高壓變頻技術(shù)在1000 MW機(jī)組凝結(jié)水泵節(jié)能改造中的應(yīng)用

劉宏宇，王麗英，宗艷霞

(華電國際鄒縣發(fā)電廠，山東 鄒城 273522)

1 問題的提出

華電國際鄒縣發(fā)電廠(以下簡稱鄒縣電廠)一直堅持提高機(jī)組效率、降低資源消耗、改善周邊環(huán)境的發(fā)展方向，是首批獲得國家“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”稱號的火力發(fā)電企業(yè)之一。高壓變頻調(diào)速技術(shù)是最近發(fā)展起來的重要節(jié)能和環(huán)保技術(shù)，由于其卓越的調(diào)速性能、完善的保護(hù)功能、顯著的節(jié)能效果和簡單易行的自動調(diào)節(jié)特性，在電力系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備采用變頻調(diào)速實現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行是國家節(jié)能的一項重點推廣技術(shù)。通過技術(shù)進(jìn)步和設(shè)備改造實現(xiàn)設(shè)備節(jié)能是現(xiàn)代火力發(fā)電企業(yè)降低廠用電率、提高機(jī)組效率的首要選擇［1－2］。鄒縣電廠在2臺1 000 MW機(jī)組凝結(jié)水泵系統(tǒng)中選用SH－HVF高壓變頻調(diào)速改造方案，經(jīng)過長時間的運(yùn)行考驗，改造后的1000 MW機(jī)組凝結(jié)水泵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，降低了廠用電率，節(jié)能效果顯著。

2 凝結(jié)水泵系統(tǒng)

凝結(jié)水泵是汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)中的主要輔機(jī)設(shè)備之一，它的作用是將凝汽器中的凝結(jié)水吸出。系統(tǒng)升壓后經(jīng)低壓加熱器加熱送到除氧器，以維持除氧器水位的穩(wěn)定，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，凝汽器中的水位根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)整，負(fù)荷增加，凝結(jié)水量也增加，凝汽器水位隨之升高，反之，凝汽器水位降低。鄒縣電廠1000 MW機(jī)組配有3臺50%容量的立式凝結(jié)水泵，2臺投入運(yùn)行，1臺聯(lián)鎖備用。

2.1 改造前運(yùn)行狀況

改造前凝結(jié)水泵采用定速交流電動機(jī)拖動，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷和除氧器水位的變化，通過除氧器水位控制除氧器上水調(diào)閥來調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵出口流量。為保證凝結(jié)水母管壓力穩(wěn)定，通過凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)凝結(jié)水母管壓力。這種控制方式在節(jié)流時損耗大，回流造成能量浪費，凝結(jié)水泵效率低。凝結(jié)水泵電動機(jī)工作電壓為10kV，功率大，啟、停電動機(jī)時對母線的沖擊較大。

2.2 凝結(jié)水泵調(diào)節(jié)節(jié)能

由流體力學(xué)的基本定律可知:水泵在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后流量、水壓、功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為

式中:qV為水泵流量;h為揚(yáng)程;n為水泵轉(zhuǎn)速，P為軸功率。

由上式可知:流量qV與轉(zhuǎn)速n成正比，揚(yáng)程h與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功率P與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與供電頻率f成正比，因而通過改變電動機(jī)的供電頻率，可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)水泵出口的流量，而變頻調(diào)速技術(shù)就是通過改變電動機(jī)的供電頻率來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制，從而實現(xiàn)對水泵流量的控制。

3 高壓變頻技術(shù)

3.1 變頻調(diào)速原理

由電機(jī)學(xué)可知，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為

式中:n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速;f為電動機(jī)定子供電頻率;s為轉(zhuǎn)差率;ρ為電動機(jī)極對數(shù)。

由式(5)可知，電動機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入電源頻率成正比，通過改變輸入電源的工作頻率，就可以平滑地調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻器就是基于這一原理，利用電力電子器件、先進(jìn)的控制技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)手段生產(chǎn)出的一種節(jié)能性的電氣產(chǎn)品。

3.2 高壓變頻器

凝結(jié)水泵改造選用的是國產(chǎn)SH－HVF系列高壓變頻器，它采用直接高高變換的方式和多電平串聯(lián)倍壓的技術(shù)方案及其優(yōu)化的脈沖寬度調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)控制算法，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)可變頻變壓(VVVF)的正弦電壓和正弦電流的輸出。

3.2.1 高壓變頻器的控制

高壓變頻器的控制部分由、可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)、主控制器、旁路控制器、智能操作面板及開關(guān)、電源和繼電器等組成，高壓變頻器的控制原理如圖1所示。其中，PLC完成整個變頻調(diào)速系統(tǒng)的管理和邏輯處理，包括啟/停邏輯、報警故障邏輯等。觸摸屏為中文界面的液晶顯示，完成變頻器參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)顯示和報警故障顯示等功能。主控制器完成PWM信號的產(chǎn)生、移相并轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖傳送到功率單元，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。旁路控制器為整個系統(tǒng)提供了較高的容錯能力，當(dāng)工作中的某個功率單元故障時，旁路控制能自動將其從工作中退出并將備用功率單元投入運(yùn)行。

