超超臨界1 000 MW機(jī)組凝結(jié)水泵及高壓變頻器的計(jì)算與選型

金利勤，曹華芬，王家軍，王劍平

（1.浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江 嘉興 314201；2.浙江省科學(xué)技術(shù)廳，杭州 310006；3.杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化研究所，杭州 310018）

隨著電網(wǎng)的擴(kuò)大、機(jī)組裝機(jī)容量的增加以及負(fù)荷峰谷差的拉大，大型發(fā)電機(jī)組也要參加調(diào)峰運(yùn)行，而為滿(mǎn)負(fù)荷設(shè)計(jì)的大型輔機(jī)工況調(diào)節(jié)方法不適合調(diào)峰運(yùn)行方式，導(dǎo)致輔機(jī)和驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)都工作在低效率區(qū)域，造成大量的能源浪費(fèi)，而且隨著啟停次數(shù)的增多對(duì)輔機(jī)、電動(dòng)機(jī)及電網(wǎng)的沖擊也更頻繁[1-2]。

在火力發(fā)電廠(chǎng)中，各類(lèi)泵和風(fēng)機(jī)的用電量占火力發(fā)電廠(chǎng)自用電量的85%左右。以浙江某發(fā)電廠(chǎng)為例，2臺(tái)1 000 MW機(jī)組的大容量電動(dòng)機(jī)基本配置為：引風(fēng)機(jī)2×7 200 kW，送風(fēng)機(jī)2×2 600 kW，一次風(fēng)機(jī)2×4 100 kW，增壓風(fēng)機(jī)2×3 150 kW，凝結(jié)水泵2×2 550 kW，循環(huán)水泵2×2 800 kW，磨煤機(jī)2×1 050 kW。2臺(tái)機(jī)組的各種電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)容量為7.6萬(wàn)kW，占到總發(fā)電量的3.8%，年耗電量為4.8億kWh。

配置高壓變頻器作為發(fā)電廠(chǎng)節(jié)能的首選，在當(dāng)前節(jié)能減排的大形式下已經(jīng)顯得非常必要，特別是超超臨界1 000 MW機(jī)組成為發(fā)電企業(yè)的主流機(jī)組時(shí)，高壓變頻器的應(yīng)用更加不可缺少。

以下就浙江某發(fā)電廠(chǎng)超超臨界1 000 MW機(jī)組，給出了凝結(jié)水泵及電動(dòng)機(jī)高壓變頻器的計(jì)算與選型。

1 凝結(jié)水泵及其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型

凝結(jié)水泵是火力發(fā)電廠(chǎng)主要?jiǎng)恿υO(shè)備之一，凝結(jié)水泵的選型是否合理，不僅直接影響機(jī)組整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，而且對(duì)機(jī)組整體安全性也有重大影響。DL 5000-2000《火力發(fā)電廠(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[3]規(guī)定：凝結(jié)水泵容量為最大凝結(jié)水量再加10%的裕量；最大凝結(jié)水量為汽輪機(jī)最大進(jìn)汽工況時(shí)的凝汽量、進(jìn)入凝汽器的經(jīng)常疏水量與進(jìn)入凝汽器的正常補(bǔ)給水量的總和。

根據(jù)超超臨界1 000 MW機(jī)組的汽輪機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范和基本熱力參數(shù)，凝結(jié)水泵采用一運(yùn)一備的方式，凝結(jié)水泵的型號(hào)為T(mén)DM-VB5，為立式多級(jí)筒袋形泵，級(jí)數(shù)為5級(jí)，最大流量為2 382 m3/h，額定流量為1 850 m3/h，最大揚(yáng)程為330 m，轉(zhuǎn)速為992 r/min，泵的效率為84%。凝結(jié)水泵系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 凝結(jié)水泵系統(tǒng)布置圖

凝結(jié)水泵的功率PB為：

式中：ρ為水的密度（常溫為998.2 kg/m3）；g為重力加速度；H為最大揚(yáng)程；Q為額定流量；η1為泵的效率。

由式（1）可以計(jì)算出凝結(jié)水泵的額定功率為1 975 kW。

凝結(jié)水泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的額定功率PM為：

式中：常數(shù)1.1是留出的一定裕量。

由式（2）可以計(jì)算出凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)的功率為2 173 kW。

凝結(jié)水泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的額定輸入功率PM為：

式中：η2為電動(dòng)機(jī)的效率。

如果電動(dòng)機(jī)的效率按照97%計(jì)算，則由式（3）可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的額定輸入功率為2 240 kW。

