高压变频器在670MW机组凝结水泵上的应用

葛 峰

潍坊发电有限公司 山东 潍坊 261200

0 引言

近年来600MW汽轮发电机组已成为电网的主力机组,在建和准备建设的发电工程多为600MW汽轮发电机组。600MW汽轮机组,一般配有两台100%容量的凝结水泵,正常运行中一台运行一台备用。当凝结水泵水压、流量需要调节时，传统的方法是：通过调节阀门或启停电机来实现，损耗随之增大，同时降低了水泵的总效率，由此而引起的电能损失是相当可观的。

潍坊发电有限公司二期工程3、4号机为两台670MW超临界燃煤汽轮发电机组，机组型号为QFSN-670-2-20型，由上海汽轮发电机有限公司生产，相继于06年和07年投入运行。每台机组均安装两台凝结水泵，凝结水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再送入除氧器。设计时冗余较大，机组正常运行时一台凝结水泵运行，另一台凝结水泵备用。机组在低负荷运行中，通过开启凝结水再循环门来调节压力，造成电能大量浪费，影响凝结水泵的经济性；另外由于高压力的凝结水通过再循环管道迅速排入凝汽器造成管道振动剧烈，导致阀门损坏，焊口断裂；同时由于泵关闭压头较高，造成出口电动门过力矩，有时无法自动开启，导致停泵。因此通过采用变频技术来降低凝结水泵的转速，改变凝结水泵的Q-H特性曲线，在凝结水泵流量不变的情况下降低压力，确保设备的安全稳定运行，目前高压变频器技术已日趋成熟，且在一期330MW机组风机、凝升泵已有了成功应用的经验，节能效果比较显著，为了进一步降低厂用电率，提高机组运行的经济性、可靠性，潍坊发电有限公司利用08年机组检修的机会，分别对3、4号机组的凝结水泵进行了高压变频技术改造，分别在3、4号机组凝结水泵电机电源回路上加装了一套高压变频器。

1 变频器节能原理

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。 由上式可知，在电动机极对数、转差率不变的情况下，电动机转速与供电频率呈线性关系。(异步电动机在带负载运行过程中随着负载的变化，转差率s变化不大，可以近似地认为转速与定子供电频率成线性关系),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1所示：

图1 变频调速中转速与频率关系

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.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,降低厂用电率，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（压头）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。

Q、H、P—水泵流量、压头、轴功率；

n—转速；P—功率

当流量由额定值Q0降至Q时，与额定功率P0比较，采用转速调节的电机的功耗为：

当流量由100%降到80%，则转速相应降到80%，而电机的功耗降到51.2%P0，也就是节约电能48.8%。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。

2 改造方案简介

潍坊发电有限公司本次凝泵变频改造程控逻辑本着简单、实用的原则，经过调研，结合我公司实际情况，最终确定我厂凝结水系统变频改造采用一拖二手动旁路方案，选用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A06/260型高压变频器。即配备一台高压变频器，通过切换高压隔离开关把高压变频器切换到要运行的凝结水泵上去。高压变频器可以拖动A凝结泵电动机实现变频运行，也可以通过切换拖动B凝结泵电动机实现变频运行。两侧凝结泵电动机均具备工频旁路功能，可实现任意一台电动机的变频运行，另外一台处于工频备用，当高压变频器故障时，系统可联锁启动另一台工频电机运行。

系统基本工作原理：它是由六个高压隔离开关 QS1～QS6 组成（见图 2）。

图2 变频器一拖二改造原理图

如果选择3A凝结水泵电机变频运行、断开QS3 、QS4、QS5，闭合 QS1、QS2 、QS6、 QF1 开关，此时，3A凝结水泵电动机处于变频运行状态，3B凝结水泵电动机处于工频备用状态；当3A凝结水泵电动机变频运行故障跳闸时，系统联锁起动3B凝结水泵电动机，如果选择3B凝结水泵电机变频运行，断开 QS1 、QS2、QS6，闭合 QS4、QS5、QS3、QF2开关，此时，3B凝结水泵电动机处于变频运行状态；3A凝结水泵电动机处于工频备用状态。当3B凝结水泵电动机变频运行故障跳闸时，系统联锁起动3A凝结水泵电动机；如果需要检修变频器，可以使QS3和QS6处于合闸状态，其它隔离开关都断开，两台电机可以同时工频运行;当一路电源检修时，可以通过分合隔离开关使任一电机变频或工频运行。

各隔离开关之间的连锁关系：

1）QS1和QS4，QS2和QS5之间实现电气闭锁和逻辑闭锁。确保只能有1台凝结水泵可以投入变频，无法将2台同时投入变频方式。

2）QS3和QS2，QS6和QS5安装机械互锁装置，确保凝泵电动机只能处于工频或者变频工作方式，防止发生高压变频器输出侧与6kV电源侧短路等严重事故。

3）QS1、QS2合闸，QS3分闸，且高压变频器发出合闸允许信号时QF1才能合闸，此时如果发出高压变频器重故障信号，QF1立刻跳闸。

4） QS1、QS2分闸，QS3合闸时，QF1可以合闸，此时高压变频器重故障信号不能使QF1跳闸。

这种设计的优缺点分析：

优点：充分利用变频器和现有设备，节省投资，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，需增加结构相对复杂的旁路柜，二次回路需要增加闭锁回路；定期切换操作较繁琐。

