高壓變頻器在600MW機(jī)組凝結(jié)水泵上的應(yīng)用

摘要：揚(yáng)州第二發(fā)電有限公司是江蘇省特大型火力發(fā)電企業(yè)，為了降低發(fā)電能耗，我公司決定采用高壓變頻器對凝結(jié)水泵、脫硫增壓風(fēng)機(jī)等輔機(jī)進(jìn)行了變頻調(diào)速改造。設(shè)備投運(yùn)后，節(jié)能效果明顯，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：節(jié)能降耗、高壓變頻器、凝泵節(jié)能改造、電網(wǎng)調(diào)峰

　　揚(yáng)州第二發(fā)電有限公司是江蘇省特大型火力發(fā)電企業(yè)，具有設(shè)備性能先進(jìn)、供電煤耗低、調(diào)峰能力強(qiáng)等顯著特點(diǎn)。目前共有4臺600MW燃煤發(fā)電機(jī)組。一期#1、#2機(jī)組采用亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，二期#3、#4機(jī)組采用超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。隨著電力市場競爭的加劇及電網(wǎng)峰谷差日趨增大，帶基本負(fù)荷的大型汽輪發(fā)電機(jī)組被要求參與電網(wǎng)調(diào)峰。從國內(nèi)外調(diào)峰的現(xiàn)狀來看，大型火電機(jī)組參加調(diào)峰主要采用低負(fù)荷運(yùn)行方式，以改變機(jī)組負(fù)荷來滿足系統(tǒng)調(diào)峰需要的運(yùn)行方式。它是一種傳統(tǒng)的調(diào)峰方式，為了增加可調(diào)出力，機(jī)組盡可能在允許的最低負(fù)荷下運(yùn)行。而機(jī)組輔機(jī)均按照最大發(fā)電負(fù)荷設(shè)計(jì)，在低負(fù)荷時(shí)，僅僅能夠依靠調(diào)節(jié)閥門、擋板開度來調(diào)節(jié)流量，造成電能的大量浪費(fèi)。如何優(yōu)化運(yùn)行方式，降低輔機(jī)的能耗，成為當(dāng)前階段電力企業(yè)必須面對的問題。
　　為了降低發(fā)電能耗，我公司成立專門的課題組，對國內(nèi)外同行企業(yè)進(jìn)行調(diào)研，最終認(rèn)為使用變頻調(diào)速技術(shù)，采用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，平穩(wěn)調(diào)節(jié)輔機(jī)出力，將是有效解決該問題的方法。隨后，我公司通過招標(biāo)選購了北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器對凝結(jié)水泵、脫硫增壓風(fēng)機(jī)等輔機(jī)進(jìn)行了變頻調(diào)速改造。設(shè)備投運(yùn)后，節(jié)能效果明顯，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，滿足了我們的要求。

一、凝結(jié)水泵變頻改造方案

1.水泵負(fù)載調(diào)速節(jié)能原理
　　變頻調(diào)速在水泵應(yīng)用上和風(fēng)機(jī)有所區(qū)別，在很多場合，負(fù)載管路特性的改變是用戶用水量減少（即用戶人為關(guān)閥）造成的。水泵在調(diào)速過程中還往往要求壓力恒定，這時(shí)水泵的工作點(diǎn)變化如下圖1所示：

圖1：水泵負(fù)載調(diào)速節(jié)能原理

　　流量由Q₁變?yōu)镼₂時(shí)，如果水泵定速運(yùn)行，工作點(diǎn)將由A點(diǎn)變?yōu)锽點(diǎn)，壓力將升高，威脅管網(wǎng)安全；如果通過調(diào)速方式，水泵工作點(diǎn)將由A點(diǎn)變?yōu)镃點(diǎn)，在提供需要流量的同時(shí)，保持壓力不變。水泵在B、C兩點(diǎn)的輸出功率差為：_PB －P_C＝（H₃－H₂）×Q₂。
　　在A、C兩點(diǎn)，盡管水泵速度不同，但由于在兩種情況下水泵所承擔(dān)的流量不同，其出口壓力和外管網(wǎng)壓力仍然保持平衡。由于壓力平衡的需要，水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，調(diào)速水泵的速度不能低于N3，否則將出現(xiàn)根本不對外出水的現(xiàn)象。非但不節(jié)能，還出現(xiàn)水泵空轉(zhuǎn)耗能的現(xiàn)象。
　　如果在管網(wǎng)特性不變的系統(tǒng)中進(jìn)行水泵調(diào)速，并且對水壓沒有要求，這種情況下節(jié)能效益比恒壓供水要顯著得多。
2.變頻調(diào)速原理
利德華福HARSVERT-A型高壓變頻器采用多電平串聯(lián)的結(jié)構(gòu)控制方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2：利德華福HARSVERT-A型高壓變頻器結(jié)構(gòu)圖

　　10kV系列有24個(gè)功率單元，每8個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)為交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制。
3.系統(tǒng)旁路柜控制方式