根據(jù)以上的計(jì)算，選擇上海電機(jī)廠(chǎng)制造的電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為YBPLKS800-6，額定電壓為6 kV，額定電流為245 A，額定轉(zhuǎn)速為992 r/min，額定輸出功率為2 175 kW，額定輸入功率為2 550 kW。

2 高壓變頻器及其相關(guān)設(shè)備的選型

2.1 高壓變頻器

高壓變頻器是指輸入電源電壓在3 kV以上的大功率變頻器，主要電壓等級(jí)有3 000 V，3 300 V，6 000 V，6 600 V，10 000 V等。

高壓變頻器由多個(gè)變頻器模塊串聯(lián)，輸入和輸出均為高壓，主要用于大功率高壓電機(jī)的變頻調(diào)節(jié)，基本原理框圖如圖2所示。

圖2 高壓變頻器原理框圖

高壓變頻器的主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）多電平PWM控制，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的階梯近似正弦波和電流正弦波，降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。同時(shí)降低了電機(jī)噪音，延長(zhǎng)了電機(jī)使用壽命。

（2）功率單元的多單元串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足不同級(jí)別的高壓電機(jī)對(duì)于電源的要求，提高電源逆變的質(zhì)量。

（3）實(shí)現(xiàn)了高壓大功率電機(jī)的高效變頻運(yùn)行，減少了凝泵的截流環(huán)節(jié)，降低了設(shè)備成本，同時(shí)對(duì)于企業(yè)的節(jié)能降耗具有重要的意義。

2.2 高壓變頻器選型應(yīng)注意的問(wèn)題

為了提高高壓變頻器的性?xún)r(jià)比，并且實(shí)現(xiàn)高壓變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行，高壓變頻器在選擇的過(guò)程中必須注意如下3個(gè)問(wèn)題：

（1）應(yīng)避免使用過(guò)高電壓等級(jí)的高壓變頻器。選擇過(guò)高的電壓等級(jí)會(huì)使投資過(guò)高，回收期延長(zhǎng)。電壓等級(jí)提高后，電機(jī)的絕緣也必須提高，使電機(jī)價(jià)格增加，也使變頻器中電力半導(dǎo)體器件的串聯(lián)數(shù)量加大，增加了成本。

（2）為了減小諧波，變頻器輸入側(cè)都有輸入變壓器。既然輸入側(cè)有變壓器，變頻器和電機(jī)的電壓就沒(méi)有必要和電網(wǎng)一樣，非用10 kV和6 kV不可，功率2 500 kW以下的電機(jī)電壓可以不超過(guò)3 kV。

（3）為減少高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)諧波污染，從實(shí)用角度分析，整流橋組成12相整流可消除5和7次諧波，已基本滿(mǎn)足電網(wǎng)諧波要求。400～800 kW的變頻器采用12相整流即可，而1 000～3 000 kW的變頻器采用18相即可符合要求。

2.3 高壓變頻器的選型

發(fā)電廠(chǎng)高壓變頻器的選型通常要注意負(fù)載類(lèi)型、額定容量、額定電壓、額定電流和負(fù)荷情況等問(wèn)題。

（1）高壓變頻器容量的選擇：超超臨界1 000 MW凝結(jié)水泵要求有很高的可靠性，因此高壓變頻器相對(duì)于電動(dòng)機(jī)要求具有更大的容量裕量，選擇：

式中：PInv是指高壓變頻器的額定功率；V為供電電壓；I為電流。

由式（4）可以計(jì)算出變頻器的功率范圍應(yīng)該為 3 570～3 825 kW。

（2）高壓變頻器的額定電壓通常為6 kV或10 kV，為了保證廠(chǎng)用電電壓的統(tǒng)一性，凝結(jié)水泵高壓變頻器額定電壓選擇為6 kV。

（3）高壓變頻器的輸出電流必須能夠滿(mǎn)足凝結(jié)水泵電機(jī)電流的要求，同時(shí)要能夠保證電動(dòng)機(jī)一定的過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)限。高壓變頻器的電流選擇：

其中：IInv是變頻器的額定電流；IM是凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)的額定電流。

由式（6）可以計(jì)算出高壓變頻器的額定電流范圍為 367.5～404.25 A。

（4）根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，凝結(jié)水泵長(zhǎng)期運(yùn)行于額定負(fù)荷的時(shí)間不到全年的5%，即凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行于連續(xù)低負(fù)荷狀態(tài)，絕大部分時(shí)間運(yùn)行于65%～85%額定負(fù)荷?？紤]到凝結(jié)水泵電機(jī)電流的設(shè)計(jì)選擇裕量，高壓變頻器額定電流可以適當(dāng)下降5%：

