高压变频器在300MW汽轮发电机组凝泵上的应用.doc

1、中国电力（http:/）高压变频器在 300MW 汽轮发电机组凝泵上的应用 日期：2005-06-27 来自：山西阳光发电有限责任公司 300MW 火力发电机组的凝结水泵改造成变频调速运行，技术可行，节能效果明显。并且合理设计变频系统，谨慎选择变频器生产厂家能够保证在不降低机组可靠性的同时，用最少的投资，实现最大的节能效果。我公司的是采用北京利德华福电器技术有限公司的 HARSVERT-A 变频器。关键词：凝泵 变频 改造 凝结水泵是凝结水系统的重要动力设备，它的作用是把凝汽器中的凝结水打入低压加热器加热后送入除氧器内，是变频拖动对象。在电厂应用中，凝结水泵工频实际运行时均偏离经济运行工况，机

2、组带部分负荷时偏离更远，电动机电能浪费严重。变频调速装置可以使凝结水泵处于最佳运行状态，大大提高运行效率，达到节能的目的。我国已对变频调速技术进行了一定的研究，主要用于中、小型设备上，如给煤机、给粉机、中、小型风机、水泵及其它领域等，并得到了广泛的推广和应用。目前高电压大功率电动机的变频调速装置也在推广之中。我公司的 300MW 机组凝结水泵，通过技术改造, 大胆使用了高压变频器 ,获得了很好的经济效益,并取得了一定的经验。1 变频器节能原理异步感应电动机的转速 n 与电源频率 f、转差率 s、电机极对数 p 三个参数有如下关系：改变 f、s、p 其中任何一个参数都可以实现转速的改变。变频器是

3、通过改变电源频率 f 的方式来改变电动机转速的。在异步感应电动机的设计制造完成后,虽然在带负载运行过程中由于负载变化，滑差率会略有变化，但是由于凝结水泵对转速精度要求不高，因此可以近似认为水泵转速与其拖动电机定子频率成线性关系。正是因为变频器优良的调速性能，变频调速成为当今调速应用的生力军。随着科学技术的不断发展, 高电压大功率半导体器件和高速度控制芯片的出现，高压变频器应运而生，使发电厂大型辅机的调速运行成为现实。从而省过去由于阀门、挡板节流等带来的功率损失，达到节能的目的,提高了发电企业的经济效益。对于水泵,由流体动力学理论可以知道，流量与转速的一次方成正比;扭矩与转速二次方成正比;而泵的

4、功率则与转速的三次方成正比。用 n、 N 分别表示转速和功率,脚标“0“均表示额定工况参数。当流量由额定值 Q0 降至 Q 时，与额定功率 N0 比较，采用转速调节的电机的功耗为：即当流量由 100%降到 70%，则转速相应降到 70%，而电机的功耗降到额定功耗的 34.3% ，也就是节约电能 65.7%。扣除阀门调节时的功耗与额定功耗的差、转速下降引起电机的效率下降等因素，节电效果也是非常显著的，实际运行节能统计接近理论计算值。2 HARSVERT-A 变频器原理及性能我公司变频改造凝结水泵功率为 1000KW，采用变频器型号为 HARSVERT-A06/130 变频器,系统结构见图 1,由

5、移相变压器、功率单元和控制器组成。中国电力（http:/）图 1 6kV 变频器系统结构图移相变压器将 6kV 厂用电降压后向各功率单元供电，副边绕组分成三组，采用多级移相叠加的 42 脉冲整流方式，使 6kV 厂用电侧（输入侧）的电流波形大大改善，在负载情况下输入侧的功率因数接近于 1，可以减少无功功率引起的厂用电系统的电能损耗。功率单元为模块化结构，电路结构见图 2。每个功率模块结构及电气性能完全一致，可以互换。整流侧为二极管三相全桥，控制 IGBT（绝缘门控双级晶体管）逆变桥正弦输出 PWM（脉冲宽度调制）波形,输出凝结水泵所需频率的单相交流电，其波形见图 3。图 2 功率单元电路结构

6、图 3 单元输出的 PWM 波形三串（即三相）各串联七个额定电压为 460V 的功率单元 Y 型接法输出 06kV 变频电压向凝结水泵电动机供电。同一相各串联功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，且载波之间互相错开一定电角度，实现多电平 PWM，使输出电压和电流接近正弦波（见图 4 与图 5）。因此，dv/dt 很小，总的谐波电流失真低于 4%，可直接用于普通异步电动机。每个功率单元产生 1/7 的相电压，输出电动机所需的电流和 1/21 的电功率。当某个单元发生故障时，系统可自动将该单元和其他两相对应的单元旁路，使变频器降输出电压运行。采用变频调速后，凝结水泵电动机消耗的电功率至少比电动机的

