高壓變頻技術在發(fā)電生產過程中的應用
節(jié)能降耗成為一個發(fā)電企業(yè)生產經營管理水平的重要標準之一，火力發(fā)電行業(yè)是眾多能源行業(yè)之一，火電廠也是一個進行能源轉換的行業(yè)，在消耗一次能源的同時生產出二次能源。在消耗和生產的轉換過程中，如何實現低耗高效是一個需要長期關注和不斷發(fā)展的行業(yè)問題。
變頻器有著“現代工業(yè)維生素”之稱，在節(jié)能方面的效果不容忽視，現已廣泛應用于國民經濟的各行各業(yè)和人民的日常生活中，高壓電動機加裝變頻器，實現設備電動機的無級調速正是目前應用最廣的一項電動機調速節(jié)電技術，經驗數據表明，變頻節(jié)電效果至少在30%。以下介紹天津大唐國際盤山發(fā)電有些責任公司（以下簡稱盤山發(fā)電公司）對汽機凝結水泵進行變頻改造實現節(jié)能降耗的具體例證。
一、設備概述
盤山發(fā)電公司2×600MW火電機組是我國華北地區(qū)建設投產最早的600MW亞臨界火電機組，是京津唐電網的主力機組。
該公司每臺機組配有2臺立式長軸泵凝結水泵。1臺凝結水泵即可滿足機組BMCR工況要求，運行中采用一臺運行一臺備用的方式。
凝結水泵屬于是立軸靜葉出力不可調水泵。凝結水量的調整通過“除氧器水位調節(jié)站”中的30%流量調整門和70%流量調整門來調整，維持正常運行中的除氧器水位。
二、凝結水泵變頻改造
由流體力學可知，泵與風機的流量與轉速的一次方成正比，壓力與轉速的平方成正比，功率與轉速的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調節(jié)流量下降時，轉速可成比例地下降，而此時軸輸出功率成立方關系下降，即水泵電動機的功率與轉速近似成立方比的關系。變頻器就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換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給電動機。頻率可控即電動機轉速可控，從而達到節(jié)能的目的。
盤山發(fā)電公司的2臺600MW機組，每臺機組配備了2臺凝結水泵，單臺額定容量為1940m3/h，電動機功率為2500kW，額定電流274A，正常為1臺運行，另1臺備用，在額定600MW負荷下運行最大電流250.5A，只有額定電流的91.4%，低負荷運行最低電流到200A左右，是額定電流的73%。根據對凝結水泵運行工況和參數的分析，盤山發(fā)電公司對凝結水泵進行了變頻改造。由于凝結水泵正常運行方式是一運一備，故將采用“一拖二”方案，即每臺機組的2臺凝結水泵可共用1套變頻裝置，以節(jié)約投資。
三、改造方案
2007年9月，盤山發(fā)電公司利用4#機組小修的機會對凝結水泵進行了變頻改造。采用的是北京利德華福電氣技術有限公司的HARSVERT－A06/280（正弦波系列異步電動機普通控制型）高壓變頻器。該系列高壓變頻調速系統(tǒng)采用單元串聯多電平技術，6kV輸入，6kV高壓輸出，屬高－高電壓源型變頻器。該變頻裝置主機柜由控制柜、功率柜、變壓器柜以及旁路柜4個柜體組成，高壓變頻器接入電氣系統(tǒng)的方式如圖1所示。其中：QF1、QF2為高壓開關，QS1、QS4為入口刀閘，QS2、QS5為出口刀閘，QS3、QS6為旁路刀閘。
整個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。在就地搭建了專門的變頻小間，其中安裝的主要設備包括：高壓變頻器主柜體、雙路控制電源切換箱、高壓變頻器UPS（交流不停電）電源柜、高壓變頻小間柜式空調機以及變頻冷卻系統(tǒng)。高壓變頻器的所有就地操作、運行參數和報警參數的檢查設置都在變頻小間內完成。第二是電氣開關部分的改造。6kV高壓開關加裝了高壓變頻器保護回路和“工頻變頻工作方式”切換把手，配合凝結水泵變頻運行和工頻變頻兩種工作方式的切換。另外，從380V低壓交流廠用母線段和220V直流母線段完成了高壓變頻器控制電源和操作電源的供電改造。