摘要：介紹了國產HARSVER-A型高壓變頻裝置的技術特點，新海發電有限公司11號機組（220MW）凝結水系統變頻改造的技術方案，運行中存在的問題及解決方法，通過與12號機凝泵運行經濟比較，表明變頻改造的節能效果顯著，并提高了設備和系統的安全可靠性。
關鍵詞：發電廠 凝結水泵 變頻裝置 節能

前言
　　江蘇新海發電有限公司11號、12號機是北京重型汽輪廠的產品，分別于1990、1991年投產發電。凝結水泵是上海水泵廠產品，為四級離心泵，立式雙筒殼式結構，采用閥門節流調節，凝結水系統配置如表1。由于凝結水泵的工作特點，設計時考慮了較大的流量和揚程的安全余量，同時機組參與調峰，負荷變化頻繁，而節流調節方式損失了大部分能量，使得凝結水泵長期處于不經濟運行狀態。通過把傳統的節流調節方式改為變速調節方式，凝結水泵具有較大的節電潛力。目前，交流電動機最成熟、最高效的調速方式首推變頻調速，為此，在調研論證的基礎上，我們首先在11號機（220MW）凝結水系統上采用國產HARSVER-A型高壓變頻調速裝置實施技術改造。
表1

變頻調速的節能原理
異步電動機的轉速公式如下：
n＝（60f/P）×（1－S） r/min
式中 n-----電動機轉速
f-----電動機定子供電頻率
P-----電動機極對數
S-----電動機轉差率
　　由上式可知，在電動機極對數、轉差率不變的情況下，電動機轉速與供電頻率呈線性關系。另外，磁通密度和輸出力矩是電動機必須保證的兩個關鍵指標，決定于定子供電電壓和頻率的比值U/f，因此，電動機調速過程中，在降低頻率同時，還要降低供電電壓，這就需要變頻裝置實現頻率與電壓協調控制。變頻裝置在調速過程中從高速到低速都保持有不大的轉差率，因而具有高精度、寬范圍和高效率的調速性能。
　　當凝結水泵水壓、流量需要調節時，傳統的方法是： 通過調節閥門或啟停電機來實現，損耗隨之增大，同時降低了水泵的總效率，由此而引起的電能損失是相當可觀的。
當采用變頻調速時，可以按需要升降電機轉速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數滿足工藝要求，根據風機、水泵的相似定律，變速前后流量、水壓、功率與轉速之間關系為：
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；
　　假如轉速由額定50HZ降至35HZ，即：n2/n1=0.7，則P2/P1=0.34，可見降低轉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，而電動機因轉速下降引起的電機效率下降在50%轉速以上時是不明顯的，另外，在滿足操作要求的前提下，水泵轉速降低不會導致水泵效率降低（電機輸出力矩不變），根據以上分析認為，凝泵變頻調速總的節能效果比較顯著。

HARSVER-A型高壓變頻裝置的技術特點
　　HARSVER-A型變頻裝置采用單元串聯多電平PWM拓撲結構，由若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，即6kV輸出電壓每相有7個額定電壓為480V的功率單元串聯而成，輸出相電壓3450V，線電壓達到6kV左右，裝置系統配置如圖1。這種技術是目前高壓變頻領域應有最廣泛、最成熟的技術。
　　3.1 變頻器為高-高結構，不需輸出升壓變壓器，變頻器效率高達96%；
　　3.2 42脈沖的整流電路結構，使輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真低于4%，輸入功率因數達0.95以上；
　　3.3 逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，輸出電壓接近正弦波。輸出電壓每個電平臺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，而不是功率器件串聯，器件承受的最高電壓為單元內直流母線的電壓，器件不必串聯，不存在器件串聯引起的均壓問題；
　　3.5 變頻器可以承受30%的電源電壓下降而繼續運行，變頻器的6KV主電源完全失電時，變頻器可以在3秒內不停機；
　　3.6 采用功率單元旁路技術，多極模塊串聯，某個模塊發生故障時自動旁路運行，大大地提高了系統運行的可靠性；
　　3.7 變頻裝置提供大液晶中文操作界面，功能強，操作方便；
　　3.8 裝置除變壓器外，大部分的元器件采用進口優質產品，保證了整件的質量和可靠性。


圖1：HARSVER-A型高壓變頻調速裝置系統圖

改造技術方案
　　4.1 考慮兩臺凝結水泵平時一用一備，所以采用單臺變頻器供2臺凝結水泵電機，即“一拖二方案”。正常時變頻器拖動一臺凝泵運行，另一臺工頻備用。當變頻器或運行的凝泵發生故障時，備用泵工頻啟動。正常調泵運行時（如甲泵變頻調乙泵變頻運行），合KM2開關，開乙泵工頻，甲泵變頻停車，斷開QS1開關，停甲泵變頻，合KM1開關，開甲泵工頻，斷開KM2開關，合QS2開關，啟乙泵變頻，最后斷開KM1開關，調泵工作結束。系統設計方案如圖2所示。
　　4.2 系統方案中QS1、QS2采用真空開關，滿足兩臺凝泵遠方調度需要。
　　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 變頻調速系統進入電廠DCS系統。DCS根據機組負荷情況，按設定程序實現對機組凝泵電動機轉速自動控制。
　　4.5 變頻泵跳閘，備用泵聯起時，原凝結水自動調門開度根據調試結果修正。


