高压变频器在300MW汽轮发电机组凝泵上的应用

　　变频调速装置可以使电动设备处于最佳运行状态，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2×300MW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,介绍如下：
　　变频器节能原理
大家知道,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：


　　改变其中任何一个参数都可以实现转速的改变。变频器是通过改变电源频率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,转速与频率的线性关系既确定，如图3所示：


图3 变频调速中转速与频率关系曲线
　　由于转速n与频率f之间为线性关系，从理论上分析调速范围在0～100%内，线性度都很好,因此变频调速是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：


　　当流量由100%降到70%，则转速相应降到70%，而电机的功耗降到34.3% N0，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。

凝结泵变频改造方案
　　凝结泵是汽轮机热力系统中的主要辅机设备之一，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。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。
　　我公司300MW机组配备2台100%容量的凝结水泵, 型号9LDTNA4,额定流量841m3/h,扬程280m,转速1480rpm,配用1000KW的异步电动机,阀门调节。现增设高压变频器采用无级调速，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。系统改造方案图如下：


图1 凝泵变频改造系统图
　　从主回路改造方案看出：用一台变频器连接两台电机，正常时变频器拖动一台凝泵变频运行，另一台工频备用；当变频器或运行的凝泵发生故障时，备用凝泵可以工频运行，使用原来的调节方式，保证机组运行。
　　优点：充分利用变频器和现有设备，投资相对较少，既保留了原系统的控制操作方式不变，又保证了系统改造后紧急状态下的工频恢复运行，易于系统维护。
　　缺点：系统接线较复杂；需增加高压断路器；二次回路需要增加闭锁回路；定期切换操作较繁琐。
　　正常运行方式：正常时，比如＃51泵运行在变频调速状态下，电源通过＃50开关至变频器，然后通过＃510输出至＃51泵电机。此时＃52泵的＃52凝泵工频开关处于备用状态，各开关的逻辑关系如下：
　　工频开关合闸条件：


　　变频器出口开关的合闸条件：


　　一台泵发生故障情况的运行方式：
　　当变频控制的工作泵发生故障跳闸，或出力不足等故障时，另一台泵会自动工频投入运行（与原自投方式一致）。将发生故障的泵处理好后，再按上述方式切换至变频运行。在此之前备用泵只能工频运行，不能调速。
　　相关控制回路必须满足下列逻辑：


　　定期切换按下列顺序操作：
　　　　a）合52凝泵工频开关，工频开启＃52泵，调整负荷由52凝泵接待。
　　　　b）断开510开关，合上51开关，＃51凝泵工频运行，调整负荷由51凝泵接待。
　　　　c）断开52开关，合上＃520开关将＃52泵接入变频器，变频控制开启＃52泵。
　　　　d）调整＃52泵变频运行接待全部负荷后，停＃51泵至备用，切换完成。
　　　　　＃52泵切换到＃51泵，顺序相同。
　　选用变频器情况
　　通过收集和调研，结合凝泵运行实际情况，决定采用国产引进型高压变频器，我们使用了北京利德　　华福的HARSVERT-A06/130高压变频器，具体参数如下表：


　　此高压变频器特点：
　　　（1）属于电压型高-高变频器，不需要另外加设输出变压器，只要将变频器输入端直接接在6kV的电网上，输出端直接接到6kV高压电动机上，联接简单方便。
　　　（2）整流电路采用42脉冲整流，逆变回路采用独特的单相多电平控制技术，从而构成了对电源和电动机都十分友好的双完美系统：电源一侧为完美无谐波输入，电动机一侧，输出为完美的正弦波，直接联接原有凝泵电动机，不需要增加谐波滤波器。
　　　（3）综合运行效率高、功率因数高。由于采用干式变压器和类似常规低压变频器的成熟技术，使可靠性提高，由于IGBT开关频率降低，使损耗减小，加之采用独特的控制技术，变频器综合效率在97%以上。由于电源输入侧42脉冲整流，功率因数超过0.95。
　　　（4）控制回路采用高速单片机、工控机和PLC共同构成，实现多电平PWM控制和附加简易矢量运算功能的V/f控制，控制响应快、精度高。采用了光电隔离技术，使低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。

使用变频器的效益分析
1、节约厂用电效果显著
　　下面是部分运行数据，对本机改造前后的电流做一个纵向比较，可以发现电流减小许多。




　　 以每台机组年发电量15亿千瓦时计算，使用变频器可节约厂用电330 万千瓦时，折合人民币100万元。
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4.5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。
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、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，大型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。