圖1 高壓變頻器控制原理圖

3.2.2 功率單元

功率單元由熔斷器、三相全橋整流模塊、濾波電容及絕緣柵雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊組成，如圖2所示。進(jìn)入功率單元的低壓交流經(jīng)過整流模塊的整流和電容的濾波后變成中間直流，在控制系統(tǒng)的控制下由IGBT逆變單元將中間直流逆變成交變的脈寬調(diào)制輸出。多個功率單元在逆變側(cè)串聯(lián)成一相，將每個功率單元輸出的電平相疊加，再配以動態(tài)分配技術(shù)和適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，在輸出?cè)得到一組逼近正弦波的階梯波，再配以優(yōu)化的PWM控制，降低輸出諧波。因而可消除電動機(jī)的機(jī)械振動。

圖2 功率單元結(jié)構(gòu)圖

3.2.3 SH－HVF系列變頻器主要優(yōu)勢

(1)功率單元機(jī)械式旁路。為了保證變頻器和現(xiàn)場設(shè)備的正常運(yùn)行，SH－HVF系列高壓變頻器為用戶提供了功率單元機(jī)械旁路功能，當(dāng)單元故障時，可自動將輸出清除并同時觸發(fā)旁路，使其不影響整個系統(tǒng)的正常工作，使整個系統(tǒng)由原來的串聯(lián)可靠性結(jié)構(gòu)變?yōu)椴⒙?lián)可靠性結(jié)構(gòu)。

(2)變頻器帶故障運(yùn)行方式。當(dāng)有功率單元故障時，變頻器可通過線電壓自動均衡技術(shù)，輸出最大的功率而不至于跳泵影響生產(chǎn)。

(3)線電壓自動均衡技術(shù)。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。

(4)控制部分雙電源切換。變頻器控制回路采用雙電源切換技術(shù)并配置不間斷電源UPS(Uninterruptible Power Supply)電源，UPS可以提供變頻器30 min的工作時間。

4 凝結(jié)水泵變頻電氣原理

在鄒縣電廠1000 MW機(jī)組的3臺凝結(jié)水泵中，A，C 2臺進(jìn)行一拖一高壓變頻改造，B凝結(jié)水泵工頻備用的方案。A凝結(jié)水泵變頻改造電氣原理圖如圖3所示。

QS1和QS2為SH－HVF高壓變頻裝置的進(jìn)線和出線隔離開關(guān)，便于檢修時對變頻裝置進(jìn)行隔離。QS3為旁路開關(guān)，當(dāng)變頻裝置發(fā)生故障后令電動機(jī)由工頻直接啟動。

(1)變頻運(yùn)行時斷開QS3，閉合QS1和QS2。

(2)工頻運(yùn)行時斷開QS1和QS2，閉合QS3。

QS2和QS3的作用是:一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開QS2，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘QS3，在工頻電源下啟動電動機(jī)運(yùn)行。QS2與QS3之間通過機(jī)械閉鎖，防止誤操作。

圖3 凝結(jié)水泵變頻改造電氣原理圖

5 凝結(jié)水泵及變頻調(diào)速控制方案

在機(jī)組正常工況時，為保證A，C 2臺凝結(jié)水泵變頻方式運(yùn)行，B凝結(jié)水泵投入聯(lián)鎖備用。相應(yīng)的控制邏輯也進(jìn)行了優(yōu)化，增加了變頻器控制邏輯及除氧器水位調(diào)節(jié)邏輯，同時對原凝結(jié)水泵控制邏輯進(jìn)行部分修改。改造前除氧器水位由除氧器上水調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)上水調(diào)節(jié)閥的開度大小控制凝結(jié)水泵水流量。通過凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)凝結(jié)水母管壓力。變頻改造后除氧器水位分別由除氧器上水調(diào)節(jié)閥和凝結(jié)水泵變頻總水位調(diào)節(jié)來控制，兩者流量特性有一定區(qū)別。為避免調(diào)節(jié)重復(fù)而引起事故，要求除氧器上水調(diào)節(jié)閥自動和凝結(jié)水泵變頻總水位調(diào)節(jié)自動不能同時投入，二者互鎖。在正常運(yùn)行時，除氧器上水調(diào)節(jié)閥手動調(diào)節(jié)，A，B凝結(jié)水泵變頻器投入自動運(yùn)行狀態(tài)，使用凝結(jié)水泵變頻調(diào)節(jié)除氧器水位。

