變頻器在莊河發(fā)電廠凝泵電機(jī)上的應(yīng)用

徐淑新，朱紅玉，呂廣飛

(1.國電莊河發(fā)電廠，遼寧大連 116431;2.內(nèi)蒙古電科院，內(nèi)蒙古包頭 014040)

0 引言

國電電力大連莊河發(fā)電廠2×600MW超臨界機(jī)組，2007年投產(chǎn)。隨著遼寧電網(wǎng)火電裝機(jī)容量的快速增長，2臺機(jī)組經(jīng)常運(yùn)行在有功功率300～400MW工況下。高壓廠用電為6kV電壓等級，全部6kV風(fēng)機(jī)類及泵類電機(jī)額定功率都是按照機(jī)組有功功率600MW工況下設(shè)計的并留有一定的裕量。在機(jī)組低負(fù)荷時各電機(jī)依然以額定轉(zhuǎn)速輸出額定功率，所以要通過調(diào)節(jié)管道入口或出口的擋板、閥門開度來降低給風(fēng)量及給水量，大量的能源都消耗在擋板、閥門的截流過程中，同時擋板、閥門的材料及維修人力消耗也較大。隨著變頻技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用變頻器調(diào)節(jié)，可使電機(jī)按著發(fā)電機(jī)實際負(fù)荷需要的給風(fēng)量及給水量降低轉(zhuǎn)速運(yùn)行而輸出較小的功率，可節(jié)約大量的電能并減少閥門和擋板的損壞。

1 凝結(jié)水泵高壓電機(jī)變頻器的選型

目前，電力系統(tǒng)中運(yùn)行的高壓變頻器一般可以分為國產(chǎn)和進(jìn)口兩種類型，進(jìn)口品牌主要以三菱、ABB、西門子為主，而國產(chǎn)品牌較多，生產(chǎn)區(qū)域集中在北京、福建、廣東等地。國產(chǎn)的高壓變頻器多以串聯(lián)多重化技術(shù)為基礎(chǔ)，部分開始采用IGBT器件，適合節(jié)能調(diào)速;功率等級較低，一般不超過3500kW。

通過認(rèn)真研究，從產(chǎn)品質(zhì)量、性能、售后服務(wù)及改造成本等綜合考慮，確定采用北京利得華福電氣技術(shù)有限公司HARSVERT－A系列變頻器。變頻器主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 變頻器主要技術(shù)參數(shù)

2 變頻器的工作原理

2.1 系統(tǒng)原理

HARSVERT－A06/240高壓變頻器由移相變壓器、功率單元和控制器組成。有15個功率單元，每5個功率單元串聯(lián)成一相。每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制。輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成42脈沖整流方式，這種多級移相疊加的整流方式大大改善了電網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。另外，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個功率單元的主回路相對獨(dú)立。輸出側(cè)由每個單元的U/V輸出端子相互串聯(lián)而成星型接法給電機(jī)供電，通過對每個單元的PWM波形進(jìn)行重組，得到階梯PWM波形。

控制器核心由高速單片機(jī)來實現(xiàn)，精心設(shè)計的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能?？刂破鬟€包括1臺內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)上采用VME標(biāo)準(zhǔn)箱體結(jié)構(gòu)，各控制單元板采用EPGA、GPLD等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)可靠性高。另外，控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術(shù)，具有級高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。

2.2 主要特點

(1)可保證低電壓穿越時，凝結(jié)水泵電機(jī)不停機(jī)。遼寧電網(wǎng)連續(xù)發(fā)生在電網(wǎng)故障電壓下降時，并網(wǎng)發(fā)電廠輔機(jī)變頻器停止運(yùn)行造成機(jī)組停機(jī)事故，為此遼寧電網(wǎng)公司對并網(wǎng)發(fā)電廠變頻器提出了防止低電壓穿越時防止誤動的改造通知，以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本裝置在低電壓－10% ～－35%時延時20s跳閘。由于電網(wǎng)電壓恢復(fù)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于20s，所以可保證低電壓穿越時凝結(jié)水泵電機(jī)不停機(jī)。另外6kV主電源欠壓時可不停機(jī)，自動降轉(zhuǎn)速，電壓正常后再恢復(fù)到原來速度。

(2)裝置采用 U/f=C控制方式，通過調(diào)整PWM系數(shù)調(diào)整C的大小。由于泵類負(fù)載是典型的平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，低速下負(fù)載非常小，并與轉(zhuǎn)速的平方成正比。所以電機(jī)轉(zhuǎn)速低時，電機(jī)輸入端的電壓按比例降低，消耗的電功率大大降低。啟動電流小于電機(jī)的額定電流，電機(jī)啟動時間可連續(xù)可調(diào)，減少了對電網(wǎng)影響。