圖3：系統(tǒng)旁路柜控制原理（虛線框內(nèi)為變頻器廠家提供）

　　基本原理:變頻裝置本身配置一臺斷路器QF2作為出線電源開關(guān)，同時(shí)保留原有2臺斷路器，3臺斷路器完成變頻/工頻的切換，其中QF1與進(jìn)，出線斷路器之間設(shè)計(jì)閉鎖，確保不會出現(xiàn)變頻回路與工頻回路同時(shí)閉合。在變頻運(yùn)行狀況下，變頻裝置進(jìn)出線開關(guān)閉合，開關(guān)QF1斷開。切換至工頻運(yùn)行時(shí)，先斷開變頻器輸出，此時(shí)由電氣線路控制順序?yàn)椋阂来螖嚅_變頻器輸出，輸入開關(guān)，然后閉合開關(guān)QF1使電機(jī)切換至工頻側(cè)，使電機(jī)工頻運(yùn)行。
　　另外，還保留了電機(jī)差動(dòng)保護(hù)功能，采取重新更換電機(jī)中性點(diǎn)CT，將其控制信號接入QF2開關(guān)柜內(nèi)綜保裝置，參與差動(dòng)保護(hù)，完善電機(jī)保護(hù)功能。

二、節(jié)能數(shù)據(jù)分析

1.設(shè)備參數(shù)

凝結(jié)水泵		電動(dòng)機(jī)
廠家	上海KSB	電動(dòng)機(jī)功率Pdn（kW）	2000
型號	NLT500-570ⅹ4S	電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n0（r/min）	1493
流量（m3/H）	1631	電動(dòng)機(jī)電壓U0（KV）	10
最小流量（m3/H）	367	電動(dòng)機(jī)電流I0（A）	137.1
揚(yáng)程(m)	328	功率因數(shù)	0.904
效率	84.8%	CT	250/1
		PT	10000/100

2.工頻/變頻狀態(tài)下的年耗電量計(jì)算

負(fù)荷	100%	90%		80%		70%		60%
工作時(shí)間（小時(shí)）	1000	1000		1000		2500		2000
工頻單位耗電（kW）	1663.586	1589.976		1545.81		1516.366		1428.034
變頻單位耗電（kW）	1546.3296	1230.4128		1064.1408		1030.8864		1014.2592
每年節(jié)約分項(xiàng)（元）	29314.10	89890.80		120417.30		303424.75		206887.40
每年每臺總 共節(jié)約成本（元）	749934.35
每年節(jié)約耗電（kW）	2999737.40
不同負(fù)荷下的節(jié)電率	7%		23%	31%	32%		29%

三、設(shè)備冷卻方式

　　雖然變頻器的效率大于96%，但是滿負(fù)荷時(shí)仍有4％的損耗。其中變壓器的損耗約為總損耗的50%，功率逆變電路的損耗約為總損耗的50%。2000kW的變頻器，滿負(fù)荷時(shí)的最大損耗為80kW，全部都要轉(zhuǎn)換為熱量。因此，控制室的溫度在變頻器投運(yùn)后，將會很快上升，如果不采用任何措施，變頻器將無法穩(wěn)定運(yùn)行。為了提高高壓大功率變頻器的應(yīng)用穩(wěn)定性，解決好高壓變頻器環(huán)境散熱問題，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，將變壓器的熱量使用風(fēng)道排出室外，而功率柜采用密閉式空調(diào)冷卻。功率柜密閉冷卻裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4：功率柜密閉冷卻裝置其結(jié)構(gòu)

　　冷卻設(shè)備主機(jī)安裝于變頻器功率柜頂部，該裝置配備兩臺制冷壓縮機(jī)，單獨(dú)為功率柜進(jìn)行冷卻。該密閉冷卻裝置與現(xiàn)場接口簡單，提供兩路380V交流電源即可，操作方便，維護(hù)量少，保護(hù)功能完善。正常運(yùn)行時(shí)，每段電源各帶一臺壓縮機(jī)；當(dāng)單段電源故障時(shí)，另外一側(cè)工作電源帶兩臺壓縮機(jī)運(yùn)行。兩臺壓縮機(jī)設(shè)備停運(yùn)時(shí)，可以通過風(fēng)道回路設(shè)置的風(fēng)門實(shí)現(xiàn)變頻器功率柜自身冷卻，減少冷卻裝置故障對變頻器運(yùn)行的影響。完整的冷卻系統(tǒng)解決方案有效減低了輔助系統(tǒng)的故障率，保證設(shè)備安全運(yùn)行。

圖5：HARSVERT-A高壓變頻器在現(xiàn)場運(yùn)行圖

四、結(jié)論

　　北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定，完全滿足現(xiàn)場要求。尤其是密閉冷卻裝置，別樹一幟的技術(shù)思路，大大降低了散熱所需的電能，降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，值得大力推廣。
　　采用變頻調(diào)速裝置后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對電機(jī)機(jī)械損傷，降低噪音，降低了震動(dòng)系數(shù)，有效的延長了電機(jī)和水泵的使用壽命，減少了檢修維護(hù)開支，節(jié)約大量維護(hù)費(fèi)用。
　　通過我廠的實(shí)踐，證明發(fā)電企業(yè)使用高壓變頻器的可行性和經(jīng)濟(jì)性，在今后的設(shè)備技改中，我們將會進(jìn)一步推廣該項(xiàng)技術(shù)，為企業(yè)的節(jié)能降耗繼續(xù)努力。

參考資料：
1．《HARSVERT-VA系列高壓變頻器技術(shù)手冊》
2．《揚(yáng)州二電高壓變頻器改造項(xiàng)目工程資料匯編》
3．《利德華福公司電力行業(yè)資料匯編》