高压变频器在蚌埠电厂凝结泵变频改造应用

• 关键词：高压变频器,凝结水泵,调速节能
• 作者：梁国陶
• 摘要：为了降低厂用电率和提高系统自动化水平,蚌埠发电厂在#1号机组凝结水泵的控制系统中加装了高压变频装置。本文介绍了高压变频器理论上的节能效果,并总结了凝结水泵电机控制采用变频装置的优势。

1 、概述

　　国电蚌埠电厂是由华东电网投资建设的大型火力发电企业，一期工程建设2×600MW国产亚临界燃煤直接空冷机组。

　　机组中凝结泵变频改造前运行中存在的问题：

凝汽器内的水位调整是通过改变凝结泵出口阀门的开度进行的，调节线性度差，大量能量在阀门上损耗；

由于频繁的对阀门进行操作，导致阀门的可靠性下降，影响机组的稳定运行；

汽水系统设计参数偏大，使凝结泵的出口压力偏大，流量偏高；

凝结泵出口压力偏大， 超出了化学精处理系统的压力， 对化学设备造成一些损害；

凝升泵压力、流量偏高， 对加热器系统造成一定损害， 同时给除氧器水位的调整带来一定困难；

泵用电机启动电流大，不仅对同一母线上的电机或其他设备正常工作造成极大的影响，而且对电机本身冲击应力很大，轴承应力加大，同时对电机绝缘造成损伤，电机寿命缩短。

　　因此综合以上多个角度，对凝结泵进行变频调速改造是相当必要的。

　　现对#1机组凝结泵电动机安装高压变频器调速装置，凝结泵电动机型号及其参数如下表：

　　蚌埠电厂结合自身电机参数以及我公司产品优势，选用我公司型号MLVERT-D06/2800.B高压变频调速装置。

2、凝结泵的工作流程

图1 凝结水系统的工作流程

　　凝结水系统如图1所示：从混合式凝汽器来的水97％-98％返回空冷塔，2％-3％参加热力循环。凝结泵吸取凝汽器的水升压后经过化学精处理， 经过低压加热器到除氧器， 除氧器除氧后进入给水泵升压， 再经高压加热器到锅炉， 最后经省煤器进入汽包， 从而完成热力循环。维持凝结泵连续、稳定运行是保持电厂安全、经济生产地一个重要方面。

　　当机组负荷升高时，凝结水量增加，凝汽器内的水位相应上升。当机组负荷降低时，凝汽器内水位相应降低。在正常运行状态下，凝汽器内的水位不能过高或过低。监视、调整凝汽器内的水位是凝结泵运行中的一项主要工作。　　

　　蚌埠电厂所需凝结泵电机为6kV/2300kW的电机，每台机组配备二台凝结泵，一台变频运行，一台工频备用。

3、变频调速改造的凝结泵电气接线图

图2 凝结泵电机及其备用泵电机主电路接线图

　　从主回路改造方案看出：对两台凝结泵的一台进行变频改造，另一台工频备用。当变频器发生故障时，解决方案一，通过旁路柜将#1凝结泵连接到工频运行。方案二，工频启动运行#2凝结泵，停止运行#1凝结泵。当#1号凝结泵发生故障时，解决方案是直接工频启动运行#2凝结泵。以上冗余备用保证了整个电厂生产正常。当故障设备恢复后，变频启动运行#1凝结泵，然后停止运行#2凝结泵。

　　对于变频调速的#1凝结泵，高压电源经用户开关柜高压开关QF11到刀闸柜，经输入刀闸QF1到高压变频装置，变频装置输出经出线刀闸QF2送至电动机；6kV电源还可经旁路刀闸QF3直接起动电动机。进出线刀闸QF2和旁路刀闸QF3的作用是：一旦变频装置出现故障，即可马上断开进出线刀闸QF2，将变频装置隔离，手动合旁路刀闸QF3，在工频电源下启动电机运行。QF11保留用户原断路器，QF1、QF2、QF3安装在一个刀闸柜中与变频装置配套供货。QF2与QF3之间闭锁，防止误操作。

4、变频调速改造的直接经济效益和间接投资效益分析

（1）节能

　　异步感应电动机的转速n与电压频率f、转差率s、电机极对数p三个参数有如下关系:n=60f(1-s)/p。改变电压频率f可以改变电动机转速。由于凝结泵对转速精度要求不是非常高,在异步感应电动机的设计制造完成后,在带负载运行过程中由于负载变化,转差率会略有变化,但变化极小，因此可以近似认为电机转速与变频器输出电压频率成线性关系。所以将频率不变的工网电压变换为不同的频率电压时，电机转速也会随之改变。

