變頻技術(shù)在350 MW機(jī)組閉式水系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 平，高月江

(1.電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.大唐長(zhǎng)春第三熱電廠，吉林 長(zhǎng)春 130000)

1 概述

隨著吉林省電網(wǎng)的擴(kuò)大，機(jī)組總裝機(jī)容量不斷增加，負(fù)荷峰谷差不斷拉大，火電機(jī)組在水電、風(fēng)電優(yōu)先調(diào)度的劣勢(shì)下，負(fù)荷率大幅度降低，機(jī)組頻繁參與調(diào)峰或深度調(diào)峰運(yùn)行，原有的輔機(jī)工況調(diào)節(jié)方法在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能源浪費(fèi)嚴(yán)重，調(diào)節(jié)特性差，頻繁的啟停會(huì)對(duì)廠用電系統(tǒng)及機(jī)械負(fù)載產(chǎn)生沖擊損害。鑒于國(guó)家節(jié)能減排的嚴(yán)峻形勢(shì)，發(fā)電廠輔機(jī)的調(diào)速節(jié)能改造勢(shì)在必行。目前，火力發(fā)電廠中6 kV及以上電壓等級(jí)的高壓異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用較多的調(diào)速方式主要有：變極調(diào)速、液力耦合器調(diào)速和變頻調(diào)速。由于變頻調(diào)速有顯著地社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，是目前高壓異步電動(dòng)機(jī)主要的調(diào)速方式。

2 變頻調(diào)速技術(shù)

2.1 節(jié)能原理

風(fēng)機(jī)(或水泵)類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速與流量、壓力(揚(yáng)程)以及軸功率具有如下關(guān)系：流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速可成比例地下降，而水泵電動(dòng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系，因此降低轉(zhuǎn)速可大幅度地降低水泵軸功率。變頻器是利用電力電子器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給電動(dòng)機(jī)。頻率可控即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可控，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

2.2 變頻器節(jié)能方式

(1)為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)時(shí)，都留有一定的富余量。電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。

(2)變頻調(diào)速器在軟件上設(shè)有5000次/秒的測(cè)控輸出功能，迅速適應(yīng)負(fù)載變動(dòng)，供給最大效率電壓，始終保持電機(jī)的輸出高效率運(yùn)行。

(3)在保證電機(jī)輸出力矩的情況下，可自動(dòng)調(diào)節(jié)V/F曲線，降低輸入電流，達(dá)到節(jié)能狀態(tài)。

(4)啟動(dòng)電流可從0～額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，節(jié)約了電費(fèi)，也減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

(5)采用變頻節(jié)能調(diào)速器后，由于其性能已變?yōu)椋篈C－DC－AC，在整流濾波后，負(fù)載特性發(fā)生了變化。變頻調(diào)速器對(duì)電網(wǎng)的阻抗特性呈阻性，功率因數(shù)很高，減少了無功損耗。

2.3 變頻器的主要型式

高壓變頻器按主電路結(jié)構(gòu)可分為交－交方式和交－直－交方式兩大類。交－直－交變頻方式按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同又可分為電流源型、三電平PWM電壓源型和單元模塊串聯(lián)多電平PWM電壓源型，目前單元模塊串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器應(yīng)用較多。

單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。單元模塊串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器主要由進(jìn)線隔離變壓器、功率單元、控制系統(tǒng)和人機(jī)界面系統(tǒng)構(gòu)成。功率單元接線圖見圖1，由AC 630 V次級(jí)饋電的三相二極管整流器將電容器充電至DC 900 V，該電壓提供給由IGBT組成的單相H橋式逆變電路，使得變頻器能產(chǎn)生非常接近正弦波的輸出波形。

圖1 功率單元接線圖

3 變頻器的主要接線型式

二臺(tái)100%容量一用一備的水泵加裝變頻裝置通常有二種接線形式:一拖一方案接線見圖2，每臺(tái)水泵選用一臺(tái)變頻器，其優(yōu)點(diǎn)是任何一臺(tái)水泵運(yùn)行都能進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，缺點(diǎn)是初投資較高，是一拖二方案的近兩倍。一拖二方案接線見圖3，每二臺(tái)水泵共用一臺(tái)變頻器，應(yīng)用一臺(tái)變頻器能實(shí)現(xiàn)每一臺(tái)泵的工、變頻切換，并能實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)泵之間的切換。

圖2 一拖一方案接線

圖3 一拖二方案接線

4 變頻技術(shù)在閉式冷卻水系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 概況

大唐長(zhǎng)春第三熱電廠350 MW亞臨界火電機(jī)組閉式水系統(tǒng)原設(shè)計(jì)為單元制閉合大回路系統(tǒng)，設(shè)有兩臺(tái)100%容量的閉式冷卻水泵，閉式冷卻水泵電機(jī)的電壓等級(jí)為6 kV，定速泵，電機(jī)功率450 kW，為機(jī)組所有輔助設(shè)備提供冷卻水。

