高压变频技术在1000 MW机组凝结水泵节能改造中的应用

刘宏宇，王丽英，宗艳霞

(华电国际邹县发电厂，山东 邹城 273522)

1 问题的提出

华电国际邹县发电厂(以下简称邹县电厂)一直坚持提高机组效率、降低资源消耗、改善周边环境的发展方向，是首批获得国家“资源节约型、环境友好型”称号的火力发电企业之一。高压变频调速技术是最近发展起来的重要节能和环保技术，由于其卓越的调速性能、完善的保护功能、显著的节能效果和简单易行的自动调节特性，在电力系统的应用越来越广泛。风机、泵类等设备采用变频调速实现节能运行是国家节能的一项重点推广技术。通过技术进步和设备改造实现设备节能是现代火力发电企业降低厂用电率、提高机组效率的首要选择［1－2］。邹县电厂在2台1 000 MW机组凝结水泵系统中选用SH－HVF高压变频调速改造方案，经过长时间的运行考验，改造后的1000 MW机组凝结水泵系统运行稳定、可靠，降低了厂用电率，节能效果显著。

2 凝结水泵系统

凝结水泵是汽轮机热力系统中的主要辅机设备之一，它的作用是将凝汽器中的凝结水吸出。系统升压后经低压加热器加热送到除氧器，以维持除氧器水位的稳定，在正常运行状态下，凝汽器中的水位根据机组负荷变化进行调整，负荷增加，凝结水量也增加，凝汽器水位随之升高，反之，凝汽器水位降低。邹县电厂1000 MW机组配有3台50%容量的立式凝结水泵，2台投入运行，1台联锁备用。

2.1 改造前运行状况

改造前凝结水泵采用定速交流电动机拖动，根据机组负荷和除氧器水位的变化，通过除氧器水位控制除氧器上水调阀来调节凝结水泵出口流量。为保证凝结水母管压力稳定，通过凝结水再循环调节阀来调节凝结水母管压力。这种控制方式在节流时损耗大，回流造成能量浪费，凝结水泵效率低。凝结水泵电动机工作电压为10kV，功率大，启、停电动机时对母线的冲击较大。

2.2 凝结水泵调节节能

由流体力学的基本定律可知:水泵在转速调节前后流量、水压、功率和转速之间的关系为

式中:qV为水泵流量;h为扬程;n为水泵转速，P为轴功率。

由上式可知:流量qV与转速n成正比，扬程h与转速n的平方成正比，轴功率P与转速n的三次方成正比，电动机的转速与供电频率f成正比，因而通过改变电动机的供电频率，可以改变电动机的转速，从而调节水泵出口的流量，而变频调速技术就是通过改变电动机的供电频率来实现对转速的控制，从而实现对水泵流量的控制。

3 高压变频技术

3.1 变频调速原理

由电机学可知，异步电动机的转速公式为

式中:n为电动机转速;f为电动机定子供电频率;s为转差率;ρ为电动机极对数。

由式(5)可知，电动机转速与输入电源频率成正比，通过改变输入电源的工作频率，就可以平滑地调节电动机的转速。变频器就是基于这一原理，利用电力电子器件、先进的控制技术等现代技术手段生产出的一种节能性的电气产品。

3.2 高压变频器

凝结水泵改造选用的是国产SH－HVF系列高压变频器，它采用直接高高变换的方式和多电平串联倍压的技术方案及其优化的脉冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation)控制算法，实现优质可变频变压(VVVF)的正弦电压和正弦电流的输出。

3.2.1 高压变频器的控制

高压变频器的控制部分由、可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)、主控制器、旁路控制器、智能操作面板及开关、电源和继电器等组成，高压变频器的控制原理如图1所示。其中，PLC完成整个变频调速系统的管理和逻辑处理，包括启/停逻辑、报警故障逻辑等。触摸屏为中文界面的液晶显示，完成变频器参数设定、运行参数状态显示和报警故障显示等功能。主控制器完成PWM信号的产生、移相并转换成光信号，通过光纤传送到功率单元，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。旁路控制器为整个系统提供了较高的容错能力，当工作中的某个功率单元故障时，旁路控制能自动将其从工作中退出并将备用功率单元投入运行。

图1 高压变频器控制原理图

3.2.2 功率单元

功率单元由熔断器、三相全桥整流模块、滤波电容及绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块组成，如图2所示。进入功率单元的低压交流经过整流模块的整流和电容的滤波后变成中间直流，在控制系统的控制下由IGBT逆变单元将中间直流逆变成交变的脉宽调制输出。多个功率单元在逆变侧串联成一相，将每个功率单元输出的电平相叠加，再配以动态分配技术和适当的控制算法，在输出侧得到一组逼近正弦波的阶梯波，再配以优化的PWM控制，降低输出谐波。因而可消除电动机的机械振动。

图2 功率单元结构图

3.2.3 SH－HVF系列变频器主要优势

(1)功率单元机械式旁路。为了保证变频器和现场设备的正常运行，SH－HVF系列高压变频器为用户提供了功率单元机械旁路功能，当单元故障时，可自动将输出清除并同时触发旁路，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为并联可靠性结构。

(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泵影响生产。

(3)线电压自动均衡技术。变频器某相有单元故障后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。

(4)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不间断电源UPS(Uninterruptible Power Supply)电源，UPS可以提供变频器30 min的工作时间。