第三部分是熱工邏輯和DCS操作畫面的改造。在DCS畫面上增加一幅凝泵變頻畫面。在不同工作方式下啟動凝結水泵的方法也不同。當工頻方式下，畫面提示凝泵在工頻方式，在原畫面的操作按鈕上按下啟動，則合6kV開關直接啟動凝結泵電動機，運行中，通過除氧器水位調節(jié)站凝結水量調整門的開度來調節(jié)凝結水量維持除氧器水位；當在變頻方式下，畫面提示凝結泵在變頻方式，在原畫面的操作按鈕上按下啟動，則僅合入6kV開關，然后在新增畫面上的高壓變頻器啟動按鈕上按下啟動，則啟動高壓變頻器同時啟動凝結泵電動機，運行中的除氧器水位調節(jié)站凝結水量調整門保持全開，通過調整電動機轉速改變出力以調節(jié)凝結水量維持除氧器水位。
四、旁路柜介紹
該變頻裝置主機柜由控制柜、功率柜、變壓器柜以及旁路柜4個柜體組成，前三者屬于高壓變頻器核心柜體。而旁路柜（如圖1中虛線框內所示部分）的布置主要決定于高壓變頻器所帶負載的數目以及工頻和變頻工作方式的切換方法。凝結水泵一運一備的運行方式決定了變頻改造采用了一拖二的公用變頻器的改造方式，因此，其旁路柜功能就較為復雜。它是由6個高壓隔離開關QS1～QS6組成，隔離開關分別選用GN19系列單投和雙投戶內高壓隔離開關，相間距為210mm；單投隔離開關的進線端的3個絕緣端子為高壓帶電顯示裝置的3個傳感器，柜面外加輸入、輸出端子實現工頻、變頻指示。如果M1工作在變頻狀態(tài)，M2可以工作在工頻狀態(tài)；相反如果M2工作在變頻狀態(tài)，則M1可以工作在工頻狀態(tài)；如果檢修高壓變頻器，2臺負載都可以工頻運行。
一拖二的公用方式決定了實現變頻運行工頻備用的特殊工作方式，以及各開關刀閘之間復雜的閉鎖關系。各開關刀閘之間復雜的閉鎖關系如下：
1）QS1和QS4，QS2和QS5之間實現電氣閉鎖和邏輯閉鎖。確保只能有1臺凝結水泵可以投入變頻，無法將2臺同時投入變頻方式。
2）QS3和QS2，QS6和QS5安裝機械互鎖裝置，確保凝泵電動機只能處于工頻或者變頻工作方式，防止發(fā)生高壓變頻器輸出側與6kV電源側短路等嚴重事故。
3）QS1、QS2合閘，QS3分閘，且高壓變頻器發(fā)出合閘允許信號時QF1才能合閘，此時如果發(fā)出高壓變頻器重故障信號，QF1立刻跳閘。2號旁路柜相同。
4）QS1、QS2分閘，QS3合閘時，QF1可以合閘，此時高壓變頻器重故障信號不能使QF1跳閘。2號旁路柜相同。
5）當凝結泵變頻運行過程中，變頻運行給定指令小于95%，系統(tǒng)將閉鎖壓力低聯泵保護，防止變頻正常調節(jié)過程中聯動啟備用泵。
變頻運行給定指令大于95%，壓力低保護動作時聯啟備用泵動作有效。
需要說明的是，在凝結泵變頻運行方式的判斷回路中，采取了旁路隔離開關分閘的指示信號作為唯一判斷依據。主要是考慮到關鍵判斷回路的簡單和可靠性，而沒有讀取變頻上下口隔離開關的狀態(tài)進行判斷。避免判斷條件過多，導致回路容易出錯的問題。
五、凝泵變頻裝置冷卻系統(tǒng)介紹
為了保證高壓變頻器具有良好的運行環(huán)境，高壓變頻器室配一套冷卻系統(tǒng)用于室內環(huán)境降溫?？绽淦鞯娘L道與高壓變頻器排風口相連，從高壓變頻器出來的熱風，經過通風管道排放到內有固定水凝管的散熱器中，散熱器中通過溫度低于33℃的冷水，熱風經過散熱片后，將熱量傳遞給冷水，變成熱風從散熱片吹出，熱量被循環(huán)冷卻水帶走，從而保證高壓變頻器控制室內的環(huán)境溫度不高于40℃。
此冷卻系統(tǒng)有兩大優(yōu)點：一是屬于強迫風冷系統(tǒng)，增壓風機的增壓效果極大地提高了冷熱風的循環(huán)速度和熱交換的強度；二是該系統(tǒng)配有反沖洗系統(tǒng)，可以定期對冷卻水管道進行沖洗和對冷卻器管道進行反沖洗。定期清理管道內積存的污泥和雜物，對提高冷卻效果有著事半功倍的效果。鑒于盤山發(fā)電公司已經改造過的一次送風機變頻裝置也存在運行溫度高的問題，目前已經開始對一次送風機變頻系統(tǒng)加裝同樣的冷卻系統(tǒng)。