圖2：220MW機組凝泵調速系統方案

　　圖中 M甲、M乙為兩臺凝結水泵，KM1、KM2兩臺凝泵電機工頻電源開關，KM3為凝泵電機變頻電源開關，QS1、QS2為兩臺凝泵變頻輸出開關。

系統變頻運行存在的問題及解決方案
5.1 變頻運行時，凝結水溶氧超標。
　　主要原因是備用凝泵的浮環與下導軸承的密封冷卻水壓力低造成的。因凝泵的浮環與下導軸承的密封冷卻水管道與第一級葉輪出口及穩壓水箱連接，并且甲乙兩臺凝泵的密封冷卻水管接在穩壓水箱一根下水管上，運行與備用凝泵的密封冷卻水系統互相影響，當凝泵工頻運行時，凝泵出口調節門處于調節狀態，凝泵出口壓力在1.7Mpa左右，從第一級葉輪壓出室引出的凝結水進入下導軸承及浮環密封，然后沿著管路進入備用泵的密封冷卻水系統（該壓力約0.4 Mpa左右）。而凝泵低負荷變頻運行時，凝泵出口壓力一般在0.8～1.2Mpa 左右，從第一級葉輪壓出室引出的凝結水壓力比工頻運行時的出水壓力低的多（該壓力約0.2～0.3 Mpa左右），不能滿足備用凝泵密封系統的要求，造成凝結水溶氧增大。
現從凝結水泵出水管接一路至凝泵密封水系統與原密封水并聯解決了此問題，凝泵首次啟動或工頻運行時用穩壓水箱下水作密封水，而當凝泵變頻運行時，密封水切換為凝結水泵出水供。
5.2 不能滿足高加控制水要求
　　高加控制水接在凝結水泵出口的分配聯箱上即凝結水調節門前，規程規定該水壓運行中不低于1.5MPa，而凝泵變頻運行時不能滿足此要求。根據試驗當凝結水壓力在1.0MPa時，高加聯成閥能可靠動作，因此規定凝泵變頻運行時，泵出口壓力不得低于該壓力。
5.3 運行安全性
　　5.3.1我公司兩臺凝泵共用一臺變頻器。凝結水泵工頻運行時，除氧器水位由凝結水調節門調節，若運行凝泵故障跳閘備用泵聯啟時，對系統運行影響不大；而凝泵變頻運行時，凝結水調節門是全開的，若此時運行凝泵跳閘備用泵聯啟（工頻）對系統運行將產生較大的影響.因此，我們增加以下控制邏輯：當機組負荷在200MW以上工況，變頻凝泵跳閘，備用泵聯啟時，凝結水調節門自動關小到60％開度；當機組負荷在100MW工況下變頻凝泵跳閘，備用泵聯啟時，凝結水調節門自動關小到30％開度（中間為函數關系），以便給運行人員留有一定的故障處理時間。
　　5.3.2 在機組啟停過程中，為了滿足低壓旁路減溫水的需要，凝結水泵必須保持工頻運行。
5.4 系統的共振頻率
　　5.4.1 電機變頻運行中，頻率在39HZ以下和43HZ以上時，電機東西向振動在8絲以內，從39HZ開始，東西向振動逐漸增大，到41HZ時振動最大，達15—17絲，后隨頻率提高，振動逐漸下降，可見， 41HZ是凝泵系統的共振頻率。
　　5.4.2 該變頻裝置可以方便地通過修改設置，跳過共振點，但考慮這樣做對節能效果將產生一定影響，且這些點只是短暫地存在，對電機軸承的影響是有限的。經過7個多月運行的考驗，電機各項性能指標都沒有顯著變化，電機運行平穩。

改造后的效果
　　#11機凝泵改造后,于3月21日投入運行。經過幾天的調整試驗，設備運行穩定,節電效果明顯。從表2可以看出，機組負荷越低，電流降得越多，節電效果越明顯。
表2 #11機凝結水泵改變頻后與#12機凝結水泵運行電流比較


#11機全年的負荷率情況如下: 200MW及以上負荷占年總運行時間的20% ;
170MW負荷附近占年總運行時間的65%;
150MW負荷附近占年總運行時間的15%。
#11機凝泵年統計耗電量為310萬kWh, 改變頻后全年節約電量計算如下:
310×(20%×27%+65%×44%+15%×50%)=310×41.3%=128.7(萬KWh)
按每度電0.31元計算,年經濟效益約為40萬元。
表3 2004年4月份11號、12號機凝泵廠用電率統計


　　從表3月統計報表看4月份凝泵節電情況與根據年負荷率計算的節電量基本是一致的。該工程總投資為120萬元，三年便可收回投資。
　　11號機凝泵實施了變頻改造后，使凝器水位實現了平滑穩定的調整，電機實現了軟啟動，電機的振動情況得到了改善，經濟效益顯著，改造取得了預期的效果。

參考文獻：
1、 楊興瑤。電動機調速的原理及系統 北京：水利電力出版社會 1995