高压变频技术在火电厂凝结水系统中的应用

韩丹

摘要：结合某公司5号机组凝结水泵高压变频改造项目，介绍了变频技术的节能原理以及变频器的控制系统组成，分析了变频技术的优势。采用变频技术后，不但可以延长设备使用寿命，也取得可观的经济效益。

关键词：凝结水泵；变频调速；节能

凝结水泵是汽轮机组凝结水系统的重要动力设备，其作用是将凝汽器中的凝结水打入低压加热器加热后送入除氧器内。凝结水泵电机实际运行时会不同程度上偏离经济运行工况，机组调峰运行时偏离更远，电能浪费严重。使用变频调速装置可以提高运行效率，达到节能的目的。某公司5号机组（200MW）1、3号凝结水泵原来采用6kV高压电动机拖动，通过技术改造，使用了高压变频器，获得了良好的经济效益，并积累了一定的经验。

1 变频技术原理

异步电动机的定子主磁通和转子电流相互作用产生电磁转矩。磁场以顺时针方向旋转，转速为n0，转子绕组通过切割磁力线，产生转子电流；通电的转子绕组相对于磁场进行运动，产生电磁力；电磁力使得转子绕组以转速n旋转，旋转的方向与磁场旋转方向一致。

转子的转速计算公式如下：n=60f（1-s）/p

上式中：p是旋转磁场的磁极对数，f是输入电流的频率。当异步电动机的极对数p不变时，电动机转子转速与定子输入电源的频率f成正比。因此，通过连续改变供电系统电源的输入频率，就能够连续平滑的调节电动机的转速。进行电动机调速需要考虑的一个重要因素是必须要保证电机中每极磁通量为额定值，并在整个过程中一直保持不变。如果通过电动机的磁通太弱，即电动机如果出现欠励磁，将会影响电动机的输出转矩。

电磁转矩的计算公式如下：TM=KTFMI2COSj2

上式中：TM是电磁转矩，KT是比例系数，FM是主磁通，I2是转子电流，COSj2是转子回路功率因数。如果电机磁通的减小，将会导致电机电磁转矩的减小。电动机在设计初期磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电机铁芯出现饱和甚至过饱和，从而导致电机中通过很大的励磁电流，这将会增大电机的铜损和铁损，严重时会导致绕组过热而损坏电机绝缘。在改变电动机的频率f时，也应对电动机的电压U进行协调控制，以维持电动机磁通的恒定。用于交流电气传动中的变频器实际上也是变压变频器，通常也把这种变频器叫作VVVF装置。

2 变频技术改造

2.1 改造前系统

某公司5号机为国产200MW超高压中间再热三缸双抽两排汽单轴凝汽式热电联产机组，配置3台6kV电压等级的高压凝结水泵电机，额定功率为220kW。水泵均为立式多级离心泵。3台凝结水泵在改造前均属于定速运行方式。机组运行时凝结水流量由DCS系统根据除氧器水位自动控制调节阀的开度进行控制，节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低下。

机组调峰运行时负荷低，相应调节阀的开度小，造成系统管网的阻力增大，导致节流损失明显增加，浪费大量电能。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。因此，有必要对凝结水泵进行技术改造、以降低能耗，提高设备运行的可靠性。

2.2 变频器介绍

5号机凝结水泵采用DHVECTOL-DI系列高压变频器，主要由旁通柜、变压器柜、功率单元柜、控制柜组成。高压变频器的工作原理为：变频运行时，QF1和KM1处于合通状态，QF2处于分断状态，当人工给定切换指令或者系统出现重故障时，变频器自动分断QF1和KM1，然后合通QF2，电动机进入工频运行状态。当需要变频器重新投入使用时，人工给出切换指令，变频器先合通QF1，变频器进入预充电状态，变频器充电就绪以后自动运行并断开QF2，当确认QF2断开后合KM1，变频器检测电动机的状态，并以检测到的转速开始将电动机带回50Hz运行工况。供电方式如下图。

2.3 改造后操作规范

2.3.1 变频启动

DCS中“变频器启动允许”光字牌亮后，在DCS中按下“变频器复位”按钮，对变频器进行复位。按下“变频器运行”按钮发出启动指令，变频器开始充电（充电时间40S），待充电结束后自动合上6kV高压开关，变频器自动运行到设定的运行转速可根据生产负荷需要，改变变频器的给定转速，并注意及时确认否则无效。

2.3.2 变频停止

在DCS中按下“变频器停止”按钮发出停机指令，或就地按下“停机”按钮，并及时确认，变频器自动进入停机程序，直至运行频率为“0Hz”。变频器运行频率为“0Hz”后自动将6kV高压分断，系统自动进入待机状态发出“请求运行”。

3 效果分析

3.1 节能效果明显

采用变频器调速技术的凝结水泵流量、扬程和效率均达到其生产厂家规定值。根据改造前后日耗电量的对比计算结果可知，凝结水泵的耗电量低于同等容量的定速凝结水泵，节能效果非常明显。凝结水泵运行平稳，变频器安全可靠，调速性能优越，完全能够满足5号机组任何负荷及各种运行方式下凝结水流量和真空等参数要求。

3.2 延长设备寿命

采用高压变频调速技术后，凝结水泵运行时，介质对水泵的叶轮、风机冷却风扇和调门的磨损，特别是没有应力负载作用于轴承上，使轴承的磨损、密封的损坏都大大降低，减少了维修工作量和维护成本，同时也延长了电动机和水泵等的使用寿命，延长了设备大修周期。此外，采用变频调速运行的电动机振动值和产生的噪音也大幅度降低，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的缺陷。

3.3 自动化水平高

高压变频器依靠电厂集控中心的DCS控制系统进行控制，能够实现高精度、宽幅度的无级调速，满足各类运行工况的需要，特别针对200MW热电联产调峰机组，能够提高生产效率和机组自动化水平。

3.4 减少电机启动时的冲击

大功率电动机在启动时，由于启动电流很大，在启动瞬间6kV厂用电电压会大幅下降，影响其它用电设备的正常运行。采用变频调速可以实现电机软启动，使电机转速慢慢升高，启动时最大电流可按需要限制在一定范围内，使得对厂用电源的冲击和机械负载的冲击都大大减小，减小了电机启动损坏几率。

4 结论

采用高压变频器的调速的电动机运行相对平稳，启动性能好，对厂用电系统用的冲击和机械负载的冲击都明显减小，同时延长了电动机和机械部分的使用寿命。变频装置安全可靠，调速性能优越，完全能满足机组任何负荷及各种运行方式下的要求，变频调速技术节电效果显著。

采用高压变频调速技术的给水泵虽然初期投资较多，但由于其节能效果显著，投资回收还是比较快的，具有很好的应用价值。200MW汽轮发电机组凝结水泵推广使用变频技术，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。