高压变频在超超临界660MW机组凝结水泵中的应用

      一、引言

　　本文以国产多电平型高压变频器在大唐宁德电厂凝结水泵的应用为例，分别对凝结水泵应用高压变频器前后的运行工况、基本原理及注意事项进行阐述，并通过电耗对比试验，对凝结水泵变频调节和传统调节阀门调节的节能效果进行比对，进而说明，超超临界机组采用高压变频器对凝结水泵进行调速节能改造的应用方法，具有投资省、见效快等特点。

　　超超临界燃煤发电机组具有煤耗低、技术含量高、环保性能好、节约资源的特点，必将是今后我国火电机组的发展方向。大唐宁德电厂二期工程为2×660MW超超临界发电机组，分别于2008年12月和2009年6月投入商业运行。自投产以来，机组各项运行指标良好。2台机组各配置2台100%容量的多级离心式凝结水泵，凝结水系统原设计运行方式为两台100%容量定速凝结泵互为备用，即由定速电动机驱动，一台运行，一台备用。凝结水流量靠除氧器上水调节门调节，并配备旁路以保证凝结泵在各种工况下安全运行。正常运行方式下，凝结水泵一台运行一台投备用，当运行凝结泵出现故障时，另外一台自动投入运行。在负荷变动时，通过除氧器上水调节门开度来控制除氧器水位，这就造成较大的节流损失。在启停机及低负荷时，为了维持凝结泵最小流量还要打开旁路门，造成能量白白流失。另外，即便机组处于满负荷运行状态，由于设计留有较大的裕量，除氧器上水调节门也不能处于全开位置。采用凝结泵定速运行，系统存在以下问题：

　　（1） 阀门调调节节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低，造成能源的浪费。

　　（2） 当流量降低，位开度减小时，调节阀前后压差增加工作安全特性变坏，压力损失严重，造成能耗增加。

　　（3） 长期10～40％低阀门开度，加速阀体自身磨损，导致阀门控制特性变差，并造成凝结水附近管道震动较大，对安全生产有极大影响。

　　（4） 管网压力过高威胁系统设备密封性能，严重时导致阀门泄漏，不能关严，凝结泵出口精处理器泄露等情况发生。

　　（5） 设备使用寿命短、日常维护量大，维修成本高，造成各种资源的极大浪费。

　　如果采用高压变频器对凝结泵电机进行变频控制，实现除氧器水流量的变负荷调节。除氧器上水调节门可以始终处于全开的状态，而且旁路门始终处于关闭状态，从而避免上述的各种功率损失。除此之外，变频器可以使电动机实现软启动，避免电动机直接启动引起的电网冲击和机械冲击，大大延长电机的寿命、减小管路振动、提高系统的可靠性。这样，不仅解决了控制阀调节线性度差、纯滞延大等难以控制的缺点，而且提高了系统运行的可靠性；更重要的是减小了因调节阀门孔口变化造成的压流损失，减轻了控制阀的磨损，降低了系统对管路密封性能的破坏，延长了设备使用寿命，维护量减小，改善了系统的经济性，节约能源，为降低厂用电率提供了良好的途径。

　　国家将能源利用效率列为重中之重，主要目标是到2010年单位GDP的能源消耗减少20％。其中，每1万元GDP标准煤消耗量应减少到0.98吨；单位GDP的能耗每年必需减至4．4％；单位工业附加值的水资源消耗必需减少30％；主要污染物排放应减少10％。为此，国家制定并实施了《节能中长期专项规划》，确定了“十一五”期间能耗降低目标。国资委和原国家环保总局就节能减排指标还分别与国内五大发电集团公司签订了责任状，将能源消耗纳入企业综合评价和年度考核，按照“一票否决”制，实施节能目标责任制和问责制。

　　大唐宁德电厂作为大唐集团的代表性企业，积极响应国家节能减排、建设资源节约型社会的重要政策，09年我们先后对两台机组凝结泵系统进行了变频改造。一年多来机组运行实践表明，改造后凝结水系统各项安全经济性指标达到了预期的目标，凝结泵变频改造工作取得了成功。

      二、高压变频调速技术

　　2.1 水泵负载调速节能原理

　　变频调速在水泵应用上和风机有所区别，在很多场合，负载管路特性的改变是用户用水量减少（即用户人为关阀）造成的。水泵在调速过程中还往往要求压力恒定，这时水泵的工作点变化如下图1所示：

　　流量由Q1变为Q2时，如果水泵定速运行，工作点将由A点变为B点，压力将升高，威胁管网安全；如果通过调速方式，水泵工作点将由A点变为C点，在提供需要流量的同时，保持压力不变。水泵在B、C两点的输出功率差为：PB －PC＝（H3－H2）×Q2。