(3)變頻器工控機(jī)裝有全中文操作的監(jiān)控軟件，可在本機(jī)就地操作也可遠(yuǎn)程操作。功能設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、故障查詢、運(yùn)行記錄查詢等均采用全中文的WINDOWS操作界面。

3 變頻器的安裝與調(diào)試

3.1 變頻器的安裝

變頻器功率管是大功率控制原件，發(fā)熱量較大，隨環(huán)境溫度的升，高變頻器的故障率急劇上升，必須嚴(yán)格控制變頻室溫度在0℃ ～40℃之間。因此變頻室應(yīng)封閉，為保證環(huán)境溫度及濕度，安裝了3臺空調(diào)，二用一備，并配有溫度計和濕度計。動力電纜和控制電纜應(yīng)分層鋪設(shè)，電氣控制電纜要兩端屏蔽接地;熱控控制電纜在DCS控制柜側(cè)單端接地。

3.2 變頻器的調(diào)試

通過工控機(jī)完成以下系統(tǒng)功能設(shè)置:運(yùn)行方式選擇手動方式，給定頻率完全由用戶手動設(shè)定;啟動方式選擇為正常啟動，此時變頻器開環(huán)運(yùn)行于設(shè)定頻率;運(yùn)行方式選擇為開環(huán)運(yùn)行模式，變頻器的運(yùn)行頻率由外部DCS模擬信號直接給定;頻率設(shè)定選擇為模擬給定，接受外部DCS模擬信號，經(jīng)過模數(shù)處理后得到給定頻率;上位機(jī)控制選擇遠(yuǎn)方DCS控制;柜門聯(lián)鎖設(shè)置為允許，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行時打開柜門報警，可維持運(yùn)行而不跳閘。

通過工控機(jī)完成以下參數(shù)設(shè)置:超溫設(shè)置，設(shè)置模塊溫度跳閘值80℃為當(dāng)模塊溫度超過此值時，即發(fā)出超溫跳閘;變頻器輸出的最低頻率為30Hz，最高頻率為50Hz;加速時間設(shè)置太短則電機(jī)加速過程容易過流，所以根據(jù)實際工況調(diào)整為130s;減速時間太短可能導(dǎo)致過流及功率單元過電壓故障，所以根據(jù)實際工況調(diào)整為150s;電機(jī)參數(shù)設(shè)置，輸入電機(jī)實際的額定電流、額定功率、電機(jī)級數(shù)。

3.3 調(diào)試的重點檢查內(nèi)容

(1)變頻裝置輸出電流諧波實測數(shù)值為1.4%，實際檢測凝結(jié)水泵運(yùn)行確保沒有諧振及異音。

(2)變頻裝置對電網(wǎng)反饋的電流諧波的實測值為1.8%，觀察6kV其他高壓廠用電機(jī)及負(fù)載的運(yùn)行情況。

(3)嚴(yán)格防止變頻與工頻并列運(yùn)行，如果運(yùn)行不當(dāng)將變頻器輸出的變頻電壓串入6kV廠用電將造成嚴(yán)重事故，所以要對各開關(guān)互鎖邏輯進(jìn)行嚴(yán)密的試驗。QS1和QS2互鎖:QS1和QS2只能有一個刀閘處于合位，電氣、機(jī)載雙重閉鎖;QS1合閘后應(yīng)閉鎖QF1開關(guān);QS2合閘后應(yīng)閉鎖QF3開關(guān)。

(4)變頻器重故障時退出變頻運(yùn)行方式自動轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行方式，凝結(jié)水系統(tǒng)能滿足運(yùn)行工況。

4 凝結(jié)泵變頻改造后運(yùn)行方式

4.1 電氣一次系統(tǒng)運(yùn)行方式

莊河電廠每臺機(jī)組配有2臺2000kW的凝結(jié)水泵電機(jī)，1臺電機(jī)可滿足機(jī)組滿載下凝結(jié)水系統(tǒng)的運(yùn)行。電氣一次系統(tǒng)包括:凝結(jié)水系統(tǒng)高壓開關(guān)QF1/QF2/QF3、真空接觸器 KM1/KM2、變頻器、變壓器QS1/QS2刀闡。正常電機(jī)運(yùn)行在變頻方式，變頻器故障時自動切換到另一臺電機(jī)工頻運(yùn)行方式。如甲電機(jī)變頻運(yùn)行時，乙電機(jī)工頻備用狀態(tài):QF1處停電狀態(tài)，QS2分閘位;合 QS1，合 KM1，合 QF2，啟動變頻器，甲電機(jī)變頻運(yùn)行，QF3熱備用狀態(tài)。當(dāng)甲電機(jī)變頻運(yùn)行故障時變頻器發(fā)出故障指令跳開QF2、KM2，聯(lián)合QF3乙電機(jī)工頻運(yùn)行。乙電機(jī)變頻運(yùn)行時，甲電機(jī)工頻備用狀態(tài)。