5.1 除氧器水位調(diào)節(jié)邏輯

凝結(jié)水泵變頻總水位調(diào)節(jié)控制邏輯如圖4所示。其調(diào)節(jié)部分由2部分組成:一部分是單回路調(diào)節(jié)PID 1，在低負(fù)荷時使用;另一部分是串級三沖量調(diào)節(jié)(PID 2，PID 3)，在高負(fù)荷時采用。兩者的切換是由修正后給水流量經(jīng)高選塊來判斷的。當(dāng)修正后給水流量大于30 t/h，高選塊輸出為1，將調(diào)節(jié)輸出切換到串級三沖量系統(tǒng);當(dāng)修正后給水流量小于30 t/h，高選塊輸出為0，將調(diào)節(jié)輸出切換到單沖量調(diào)節(jié)。在串級三沖量系統(tǒng)中，PID 2為主調(diào)節(jié)器，負(fù)責(zé)維持除氧器水位在設(shè)定值，PID 3是副調(diào)節(jié)器，其功能是維持凝結(jié)水量與給水流量的基本平衡。輸出經(jīng)平衡模塊分為2路，分別經(jīng)過A，C凝結(jié)水泵手動操作站輸出為各自轉(zhuǎn)速設(shè)定。

圖4 除氧器水位變頻調(diào)節(jié)控制原理

在除氧器水位調(diào)節(jié)中采用串級三沖量這種控制方式，能夠迅速克服機(jī)組負(fù)荷變化帶來的二次擾動，使系統(tǒng)能夠快速適應(yīng)負(fù)荷的變化，改善調(diào)節(jié)過程的動態(tài)特性?？刂苹芈分械母闭{(diào)節(jié)回路可以抵消較小擾動對輸出的影響，維持輸出的穩(wěn)定，使凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速不反復(fù)波動，有利于機(jī)組的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

原除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制邏輯全部保留，設(shè)為備用調(diào)節(jié)手段，增加切手動(MRE)條件:凝結(jié)水泵變頻總水位調(diào)節(jié)自動狀態(tài)。

5.2 凝結(jié)水泵變頻聯(lián)鎖保護(hù)

在A，C變頻凝結(jié)水泵中，增加在變頻方式下跳閘聯(lián)起功能，凝結(jié)水母管壓力維持在2.2～3.5 MPa，在壓力調(diào)節(jié)不當(dāng)時，A，C變頻凝結(jié)水泵自動方式切到手動方式。在B工頻泵中，增加A，C變頻凝結(jié)水泵任一在變頻運(yùn)行方式下跳閘聯(lián)啟功能。

5.3 運(yùn)行措施

(1)在正常運(yùn)行中，若1臺變頻泵跳閘后，應(yīng)立即檢查工頻泵聯(lián)啟是否正常，出口門是否聯(lián)開，利用凝結(jié)水再循環(huán)閥調(diào)整凝結(jié)水母管壓力至正常，并將變頻泵調(diào)整至額定出力。

(2)在正常運(yùn)行中，A，C 2臺凝結(jié)水泵在變頻方式下長期運(yùn)行，為保證B凝結(jié)水泵良好備用，每月進(jìn)行一次B凝結(jié)水泵的運(yùn)行切換試驗。

(3)在進(jìn)行變頻泵和工頻泵切換過程中，要利用凝結(jié)水再循環(huán)閥調(diào)節(jié)凝結(jié)水母管壓力在2.2～3.5 MPa，保持除氧器上水調(diào)閥在自動控制狀態(tài)。

6 改造后的效果

(1)節(jié)能效果。改造后，經(jīng)過長時間的運(yùn)行觀察并通過采用變頻器調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速，采用除氧器水位調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)凝結(jié)水流量，負(fù)荷在650～950 MW，與改造前相比，節(jié)能效果最高可達(dá)到39%(見表1)。

表1 改造后節(jié)能效果

(2)變頻調(diào)速解決了啟動時大電流對電動機(jī)的沖擊，降低了日常維護(hù)工作量，延長了電動機(jī)的使用壽命。

(3)采用凝結(jié)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，減少運(yùn)行維護(hù)量。

7 結(jié)束語

鄒縣電廠2臺1 000 MW機(jī)組相繼進(jìn)行了凝結(jié)水泵變頻技術(shù)改造，改造后變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，高壓電動機(jī)在啟動中實現(xiàn)了軟啟動，保護(hù)了電動機(jī)，延長了電動機(jī)的壽命，變頻改造后，凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥保持全關(guān)狀態(tài)，減少了回流損失;除氧器的水位變頻調(diào)節(jié)平滑性好、精度高，水位波動小，易于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。但除氧器水位調(diào)節(jié)有待進(jìn)一步優(yōu)化，使其滿足在各種工況下達(dá)到更大的節(jié)能效果。凝結(jié)水泵變頻改造對機(jī)組其他高壓電動機(jī)變頻技術(shù)改造也具有參考價值。

［1］王玉彬.基于高壓變頻器的火電廠凝結(jié)水泵一拖二變頻調(diào)速改造［J］.工礦自動化，2009，3(6):88 －90.

［2］劉海東.凝結(jié)水泵電動機(jī)采用變頻調(diào)速的控制策略［J］.華東電力，2010(10):60－61.