閉式冷卻水泵低負(fù)荷時(shí)采用定速運(yùn)行，出口流量只能由各冷卻用戶調(diào)門跟隨冷卻溫度調(diào)節(jié)，節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴(yán)重浪費(fèi)電能。季節(jié)性氣溫低時(shí)，閥門開度小，閥門受到長(zhǎng)期沖蝕導(dǎo)致使用壽命短，閉式水管道承受壓力高，經(jīng)常出現(xiàn)漏泄，并且出現(xiàn)了冷油器冷卻水壓高于油壓的不安全現(xiàn)象，因電機(jī)為全電壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)沖擊大，易造成泵體和電動(dòng)機(jī)本身及設(shè)備基礎(chǔ)的損壞，電動(dòng)機(jī)軸承損壞運(yùn)行周期短，致使現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量大，造成各種資源的極大浪費(fèi)且影響安全生產(chǎn)。閉式冷卻水泵及電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 閉式冷卻水泵及電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

為了有效降低廠用電率，保證設(shè)備及機(jī)組安全，大唐長(zhǎng)春第三熱電廠決定對(duì)閉式冷卻水泵電機(jī)進(jìn)行變頻改造。

4.2 改造方案

閉式水泵每臺(tái)機(jī)組更改一臺(tái)，本次技改共涉及兩臺(tái)水泵。改造方案為：改造為一拖一變頻帶旁路控制。采用江蘇力普公司的高壓變頻器，該系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用單元模塊串聯(lián)多電平技術(shù)，6 kV輸入，6 kV高壓輸出，屬高－高電壓源型變頻器。

該變頻裝置主機(jī)柜由控制柜、功率柜、變壓器柜以及旁路柜4個(gè)柜體組成，布置在1、2號(hào)機(jī)6.3 m平臺(tái)靠近A排的位置。變頻器屏柜的布置尺寸見圖4。

圖4 變頻器屏柜的布置尺寸

整個(gè)改造方案包括三部分改造。第一是就地高壓變頻器的安裝和接入。第二是電氣開關(guān)部分的改造。第三部分是熱工邏輯和DCS操作畫面的改造。

系統(tǒng)主回路控制原理見圖5。是由3個(gè)高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3和高壓開關(guān)QF、電動(dòng)機(jī)M組成。工、變頻啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)遠(yuǎn)方選擇的工、變頻控制方式，啟動(dòng)工頻或變頻運(yùn)行。變頻器重故障時(shí)，聯(lián)鎖斷開高壓開關(guān)QF。熱工聯(lián)鎖邏輯為：當(dāng)B泵變頻器故障跳閘時(shí)，系統(tǒng)聯(lián)跳B泵變頻器上口的高壓開關(guān)，由閉式冷卻水泵原有的聯(lián)鎖動(dòng)作邏輯實(shí)現(xiàn)閉式水泵掉閘，備用A泵工頻閉式冷卻泵聯(lián)鎖啟動(dòng)投運(yùn)，保證冷卻水的繼續(xù)供給。

圖5 系統(tǒng)主回路控制原理

高壓變頻器采用對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，具備飛車啟動(dòng)功能，瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能。并設(shè)以下保護(hù)：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護(hù)、短路保護(hù)、單相接地保護(hù)、電機(jī)過載保護(hù)、變壓器過溫保護(hù)、半導(dǎo)體器件的過熱保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)等，聯(lián)跳輸入側(cè)電源開關(guān)。

4.3 變頻改造的節(jié)能和運(yùn)行效果評(píng)估

與恒速系統(tǒng)相比，變頻調(diào)速具有明顯的節(jié)能效果。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

(1)變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以省去恒速系統(tǒng)再循環(huán)回路的電動(dòng)機(jī)損耗。從理論上分析節(jié)能效果在20%～30%。

(2)變頻調(diào)速水泵系統(tǒng)隨負(fù)荷變化，也有明顯的節(jié)能效果。負(fù)荷越低時(shí)，節(jié)能效果越明顯。

改造后用4 mA～20 mA信號(hào)控制變頻輸出調(diào)整閉式冷卻水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到改變閉式冷卻水泵出口流量滿足機(jī)組運(yùn)行要求的目的。該系統(tǒng)消除了因閥門開度變化造成的壓流損失，自身耗電大幅度下降，且調(diào)節(jié)方便，節(jié)能效果明顯。

4.4 試驗(yàn)方法

所取工況基本穩(wěn)定，閉式冷卻水泵運(yùn)行方式固定、流量保持穩(wěn)定，無較大波動(dòng)。選取閉式冷卻水泵在工頻和變頻兩種工況時(shí)間段，分別記錄耗電量、耗電率。