六、凝結泵變頻改造的節(jié)能效果預期
目前，凝結泵變頻改造已經完成并且順利投入使用，長期節(jié)能效果以及數據正在收集統(tǒng)計之中，目前各典型負荷點凝結泵工頻運行和變頻運行的電流對照見下表：
通過對照，可以很明顯看出凝結泵變頻改造的節(jié)能效果十分明顯，尤其是對于低負荷運行階段節(jié)電效果十分巨大。參考經驗數據，凝結泵變頻后即使按節(jié)電40%計算，假定凝結水泵負荷率為85%，機組年利用時間為5800h，那么全年2臺機組節(jié)電約986萬kW•h。因此，對凝結泵加裝高壓變頻器很有必要。
盤山發(fā)電公司對凝結泵的變頻改造取得了初步成功，節(jié)能效果明顯。發(fā)電生產設備中高壓轉機設備占有絕對數量，對轉機設備進行變頻改造的節(jié)能效果十分明顯，節(jié)能經驗和數據說明：技術因素對能耗的變化起著主導和決定性作用。利用新型技術對設備進行改造，根據實際應用情況進行進一步完善和革新，確保節(jié)能和安全達到完全統(tǒng)一。
變頻器有著“現代工業(yè)維生素”之稱，在節(jié)能方面的效果不容忽視，現已廣泛應用于國民經濟的各行各業(yè)和人民的日常生活中，高壓電動機加裝變頻器，實現設備電動機的無級調速正是目前應用最廣的一項電動機調速節(jié)電技術，經驗數據表明，變頻節(jié)電效果至少在30%。以下介紹天津大唐國際盤山發(fā)電有些責任公司（以下簡稱盤山發(fā)電公司）對汽機凝結水泵進行變頻改造實現節(jié)能降耗的具體例證。
一、設備概述
盤山發(fā)電公司2×600MW火電機組是我國華北地區(qū)建設投產最早的600MW亞臨界火電機組，是京津唐電網的主力機組。
該公司每臺機組配有2臺立式長軸泵凝結水泵。1臺凝結水泵即可滿足機組BMCR工況要求，運行中采用一臺運行一臺備用的方式。
凝結水泵屬于是立軸靜葉出力不可調水泵。凝結水量的調整通過“除氧器水位調節(jié)站”中的30%流量調整門和70%流量調整門來調整，維持正常運行中的除氧器水位。
二、凝結水泵變頻改造
由流體力學可知，泵與風機的流量與轉速的一次方成正比，壓力與轉速的平方成正比，功率與轉速的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調節(jié)流量下降時，轉速可成比例地下降，而此時軸輸出功率成立方關系下降，即水泵電動機的功率與轉速近似成立方比的關系。變頻器就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換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給電動機。頻率可控即電動機轉速可控，從而達到節(jié)能的目的。
盤山發(fā)電公司的2臺600MW機組，每臺機組配備了2臺凝結水泵，單臺額定容量為1940m3/h，電動機功率為2500kW，額定電流274A，正常為1臺運行，另1臺備用，在額定600MW負荷下運行最大電流250.5A，只有額定電流的91.4%，低負荷運行最低電流到200A左右，是額定電流的73%。根據對凝結水泵運行工況和參數的分析，盤山發(fā)電公司對凝結水泵進行了變頻改造。由于凝結水泵正常運行方式是一運一備，故將采用“一拖二”方案，即每臺機組的2臺凝結水泵可共用1套變頻裝置，以節(jié)約投資。
三、改造方案
2007年9月，盤山發(fā)電公司利用4#機組小修的機會對凝結水泵進行了變頻改造。采用的是北京利德華福電氣技術有限公司的HARSVERT－A06/280（正弦波系列異步電動機普通控制型）高壓變頻器。該系列高壓變頻調速系統(tǒng)采用單元串聯多電平技術，6kV輸入，6kV高壓輸出，屬高－高電壓源型變頻器。該變頻裝置主機柜由控制柜、功率柜、變壓器柜以及旁路柜4個柜體組成，高壓變頻器接入電氣系統(tǒng)的方式如圖1所示。其中：QF1、QF2為高壓開關，QS1、QS4為入口刀閘，QS2、QS5為出口刀閘，QS3、QS6為旁路刀閘。