3 设备概况

潍坊发电有限公司3、4号机凝结水泵电机及所加装的高压变频器具体型号、参数如下表1、2：

表1 变频器

表2 电机

HARSVER-A型变频装置采用单元串联多电平PWM拓扑结构，由若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出，即6kV输出电压每相有6个额定电压为600V的功率单元串联而成，输出相电压3450V，线电压达到6kV左右。这种技术是目前高压变频领域应有最广泛、最成熟的技术。

1）变频器为高-高结构，不需输出升压变压器，变频器效率高达96%；

2）36脉冲的整流电路结构，使输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真低于4%，输入功率因数达0.95以上；

3）逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，输出电压接近正弦波。输出电压每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt很小，不需要配置专用滤波装置；

4）采用功率单元串联，而不是功率器件串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题；

5）变频器可以承受30%的电源电压下降而继续运行，变频器的6KV主电源完全失电时，变频器可以在3秒内不停机；

6）采用功率单元旁路技术，多极模块串联，某个模块发生故障时自动旁路运行，大大地提高了系统运行的可靠性；

7）变频装置提供大液晶中文操作界面，功能强，操作方便；

8）控制器由高速单片机、工控PC和PLC共同构成。高压主回路与控制器之间为光纤连接，并设有精确的故障报警保护，具有电力电子保护和工业电气保护功能，保证变频器和电动机安全可靠的运行。

4 冷却系统方案

高压变频器虽然是一种非常高效的装置，但是在运行中，仍然有2%-4%左右的损耗，所以高压变频器应用中的设备散热和运行环境问题直接影响设备自身的安全，根据现场的实际情况，综合考虑了冷却系统的投资和运营成本、设备维护量、无故障运行时间，针对实际安装位置、发热总量、运营成本、施工费用等因素，此次变频改造采用了强制密闭式冷却方案。

强制密闭式冷却系统作为高压变频器功率柜外的附属装置，能够保证高压变频器功率柜始终处于25－35℃运行环境，大幅度延长滤网更换周期，减少现场维护量。不需要为高压变频器再独立建筑房屋，变压器柜采用开放式冷却。强制冷却装置与高压变频器功率柜一体化设计，附着于功率柜顶部。制冷压缩机组安装于高压变频器附近，设备安装简便、快捷，热交换效率高。强制密闭式冷却在设计方面充分考虑了设备故障、热交换介质泄漏、风路应急旁路、操作简便、可维护维修等安全防护措施，虽然在设备一次性投资上略高，但相比空调冷却等方式，通常系统运行2～3年节约的电费即可收回投资。另外，采用强制密闭冷却方案还可节约房屋土建费用。

5 改造前后技术经济状况对比分析

#3机3A凝结水泵系统改为变频器后，不仅能够确保凝结水系统的安全稳定节约厂用电效果显著，下面表3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。

表3 改造前后运行数据对照

通过对照，可以很明显看出凝结泵变频改造的节能效果十分明显，尤其是对于低负荷运行阶段节电效果十分巨大。

根据我公司一期凝升泵变频器运行统计，机组负荷率为70%时凝升泵节电约25%，3A凝结水泵变频器在机组负荷率70%运行时按节电20%、一年运行按300天计算，则年节电量2240×24×300×20%＝322.56万 kWh，按 0.3元／kWh元计算，每年节约人民币96.8万元，预计5年即可收回投资。

6 结论

节能、降耗，是每一个企业永恒主题。特别市场经济条件下，对发电企业来说综合发电成本越低越好。降低发电单位厂用电率给发电单位和社会都带来更大经济效益，不多消耗燃煤条件下，为社会提供更多电力，对降低发电成本和减少环境污染都非常有利。特别是厂网分开后,应该以企业是否能取经济效益作为节能分析的基础，对节能项目进行科学论证，优先开发节能效益好的节能项目，才能为企业创造尽可能多的经济效益。大型汽轮发电机组凝结水泵推广使用变频器技术，可以大幅度降低厂用电率，减少发电成本，提高发电厂竞价上网的竞争能力。

［1］王占奎.变频调速应用百例［M］.北京：北京科学出版社，1999.

［2］吴忠智.变频器应用手册［M］.北京：机械工业出版社 ，2004.

［3］韩安荣.通用变频器及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［4］高压变频器调速系统HARSVERT-A系列技术手册［R］.北京利德华福电气技术有限公司BLHB01－004.1.

［5］华电潍坊电厂高压变频器BLH-CM系列强制式密闭冷却装置使用说明书［R］.北京利德华福电气技术有限公司，2008.