　　在A、C两点，尽管水泵速度不同，但由于在两种情况下水泵所承担的流量不同，其出口压力和外管网压力仍然保持平衡。由于压力平衡的需要，水泵并联运行时，调速水泵的速度不能低于N3，否则将出现根本不对外出水的现象。非但不节能，还出现水泵空转耗能的现象。

　　如果在管网特性不变的系统中进行水泵调速，并且对水压没有要求，这种情况下节能效益比恒压供水要显著得多。

　   2.2 变频调速原理

　　变频调速是通过改变电源频率来调节电动机转速的。对于异步电动机而言，设f为定子电源频率，s为转差率，p为磁极对数，n为转速，按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：

　　由上式可见，电机的同步转速n0（n0=60f/p）正比于电机的运行频率f，由于转差率s一般情况下比较小（0~0.05），电机的实际转速n约等于电机的同步转速n0，所以改变电机的电源频率f，就能改变电机的实际转速。

　　变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源变频，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。即变频调速系统是从电网直接接收工频50 Hz的交流电，经变频器，将输入的工频交流电变换成为变频幅值都可调节的交流电直接输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。

　　2.3 高压变频器特点

　　变频器是运动控制系统中的功率变换器。目前，我国高压变频器呈现三大趋势：

　　（1）功率单元串联多电平技术依然是市场主流；

　　（2）向大功率方向发展；

　　（3）随着高压变频技术的成熟，将大幅拓展工艺控制对于变频调速的需求。

　　高压变频不像低压变频那样具有成熟的一致性的主电路拓扑结构，而是限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾，国内各变频生产厂商，采用不同的功率器件和不同的主电路结构，以适应各种拖动设备的要求，因而在各项性能指标和适应范围上也各有差异。

　　高压变频器一般可分为两大类：

　　（1）交—交变频器（无直流环节）

　　（2）交—直—交变频器（有直流环节）

　　其中交—直—交变频器又可根据直流环节采用大电感以平抑电流脉动的变频器称为电流源型变频器，直流环节采用大电容抑制电压波动的变频器则称为电压源型变频器。图2所示为三种高压变频器框图。

　　无论何类变频器，判断其优劣，首先要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；其次要看对电网的谐波污染和输入功率因数；再次要看其本身的能量损耗（即效率）如何。

　　目前，市场上众多生产厂家推出了各种原理和结构各异的高压变频器，选择一种适用于火电厂风机和水泵变频调速改造的产品是非常重要的。实践经验表明：单元串联多平电压源型变频器是火电厂风机和水泵变频调速改造的首选。这种变频器采用的拓扑结构由美国罗宾康公司率先开发研制，所以又称罗宾康结构。国内厂商包括利德华福、东方日立以及微能科技等公司均采用这种主电路结构。其结构特点是：

　　（1）在输出逆变部分采用了具有独立电源的单相桥式SPWM逆变器的直接串联叠加，不存在器件均压的问题；

　　（2）在输入整流部分采用了多相多重叠加整流技术，可以降低开关损耗提高等效开关频率，从而减小输出谐波、降低噪声和电动机的脉动转矩；

　　（3）在结构上采用了功率单元模块化技术，虽然使元件数目增加，但由于IGBT驱动功率低可以使变频器的效率高达96%以上。

　　（4）这些技术的采用使得这种变频器驱动功率小、总体效率高、谐波污染最小，堪称完美无谐波变频器。单元串联多电平电压源型变频器的主要优点是：

　　①由于采用功率单元串联，可采用技术成熟，价格低廉的低压IGBT组成逆变单元，通过改变联单元的个数适应不同的输出电压要求；

　　②完美的输入、输出波形，可以降低电机脉动转矩，使其能适应任何场合及电动机使用，对电机电缆长度无特殊要求；

　　③由于多功率单元具有相同的结构及参数，便于将功率单元做成模块化，实现冗余设计，在个别单元故障时可以通过旁路功能使系统能够正常或降额使用；

　　④变频器可承受-35电源电压降低和5个周波的电源丧失，能够适应发电厂厂用电系统工作和备用之间电源切换、电动给水泵等大负荷启动时造成的电压波动。

　　2.4 单元串联多电平型高压变频调速系统结构

　　我公司本次改造采用利德华福HARSVERT-A系列高压变频器，其调速系统采用多电平串联的结构控制方式，系统结构如图3所示。系统主要有移相变压器、功率单元、旁路单元组成。6kV系列有5个功率单元，每5个功率单元串联构成一相，每个功率单元结构上完全一致，可以互换。串联方式采用星型接法，中性点浮空。每个功率单元由电网电压经移相变压器的次级绕组供电，所有功率单元都通过光纤接收来自同一个中央控制器的指令，以调节输出电压，功率单元输出电压串联后得到可变频率的高压电供给电动机。