4 凝结水泵变频电气原理

在邹县电厂1000 MW机组的3台凝结水泵中，A，C 2台进行一拖一高压变频改造，B凝结水泵工频备用的方案。A凝结水泵变频改造电气原理图如图3所示。

QS1和QS2为SH－HVF高压变频装置的进线和出线隔离开关，便于检修时对变频装置进行隔离。QS3为旁路开关，当变频装置发生故障后令电动机由工频直接启动。

(1)变频运行时断开QS3，闭合QS1和QS2。

(2)工频运行时断开QS1和QS2，闭合QS3。

QS2和QS3的作用是:一旦变频装置出现故障，即可马上断开QS2，将变频装置隔离，手动合旁路刀闸QS3，在工频电源下启动电动机运行。QS2与QS3之间通过机械闭锁，防止误操作。

图3 凝结水泵变频改造电气原理图

5 凝结水泵及变频调速控制方案

在机组正常工况时，为保证A，C 2台凝结水泵变频方式运行，B凝结水泵投入联锁备用。相应的控制逻辑也进行了优化，增加了变频器控制逻辑及除氧器水位调节逻辑，同时对原凝结水泵控制逻辑进行部分修改。改造前除氧器水位由除氧器上水调节阀来调节，通过调节上水调节阀的开度大小控制凝结水泵水流量。通过凝结水再循环调节阀调节凝结水母管压力。变频改造后除氧器水位分别由除氧器上水调节阀和凝结水泵变频总水位调节来控制，两者流量特性有一定区别。为避免调节重复而引起事故，要求除氧器上水调节阀自动和凝结水泵变频总水位调节自动不能同时投入，二者互锁。在正常运行时，除氧器上水调节阀手动调节，A，B凝结水泵变频器投入自动运行状态，使用凝结水泵变频调节除氧器水位。

5.1 除氧器水位调节逻辑

凝结水泵变频总水位调节控制逻辑如图4所示。其调节部分由2部分组成:一部分是单回路调节PID 1，在低负荷时使用;另一部分是串级三冲量调节(PID 2，PID 3)，在高负荷时采用。两者的切换是由修正后给水流量经高选块来判断的。当修正后给水流量大于30 t/h，高选块输出为1，将调节输出切换到串级三冲量系统;当修正后给水流量小于30 t/h，高选块输出为0，将调节输出切换到单冲量调节。在串级三冲量系统中，PID 2为主调节器，负责维持除氧器水位在设定值，PID 3是副调节器，其功能是维持凝结水量与给水流量的基本平衡。输出经平衡模块分为2路，分别经过A，C凝结水泵手动操作站输出为各自转速设定。

图4 除氧器水位变频调节控制原理

在除氧器水位调节中采用串级三冲量这种控制方式，能够迅速克服机组负荷变化带来的二次扰动，使系统能够快速适应负荷的变化，改善调节过程的动态特性。控制回路中的副调节回路可以抵消较小扰动对输出的影响，维持输出的稳定，使凝结水泵的转速不反复波动，有利于机组的正常稳定运行。

原除氧器上水调节阀控制逻辑全部保留，设为备用调节手段，增加切手动(MRE)条件:凝结水泵变频总水位调节自动状态。

5.2 凝结水泵变频联锁保护

在A，C变频凝结水泵中，增加在变频方式下跳闸联起功能，凝结水母管压力维持在2.2～3.5 MPa，在压力调节不当时，A，C变频凝结水泵自动方式切到手动方式。在B工频泵中，增加A，C变频凝结水泵任一在变频运行方式下跳闸联启功能。

5.3 运行措施

(1)在正常运行中，若1台变频泵跳闸后，应立即检查工频泵联启是否正常，出口门是否联开，利用凝结水再循环阀调整凝结水母管压力至正常，并将变频泵调整至额定出力。

(2)在正常运行中，A，C 2台凝结水泵在变频方式下长期运行，为保证B凝结水泵良好备用，每月进行一次B凝结水泵的运行切换试验。

(3)在进行变频泵和工频泵切换过程中，要利用凝结水再循环阀调节凝结水母管压力在2.2～3.5 MPa，保持除氧器上水调阀在自动控制状态。

6 改造后的效果

(1)节能效果。改造后，经过长时间的运行观察并通过采用变频器调节凝结水泵转速，采用除氧器水位调节阀来调节凝结水流量，负荷在650～950 MW，与改造前相比，节能效果最高可达到39%(见表1)。

表1 改造后节能效果

(2)变频调速解决了启动时大电流对电动机的冲击，降低了日常维护工作量，延长了电动机的使用寿命。

(3)采用凝结水泵变频调速系统有利于系统稳定运行，减少运行维护量。

7 结束语

邹县电厂2台1 000 MW机组相继进行了凝结水泵变频技术改造，改造后变频器运行稳定，高压电动机在启动中实现了软启动，保护了电动机，延长了电动机的寿命，变频改造后，凝结水再循环调节阀保持全关状态，减少了回流损失;除氧器的水位变频调节平滑性好、精度高，水位波动小，易于机组的稳定运行。但除氧器水位调节有待进一步优化，使其满足在各种工况下达到更大的节能效果。凝结水泵变频改造对机组其他高压电动机变频技术改造也具有参考价值。

［1］王玉彬.基于高压变频器的火电厂凝结水泵一拖二变频调速改造［J］.工矿自动化，2009，3(6):88 －90.

［2］刘海东.凝结水泵电动机采用变频调速的控制策略［J］.华东电力，2010(10):60－61.