图3 水泵类负载工作特性曲线

　　在进行变频调速改造前，凝结泵电机始终处于100%工作负荷状态下，调节凝结器和除氧器中的水位即凝结泵的出水量完全依赖调节出口阀门开度改变管路的阻力来实现。当水量减小时，电机功率并没有明显下降。如图所示，当需要减小流量时，减小阀门开度，凝结泵工作点从A点移到D点，忽略泵机和电机效率变化，电机功率由 变化到 ，变化不明显。当采用变频调速后，节能效果是明显的，但一些变频器厂家技术人员没能掌握正确的节能算法，错误的应用公式，夸大了变频调速节能效果，使计算值误差很大，远大于实际节能效果，给用户产生了一定的误导。具体分析如下：

　　比例定律：以离心式水泵为例,当驱动电机的转速由 改变为 时,若输送的液体不变,则在不同转速下相似工况点的对应参数与转速之间有下列关系:

　　上述比例公式应用的条件是在水泵工作在相似的工况点，所谓相似工况点是指两台泵在几何相似、运动相似和动力相似的情况下运行参数。

　　几何相似就是说他们的形状完全相同，只是大小不同，其中一台泵相当于另一台泵按一定比例的放大或缩小。举个形象的例子，两张比例尺不同的中国地图，它是几何相似的，但大小相差一定的倍数。应当指出的是，这里提到的两泵几何相似是指流通部分的几何相似，而不是要求泵之间的轮廓外形相似。

　　运动相似是指两台几何相似泵流通部分各对应点的速度三角形相似。显然，只有当两台泵的流通部分几何相似，才有可能运动相似，但满足几何相似的条件不一定满足运动相似，只有当两台几何相似泵都在相似工况点运行时（例如：都运行在最高效率工况点），才是运动相似，所以运动相似又称工况相似。

　　动力相似是指作用于两台泵内各对应点上的方向相同，大小成比例。作用于泵内流体的力主要是惯性力和粘性力的总压力。因此，为使泵中的动力相似，必须对应点上的惯性力和弹性力（或压力和密度）之比相等，惯性力和粘性力之比相等。

　　由上所述，比率定律转速与流量成正比关系应用条件是非常苛刻的。

　　下面以水泵从流量 变为 时采用变频调速节能效果分析（以下均不考虑电机和水泵效率）。

（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

   凝结泵改用变频器后，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，凝结泵变频运行后，噪音、振动都大为减少，变化相当可观。

（5）其他许多变频调速改造前存在的问题都得到合理的解决。如使用阀门调节少了，精度提高了。出口的压力变小，对精处理过程的化学设备影响小了等等。

   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。

5、我公司变频调速装置的优势

(1)功率单元电子式旁路

　　为了保证变频器和现场设备的正常运行，MLVERT系列高压变频器为用户提供了功率单元电子旁路功能，当单元故障时，IGBT上管导通，使其不影响整个系统的正常工作，使整个系统由原来的串联可靠性结构变成为并联可靠性结构。电子旁路示意图如下：

图4 功率单元电子式旁路示意图

（2）变频器带故障运行方式

　　当有功率单元故障时，变频器可通过线电压自动均衡技术，输出最大的功率而不至于跳机影响生产，用户可以根据设备的报警自行确定停机维修时间。

（3）风机选用进口设备

　　我公司高压变频器冷却风机采用原装进口施乐百风机，其平均无故障连续运行时间大于100000小时。

（4）谐波指标

　　输出电流谐波失真<2%,变频调速系统产生的谐波满足并高于中国“GB/T 14549电能质量公用电网谐波”及“IEEE519”国际标准的规定。变频装置考虑将对电网谐波影响减至最小的措施包括：a、移相变压器；b、单元串联技术；c、优化的PWM算法；d、多脉冲整流技术 。

（5）控制部分双电源切换

　　变频器控制回路采用双电源切换技术并配置UPS电源，双电源一路来源于用户电源，一路来源于变频器内隔离变压器二次输出绕组，其中任意一单元掉电自动切换至另一回路，切换时间约为40ms，切换过程中的电源保证由UPS提供，UPS提供掉电30分钟输出。

参考文献：

[1] 广东明阳龙源电力电子有限公司.高压变频器总体设计方案[S].中山: 广东明阳龙源电力电子有限公司，2011