時(shí)，凝結(jié)水調(diào)節(jié)門自動(dòng)關(guān)小到60％開度；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在100MW工況下變頻凝泵跳閘，備用泵聯(lián)啟時(shí)，凝結(jié)水調(diào)節(jié)門自動(dòng)關(guān)小到30％開度（中間為函數(shù)關(guān)系），以便給運(yùn)行人員留有一定的故障處理時(shí)間。
　　5.3.2 在機(jī)組啟停過程中，為了滿足低壓旁路減溫水的需要，凝結(jié)水泵必須保持工頻運(yùn)行。
5.4 系統(tǒng)的共振頻率
　　5.4.1 電機(jī)變頻運(yùn)行中，頻率在39HZ以下和43HZ以上時(shí)，電機(jī)東西向振動(dòng)在8絲以內(nèi)，從39HZ開始，東西向振動(dòng)逐漸增大，到41HZ時(shí)振動(dòng)最大，達(dá)15—17絲，后隨頻率提高，振動(dòng)逐漸下降，可見， 41HZ是凝泵系統(tǒng)的共振頻率。
　　5.4.2 該變頻裝置可以方便地通過修改設(shè)置，跳過共振點(diǎn)，但考慮這樣做對(duì)節(jié)能效果將產(chǎn)生一定影響，且這些點(diǎn)只是短暫地存在，對(duì)電機(jī)軸承的影響是有限的。經(jīng)過7個(gè)多月運(yùn)行的考驗(yàn)，電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)都沒有顯著變化，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

改造后的效果
　　#11機(jī)凝泵改造后,于3月21日投入運(yùn)行。經(jīng)過幾天的調(diào)整試驗(yàn)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,節(jié)電效果明顯。從表2可以看出，機(jī)組負(fù)荷越低，電流降得越多，節(jié)電效果越明顯。
表2 #11機(jī)凝結(jié)水泵改變頻后與#12機(jī)凝結(jié)水泵運(yùn)行電流比較


#11機(jī)全年的負(fù)荷率情況如下: 200MW及以上負(fù)荷占年總運(yùn)行時(shí)間的20% ;
170MW負(fù)荷附近占年總運(yùn)行時(shí)間的65%;
150MW負(fù)荷附近占年總運(yùn)行時(shí)間的15%。
#11機(jī)凝泵年統(tǒng)計(jì)耗電量為310萬kWh, 改變頻后全年節(jié)約電量計(jì)算如下:
310×(20%×27%+65%×44%+15%×50%)=310×41.3%=128.7(萬KWh)
按每度電0.31元計(jì)算,年經(jīng)濟(jì)效益約為40萬元。
表3 2004年4月份11號(hào)、12號(hào)機(jī)凝泵廠用電率統(tǒng)計(jì)


　　從表3月統(tǒng)計(jì)報(bào)表看4月份凝泵節(jié)電情況與根據(jù)年負(fù)荷率計(jì)算的節(jié)電量基本是一致的。該工程總投資為120萬元，三年便可收回投資。
　　11號(hào)機(jī)凝泵實(shí)施了變頻改造后，使凝器水位實(shí)現(xiàn)了平滑穩(wěn)定的調(diào)整，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，電機(jī)的振動(dòng)情況得到了改善，經(jīng)濟(jì)效益顯著，改造取得了預(yù)期的效果。

參考文獻(xiàn)：
1、 楊興瑤。電動(dòng)機(jī)調(diào)速的原理及系統(tǒng) 北京：水利電力出版社會(huì) 1995