高壓變頻技術(shù)在火電廠凝結(jié)水系統(tǒng)中的應(yīng)用

韓丹

摘要：結(jié)合某公司5號(hào)機(jī)組凝結(jié)水泵高壓變頻改造項(xiàng)目，介紹了變頻技術(shù)的節(jié)能原理以及變頻器的控制系統(tǒng)組成，分析了變頻技術(shù)的優(yōu)勢。采用變頻技術(shù)后，不但可以延長設(shè)備使用壽命，也取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：凝結(jié)水泵；變頻調(diào)速；節(jié)能

凝結(jié)水泵是汽輪機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，其作用是將凝汽器中的凝結(jié)水打入低壓加熱器加熱后送入除氧器內(nèi)。凝結(jié)水泵電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)不同程度上偏離經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況，機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行時(shí)偏離更遠(yuǎn)，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。使用變頻調(diào)速裝置可以提高運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能的目的。某公司5號(hào)機(jī)組（200MW）1、3號(hào)凝結(jié)水泵原來采用6kV高壓電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，通過技術(shù)改造，使用了高壓變頻器，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

1 變頻技術(shù)原理

異步電動(dòng)機(jī)的定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。磁場以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n0，轉(zhuǎn)子繞組通過切割磁力線，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流；通電的轉(zhuǎn)子繞組相對于磁場進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電磁力；電磁力使得轉(zhuǎn)子繞組以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的方向與磁場旋轉(zhuǎn)方向一致。

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：n=60f（1-s）/p

上式中：p是旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)，f是輸入電流的頻率。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)p不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子輸入電源的頻率f成正比。因此，通過連續(xù)改變供電系統(tǒng)電源的輸入頻率，就能夠連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速需要考慮的一個(gè)重要因素是必須要保證電機(jī)中每極磁通量為額定值，并在整個(gè)過程中一直保持不變。如果通過電動(dòng)機(jī)的磁通太弱，即電動(dòng)機(jī)如果出現(xiàn)欠勵(lì)磁，將會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式如下：TM=KTFMI2COSj2

上式中：TM是電磁轉(zhuǎn)矩，KT是比例系數(shù)，F(xiàn)M是主磁通，I2是轉(zhuǎn)子電流，COSj2是轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)。如果電機(jī)磁通的減小，將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的減小。電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)初期磁通常處于接近飽和值，如果進(jìn)一步增大磁通，將使電機(jī)鐵芯出現(xiàn)飽和甚至過飽和，從而導(dǎo)致電機(jī)中通過很大的勵(lì)磁電流，這將會(huì)增大電機(jī)的銅損和鐵損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致繞組過熱而損壞電機(jī)絕緣。在改變電動(dòng)機(jī)的頻率f時(shí)，也應(yīng)對電動(dòng)機(jī)的電壓U進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以維持電動(dòng)機(jī)磁通的恒定。用于交流電氣傳動(dòng)中的變頻器實(shí)際上也是變壓變頻器，通常也把這種變頻器叫作VVVF裝置。

2 變頻技術(shù)改造

2.1 改造前系統(tǒng)

某公司5號(hào)機(jī)為國產(chǎn)200MW超高壓中間再熱三缸雙抽兩排汽單軸凝汽式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，配置3臺(tái)6kV電壓等級的高壓凝結(jié)水泵電機(jī)，額定功率為220kW。水泵均為立式多級離心泵。3臺(tái)凝結(jié)水泵在改造前均屬于定速運(yùn)行方式。機(jī)組運(yùn)行時(shí)凝結(jié)水流量由DCS系統(tǒng)根據(jù)除氧器水位自動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥的開度進(jìn)行控制，節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率低下。

機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行時(shí)負(fù)荷低，相應(yīng)調(diào)節(jié)閥的開度小，造成系統(tǒng)管網(wǎng)的阻力增大，導(dǎo)致節(jié)流損失明顯增加，浪費(fèi)大量電能。由于控制閥門為電動(dòng)機(jī)械調(diào)整結(jié)構(gòu)，線性度不好、調(diào)節(jié)品質(zhì)差、自動(dòng)投入率低。頻繁的開關(guān)調(diào)節(jié)，容易出現(xiàn)各種故障，使現(xiàn)場維護(hù)量增加，造成各種資源的浪費(fèi)。因此，有必要對凝結(jié)水泵進(jìn)行技術(shù)改造、以降低能耗，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

2.2 變頻器介紹

5號(hào)機(jī)凝結(jié)水泵采用DHVECTOL-DI系列高壓變頻器，主要由旁通柜、變壓器柜、功率單元柜、控制柜組成。高壓變頻器的工作原理為：變頻運(yùn)行時(shí)，QF1和KM1處于合通狀態(tài)，QF2處于分?jǐn)酄顟B(tài)，當(dāng)人工給定切換指令或者系統(tǒng)出現(xiàn)重故障時(shí)，變頻器自動(dòng)分?jǐn)郠F1和KM1，然后合通QF2，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入工頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)需要變頻器重新投入使用時(shí)，人工給出切換指令，變頻器先合通QF1，變頻器進(jìn)入預(yù)充電狀態(tài)，變頻器充電就緒以后自動(dòng)運(yùn)行并斷開QF2，當(dāng)確認(rèn)QF2斷開后合KM1，變頻器檢測電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，并以檢測到的轉(zhuǎn)速開始將電動(dòng)機(jī)帶回50Hz運(yùn)行工況。供電方式如下圖。