由式（7）可以計(jì)算出凝結(jié)水泵高壓變頻器的電流范圍為349～384 A。

2.4 高壓變頻器的選型

當(dāng)前高壓變頻器比較知名的國(guó)際品牌有ABB、西門(mén)子、三菱、東芝、艾默生和羅賓康等，國(guó)內(nèi)知名品牌有北京利德華福、廣州智光、榮信、東方日立和沈陽(yáng)斯威爾等。在控制單元的設(shè)計(jì)方面國(guó)內(nèi)高壓變頻器的性能已經(jīng)接近國(guó)際高端水平，然而在功率器件的設(shè)計(jì)方面還與國(guó)外品牌存在較大的差距。

為了保證與發(fā)電廠(chǎng)內(nèi)其他機(jī)組的兼容性，同時(shí)也兼顧超超臨界機(jī)組凝結(jié)水泵系統(tǒng)控制的性?xún)r(jià)比，決定選擇東芝品牌的高壓變頻器，東芝高壓變頻器在發(fā)電廠(chǎng)的使用情況如表1所示。

表1 發(fā)電廠(chǎng)使用東芝高壓變頻器的情況

根據(jù)凝結(jié)水泵要求，按照前面的選擇和計(jì)算原則，同時(shí)結(jié)合東芝高壓變頻器系列的特性，凝結(jié)水泵高壓變頻器基本數(shù)據(jù)的選擇如表2所示。高壓變頻器器與凝結(jié)水泵電機(jī)的A與B側(cè)的接線(xiàn)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

2.5 輔助電氣設(shè)備的選擇

凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)的變頻運(yùn)行除了需要安裝高壓變頻器，同時(shí)也需要相關(guān)的輔助電氣設(shè)備，其中旁路柜和進(jìn)線(xiàn)變壓器的合理選擇對(duì)于凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行也具有重要意義。旁路柜的作用主要是防止在高壓變頻器故障時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)凝結(jié)水泵的工頻旁路運(yùn)行，以保證發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，旁路柜參數(shù)如表3所示，高壓變頻器的進(jìn)線(xiàn)變壓器選擇與高壓變頻器相配套的設(shè)備。

表2 高壓變頻器基本數(shù)據(jù)

圖3 高壓變頻器接線(xiàn)圖

表3 旁路柜的數(shù)據(jù)

3 高壓變頻器的節(jié)能效果分析

計(jì)算條件：電動(dòng)機(jī)的效率為97%，高壓變頻器的效率為98.5%，額定流量時(shí)電機(jī)的軸功率為2 175 kW，年運(yùn)行時(shí)間為8 000 h，100%流量的時(shí)間為總運(yùn)行時(shí)間20%，70%流量的時(shí)間為50%，50%流量的時(shí)間為30%，以下P100，P70，P50分別代表流量為100%，75%和50%時(shí)的功率。

（1）閥門(mén)調(diào)節(jié)時(shí)的電量：

P100＝2 175/0.97＝2 242 kW

P70＝2 175×0.7×（1.4-0.4×0.72）/（0.97×0.985）＝1 889.7 kW

P50＝2 175×0.5×（1.4-0.4×0.52）/（0.97×0.985）＝1 457.5 kW

年耗電量：

8 000×（2 276×0.2+1 918.5×0.5+1 479.7×0.3）＝14 643 876.8 kWh

（2）變頻時(shí)的電量：

P100＝2 175/（0.97×0.985）＝2 276 kW P70＝2 175×0.73/（0.97×0.985）＝780.8 kW P50＝2 175×0.53/（0.97×0.985）＝294.5 kW年耗電量：

8 000×（2 276×0.2+780.8×0.5+294.5×0.3）＝7 471 600 kWh

（3）年節(jié)電率：（14 643 876.8-7 471 600）/14 643 876.8＝49%

4 結(jié)論

針對(duì)浙江某發(fā)電廠(chǎng)兩臺(tái)超超臨界1 000 MW機(jī)組凝結(jié)水泵高壓變頻器及其相關(guān)電氣設(shè)備的選型，給出了初步的設(shè)計(jì)方案，高壓變頻器合理選型對(duì)于發(fā)電廠(chǎng)降低廠(chǎng)用電率，提高發(fā)電的效率具有重要的意義，同時(shí)也符合國(guó)家節(jié)能降耗的發(fā)展趨勢(shì)。

[1]俞振華.GW級(jí)機(jī)組凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行性能分析[J].中國(guó)電力，2010，43（7）∶53-56.

[2]趙利.風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)負(fù)載調(diào)速變頻器的選擇[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2007,34（8）∶39-41.

[3]DL 5000-2000火力發(fā)電廠(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S]．北京：中國(guó)電力出版社，2001.