4.2 繼電保護(hù)運(yùn)行方式

工頻運(yùn)行時，QF1開關(guān)、QF3開關(guān)配置電動機(jī)保護(hù)。為實現(xiàn)變頻運(yùn)行時電動機(jī)保護(hù)退出運(yùn)行，變頻器故障自動切換到工頻運(yùn)行時電動機(jī)保護(hù)自動投入，由KM1、KM2開關(guān)輔助接點控制QF1開關(guān)、QF3開關(guān)保護(hù)的投退。由于變頻運(yùn)行時，電機(jī)中性點的變頻電流流入差動繼電器，使得差動繼電器一直處于動作狀態(tài)，誤發(fā)動作信號，所以在電動機(jī)保護(hù)裝置軟件中做了邏輯修改，變頻工作狀態(tài)時，差動保護(hù)退出工作變頻運(yùn)行時，QF2配置變壓器保護(hù)裝置1臺，保護(hù)范圍伸到變頻器變壓器低壓側(cè)。電動機(jī)保護(hù)由變頻器內(nèi)設(shè)的保護(hù)來實現(xiàn)。

4.3 凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行方式

變頻器運(yùn)行時，通過調(diào)節(jié)凝結(jié)泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)凝結(jié)水流量，控制除氧器水位。旁路門關(guān)閉，其他調(diào)門置于全開位置。工頻運(yùn)行時，在低負(fù)荷階段采用旁路調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位，達(dá)到一定負(fù)荷后采用除氧器水位調(diào)節(jié)閥來控制除氧器水位。

4.4 DCS 邏輯控制

凝結(jié)水泵變頻器作為凝結(jié)水控制系統(tǒng)DCS的一個執(zhí)行器，最終需要由DCS實現(xiàn)凝結(jié)水系統(tǒng)高壓開關(guān) QF1/QF2/QF3、真空接觸器 KW1/KW2、除氧器水位的控制。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

莊河電廠1號機(jī)組凝結(jié)水泵電機(jī)變頻改造于2009年8月完成，2號機(jī)組凝結(jié)水泵電機(jī)變頻改造于2009年10月完成。通過實際計量，我們?nèi)]有進(jìn)行變頻改造前的一組數(shù)據(jù)和變頻改造后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，其結(jié)果見表2。

表2 凝結(jié)水泵電機(jī)變頻改造前后對比分析

從表2可知，凝結(jié)水泵電機(jī)變頻改造后，電廠每發(fā)1萬kW·h電量，可節(jié)約用電11kW·h。變頻室內(nèi)安裝2臺15kW空調(diào)，冬天溫度低時可以退出運(yùn)行。按每年360天一直在運(yùn)行計算空調(diào)消耗電量為259200kW·h，按年發(fā)電60億kW·h計算可以節(jié)電6340800kW·h，按照上網(wǎng)電價0.42元/kW·h計算，年節(jié)約費(fèi)用266.3萬元，效益顯著。

6 結(jié)語

國電電力大連莊河電廠2臺機(jī)組凝結(jié)水泵電機(jī)變頻改造后，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著。變頻器在電廠凝結(jié)水泵上的應(yīng)用，說明國產(chǎn)高壓變頻設(shè)備是成熟可靠的，要想保證改造后系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，變頻器必須運(yùn)行在清潔、通風(fēng)良好、干燥的室內(nèi)?？蓪﹄姀S運(yùn)行在非滿負(fù)荷區(qū)間的其他泵類、風(fēng)機(jī)進(jìn)行綜合分析，在保證諧波污染不造成電能質(zhì)量超標(biāo)、機(jī)械設(shè)備運(yùn)行區(qū)間不發(fā)生異常振動的前提下進(jìn)行變頻改造。變頻器在發(fā)電廠要運(yùn)行良好，用戶的使用、調(diào)試、維護(hù)也是非常關(guān)鍵的，必須引起高度重視。

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