DCS中各參數(shù)經(jīng)校驗(yàn)指示準(zhǔn)確，主要輔機(jī)電度表經(jīng)校驗(yàn)，運(yùn)行可靠。通過對(duì)DCS的現(xiàn)有歷史數(shù)據(jù)能進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)，準(zhǔn)確核定閉式冷卻泵的節(jié)能功率。

4.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

表3 1號(hào)機(jī)閉式冷卻水泵改造變頻前后耗電率統(tǒng)計(jì)

4.6 節(jié)能效果評(píng)估

1、2機(jī)組閉式冷卻水泵變頻改造節(jié)能效果見表4。

閉式冷卻水泵未改變頻前1、2號(hào)機(jī)平均每小時(shí)耗電429.665 kW·h，改造變頻后平均每小時(shí)耗電87.225 kW·h，每小時(shí)節(jié)電量342.44 kW·h，按每年冬季7個(gè)月時(shí)間計(jì)算利用小時(shí)數(shù)為7×30×24＝5040 h，廠用電按0.3927元/ kW·h，全年發(fā)電量為294417萬kW·h。

表4 1、2號(hào)機(jī)組閉式冷卻水泵變頻改造節(jié)能統(tǒng)計(jì)

兩臺(tái)機(jī)閉式冷卻水泵可節(jié)電收益

=利用小時(shí)數(shù)×臺(tái)數(shù)×節(jié)電量×0.3927

=5040×2×342.44×0.3927

=1356826元

年節(jié)電量

＝利用小時(shí)數(shù)×臺(tái)數(shù)×節(jié)電量

＝5040×2×342.77

＝345.512萬 kW ·h

變頻改造后降低廠用電量率

＝年節(jié)電量/年發(fā)電量

＝345.512/294417

= 0.12%

從上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看：采用變頻裝置后,閉式冷卻水泵月平均電流僅占電動(dòng)機(jī)額定電流的約20%，減少了約80%。這說明在機(jī)組平均負(fù)荷率一般為70%～80%左右時(shí)，閉式冷卻水泵經(jīng)常處于輕、中載運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)的輸入功率減小很多，從而測(cè)出閉式冷卻水泵的平均節(jié)電率為80%。

此次兩臺(tái)機(jī)閉式冷卻水泵變頻控制改造費(fèi)用為110萬元，主要費(fèi)用見表5。

表5 兩臺(tái)機(jī)閉式冷卻水泵變頻控制改造費(fèi)用

改造后實(shí)現(xiàn)合計(jì)年收益：135.68萬元，總年節(jié)電量：345.512萬kW·h，可見當(dāng)年即可收回投資，還有盈余，節(jié)能效果是非?？捎^的。

4.7 運(yùn)行效果評(píng)估

(1)閉式冷卻水泵變頻投運(yùn)后，在啟動(dòng)閉式冷卻水泵時(shí)消除了電機(jī)大電流啟動(dòng)時(shí)的沖擊力矩對(duì)閉式冷卻水泵、電機(jī)的損壞。同時(shí)消除了大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)影響。

(2)變頻投運(yùn)后可隨機(jī)組負(fù)荷環(huán)境溫度變化及時(shí)調(diào)節(jié)冷卻水出力，達(dá)到降低廠用電的目的。

(3)在春秋冬季，變頻運(yùn)行可避免閉式水母管壓力過高引起的管道漏泄、冷油器冷卻水壓力高于油壓造成油中進(jìn)水的安全隱患。也可避免閉式水母管壓力過高各用戶因閥門開度過小引致的壓流損失，提高了系統(tǒng)效率，且延長(zhǎng)了閥門的使用壽命。

(4)由于變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)和保護(hù)等功能，降低了閉式冷卻水泵的運(yùn)行噪音，可以有效地減輕機(jī)械葉輪和軸承的磨損，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少了設(shè)備維護(hù)量。

(5)變頻投運(yùn)時(shí)運(yùn)行人員可以非常平滑、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)冷卻水量，對(duì)系統(tǒng)的調(diào)整控制更為穩(wěn)定自如，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)。

5 結(jié)語

綜上所述，350 MW機(jī)組單元制閉合大回路閉式水系統(tǒng)中，其閉式冷卻水泵電機(jī)應(yīng)用變頻技術(shù)后節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益顯著,變頻設(shè)備投資回收期短,運(yùn)行穩(wěn)定性高。除了閉式水系統(tǒng)，變頻技術(shù)還可應(yīng)用到電廠中的其他輔機(jī)中，在提高自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的同時(shí)，很好地達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

[1]徐甫榮．發(fā)電廠輔機(jī)電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造技術(shù)方案分析[J]．變頻器世界，2002，(4)．

[2]王意興．變頻技術(shù)在火電廠凝結(jié)水泵的應(yīng)用[C]//全國(guó)火電100 MW～200 MW級(jí)機(jī)組技術(shù)協(xié)作會(huì)2008年年會(huì)論文集，2008．