2.3 改造后操作規(guī)范

2.3.1 變頻啟動(dòng)

DCS中“變頻器啟動(dòng)允許”光字牌亮后，在DCS中按下“變頻器復(fù)位”按鈕，對變頻器進(jìn)行復(fù)位。按下“變頻器運(yùn)行”按鈕發(fā)出啟動(dòng)指令，變頻器開始充電（充電時(shí)間40S），待充電結(jié)束后自動(dòng)合上6kV高壓開關(guān)，變頻器自動(dòng)運(yùn)行到設(shè)定的運(yùn)行轉(zhuǎn)速可根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷需要，改變變頻器的給定轉(zhuǎn)速，并注意及時(shí)確認(rèn)否則無效。

2.3.2 變頻停止

在DCS中按下“變頻器停止”按鈕發(fā)出停機(jī)指令，或就地按下“停機(jī)”按鈕，并及時(shí)確認(rèn)，變頻器自動(dòng)進(jìn)入停機(jī)程序，直至運(yùn)行頻率為“0Hz”。變頻器運(yùn)行頻率為“0Hz”后自動(dòng)將6kV高壓分?jǐn)啵到y(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)發(fā)出“請求運(yùn)行”。

3 效果分析

3.1 節(jié)能效果明顯

采用變頻器調(diào)速技術(shù)的凝結(jié)水泵流量、揚(yáng)程和效率均達(dá)到其生產(chǎn)廠家規(guī)定值。根據(jù)改造前后日耗電量的對比計(jì)算結(jié)果可知，凝結(jié)水泵的耗電量低于同等容量的定速凝結(jié)水泵，節(jié)能效果非常明顯。凝結(jié)水泵運(yùn)行平穩(wěn)，變頻器安全可靠，調(diào)速性能優(yōu)越，完全能夠滿足5號(hào)機(jī)組任何負(fù)荷及各種運(yùn)行方式下凝結(jié)水流量和真空等參數(shù)要求。

3.2 延長設(shè)備壽命

采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)后，凝結(jié)水泵運(yùn)行時(shí)，介質(zhì)對水泵的葉輪、風(fēng)機(jī)冷卻風(fēng)扇和調(diào)門的磨損，特別是沒有應(yīng)力負(fù)載作用于軸承上，使軸承的磨損、密封的損壞都大大降低，減少了維修工作量和維護(hù)成本，同時(shí)也延長了電動(dòng)機(jī)和水泵等的使用壽命，延長了設(shè)備大修周期。此外，采用變頻調(diào)速運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)振動(dòng)值和產(chǎn)生的噪音也大幅度降低，克服了由于調(diào)門線性度不好，調(diào)節(jié)品質(zhì)差，引起管道錘擊和共振，造成給水系統(tǒng)上水管道強(qiáng)烈震的缺陷。

3.3 自動(dòng)化水平高

高壓變頻器依靠電廠集控中心的DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、寬幅度的無級調(diào)速，滿足各類運(yùn)行工況的需要，特別針對200MW熱電聯(lián)產(chǎn)調(diào)峰機(jī)組，能夠提高生產(chǎn)效率和機(jī)組自動(dòng)化水平。

3.4 減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊

大功率電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，由于啟動(dòng)電流很大，在啟動(dòng)瞬間6kV廠用電電壓會(huì)大幅下降，影響其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行。采用變頻調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速慢慢升高，啟動(dòng)時(shí)最大電流可按需要限制在一定范圍內(nèi)，使得對廠用電源的沖擊和機(jī)械負(fù)載的沖擊都大大減小，減小了電機(jī)啟動(dòng)損壞幾率。

4 結(jié)論

采用高壓變頻器的調(diào)速的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行相對平穩(wěn)，啟動(dòng)性能好，對廠用電系統(tǒng)用的沖擊和機(jī)械負(fù)載的沖擊都明顯減小，同時(shí)延長了電動(dòng)機(jī)和機(jī)械部分的使用壽命。變頻裝置安全可靠，調(diào)速性能優(yōu)越，完全能滿足機(jī)組任何負(fù)荷及各種運(yùn)行方式下的要求，變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)電效果顯著。

采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的給水泵雖然初期投資較多，但由于其節(jié)能效果顯著，投資回收還是比較快的，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。200MW汽輪發(fā)電機(jī)組凝結(jié)水泵推廣使用變頻技術(shù)，可以大幅度降低廠用電率， 減少發(fā)電成本， 提高競價(jià)上網(wǎng)的競爭能力。