7、额定功率低 38%，因此旁路两级功率模块降电压运行也完全能满足输送凝结水的要求，提高了凝结水泵输水的可靠性。中国电力（http:/）控制器由高速单片机、工控 PC 和 PLC 共同构成。高压主回路与控制器之间为光纤连接，并设有精确的故障报警保护，具有电力电子保护和工业电气保护功能，保证变频器和电动机安全可靠的运行。3 凝结水泵变频改造方案我公司 300MW 机组配备 2 台 100%容量的凝结水泵, 型号 9LDTN-7，额定流量 1000m3/h，扬程 240m，转速 1480rpm，配用 1000KW 的异步电动机,阀门调节。现增设 HARSVERT-A06/130 高压变频器，实现 05

8、0Hz 无级调速，功耗随机组负荷变化而变化，进而提高设备利用率，达到最佳经济运行模式的目的。改造遵循“最小改动，最大可靠性，最优经济性“的原则。变频器选型及参数：系统改造方案如图 6。为了充分保证系统的可靠性，为变频器同时加装工频旁路装置，变频器异常时，变频器停止运行，电机可以直接手动切换到工频运行状态下运行。工频旁路由 3 个高压隔离开关 QS1、QS2 和 QS3 组成（见左图，其中 QF 为甲方原高压开关柜内的断路器）。要求 QS2 和 QS3 不能同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1 和 QS2 闭合，QS3 断开；工频运行时，QS3 闭合，QS1 和 QS2 断开。中国电力

9、（http:/）为了实现变频器故障的保护，变频器对用户开关 QF 进行连锁，一旦变频器故障，变频器跳开 QF，要求用户对 QF 的合分闸电路进行适当改造。并且两台凝结水泵是一备一用，当变频泵跳闸时，联启工频备用泵，不会影响凝结水系统正常工作。变频泵工频旁路时，变频器始终允许 QF 合闸，撤消对 QF 的跳闸信号，使电机能正常通过 QF 合闸工频启动。图 6当凝结水泵变频运行后，改造前调节凝结水流量的调节阀门完全打开，凝结水再循环系统关闭，并由变频器或 DCS 系统控制凝结水泵的电动阀门，实现变频水泵与电动阀门的联动。联动逻辑关系为：变频水泵启动前，阀门应关严；DCS 向变频器发出启动指令后，水

10、泵转速逐渐加快，泵口水压相应升高，当泵口水压大于阀外侧管网水压时，变频器发出开阀指令，阀门打开；当阀门开全后向变频器返回阀门开全信号，变频器进入正常运行状态。当变频水泵停机时，有两种状态，一种是变频器正常停机，一种是事故急停，正常停机时，DCS 向变频器发出停机指令，变频器收到停机指令后先发出关阀指令，阀门开始关闭，当阀门关严后向变频器发出阀门关严信号，变频器接到阀门关严信号后再开始停机，直到变频水泵转速降为零；变频器事故停机时，同时向阀门发出关阀指令。4 使用变频器的效益分析由于凝结泵采用定速运行，出口流量只能由控制阀门调节，节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低，且经常发生泄漏，造成

11、能源浪费。而且由于控制阀门为电动机械调整结构，线性度不好、调节品质差、自动投入率低；频繁的开关调节，容易出现各种故障，使现场维护量增加，造成各种资源的浪费。4.1 节约电能效果显著下面是对本机改造前后的电流做纵向比较的部分运行数据，可以发现电流减小许多。下面是某月的电能统计，做一个同类机组的横向比较，可以看出凝泵用电减少许多。中国电力（http:/）以每台机组年发电量 20 亿千瓦时计算，使用变频器可节约厂用电 261 万千瓦时，以平均电价 0.22 元/KWH 计算每台可节约 57.42 万元。4.2 减少电机启动时的电流冲击电机直接启动时的最大启动电流为额定电流的 7 倍；星角启动为 4.

12、5 倍；电机软启动器也要达到 2.5 倍。观察变频器起动的负荷曲线，可以发现它启动时基本没有冲击，电流从零开始，仅是随着转速增加而上升，不管怎样都不会超过额定电流。因此凝泵变频运行解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低日常的维护保养费用。4.3 延长设备寿命使用变频器可使电机转速变化沿凝泵的加减速特性曲线变化，没有应力负载作用于轴承上，延长了轴承的寿命。同时有关数据说明，机械寿命与转速的倒数成正比，降低凝泵转速可成倍地提高凝泵寿命，凝泵使用费用自然就降低了。4.4 降低噪音我厂凝结水泵改用变频器后，降低水泵转速运行的同时，噪音将大幅度地降低，当转速降低50%时，噪音可减少十几个绝对分贝。同时消除了停车和启动时的打滑和尖啸声，克服了由于调门线性度不好，调节品质差，引起管道锤击和共振，造成给水系统上水管道强烈震动的缺陷，凝结水泵变频运行后，噪音、振动都大为减少，变化相当可观。总之，300MW 汽轮发电机组凝泵推广使用变频调速器，可以大幅度降低厂用电率，减少发电成本，提高竞价上网的竞争能力。 中国电力（http:/）中国电力（http:/）