整個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。在就地搭建了專門的變頻小間，其中安裝的主要設備包括：高壓變頻器主柜體、雙路控制電源切換箱、高壓變頻器UPS（交流不停電）電源柜、高壓變頻小間柜式空調機以及變頻冷卻系統(tǒng)。高壓變頻器的所有就地操作、運行參數和報警參數的檢查設置都在變頻小間內完成。第二是電氣開關部分的改造。6kV高壓開關加裝了高壓變頻器保護回路和“工頻變頻工作方式”切換把手，配合凝結水泵變頻運行和工頻變頻兩種工作方式的切換。另外，從380V低壓交流廠用母線段和220V直流母線段完成了高壓變頻器控制電源和操作電源的供電改造。第三部分是熱工邏輯和DCS操作畫面的改造。在DCS畫面上增加一幅凝泵變頻畫面。在不同工作方式下啟動凝結水泵的方法也不同。當工頻方式下，畫面提示凝泵在工頻方式，在原畫面的操作按鈕上按下啟動，則合6kV開關直接啟動凝結泵電動機，運行中，通過除氧器水位調節(jié)站凝結水量調整門的開度來調節(jié)凝結水量維持除氧器水位；當在變頻方式下，畫面提示凝結泵在變頻方式，在原畫面的操作按鈕上按下啟動，則僅合入6kV開關，然后在新增畫面上的高壓變頻器啟動按鈕上按下啟動，則啟動高壓變頻器同時啟動凝結泵電動機，運行中的除氧器水位調節(jié)站凝結水量調整門保持全開，通過調整電動機轉速改變出力以調節(jié)凝結水量維持除氧器水位。
四、旁路柜介紹
該變頻裝置主機柜由控制柜、功率柜、變壓器柜以及旁路柜4個柜體組成，前三者屬于高壓變頻器核心柜體。而旁路柜（如圖1中虛線框內所示部分）的布置主要決定于高壓變頻器所帶負載的數目以及工頻和變頻工作方式的切換方法。凝結水泵一運一備的運行方式決定了變頻改造采用了一拖二的公用變頻器的改造方式，因此，其旁路柜功能就較為復雜。它是由6個高壓隔離開關QS1～QS6組成，隔離開關分別選用GN19系列單投和雙投戶內高壓隔離開關，相間距為210mm；單投隔離開關的進線端的3個絕緣端子為高壓帶電顯示裝置的3個傳感器，柜面外加輸入、輸出端子實現工頻、變頻指示。如果M1工作在變頻狀態(tài)，M2可以工作在工頻狀態(tài)；相反如果M2工作在變頻狀態(tài)，則M1可以工作在工頻狀態(tài)；如果檢修高壓變頻器，2臺負載都可以工頻運行。
一拖二的公用方式決定了實現變頻運行工頻備用的特殊工作方式，以及各開關刀閘之間復雜的閉鎖關系。各開關刀閘之間復雜的閉鎖關系如下：
1）QS1和QS4，QS2和QS5之間實現電氣閉鎖和邏輯閉鎖。確保只能有1臺凝結水泵可以投入變頻，無法將2臺同時投入變頻方式。
2）QS3和QS2，QS6和QS5安裝機械互鎖裝置，確保凝泵電動機只能處于工頻或者變頻工作方式，防止發(fā)生高壓變頻器輸出側與6kV電源側短路等嚴重事故。
3）QS1、QS2合閘，QS3分閘，且高壓變頻器發(fā)出合閘允許信號時QF1才能合閘，此時如果發(fā)出高壓變頻器重故障信號，QF1立刻跳閘。2號旁路柜相同。
4）QS1、QS2分閘，QS3合閘時，QF1可以合閘，此時高壓變頻器重故障信號不能使QF1跳閘。2號旁路柜相同。
5）當凝結泵變頻運行過程中，變頻運行給定指令小于95%，系統(tǒng)將閉鎖壓力低聯泵保護，防止變頻正常調節(jié)過程中聯動啟備用泵。
變頻運行給定指令大于95%，壓力低保護動作時聯啟備用泵動作有效。
需要說明的是，在凝結泵變頻運行方式的判斷回路中，采取了旁路隔離開關分閘的指示信號作為唯一判斷依據。主要是考慮到關鍵判斷回路的簡單和可靠性，而沒有讀取變頻上下口隔離開關的狀態(tài)進行判斷。避免判斷條件過多，導致回路容易出錯的問題。
五、凝泵變頻裝置冷卻系統(tǒng)介紹
為了保證高壓變頻器具有良好的運行環(huán)境，高壓變頻器室配一套冷卻系統(tǒng)用于室內環(huán)境降溫?？绽淦鞯娘L道與高壓變頻器排風口相連，從高壓變頻器出來的熱風，經過通風管道排放到內有固定水凝管的散熱器中，散熱器中通過溫度低于33℃的冷水，熱風經過散熱片后，將熱量傳遞給冷水，變成熱風從散熱片吹出，熱量被循環(huán)冷卻水帶走，從而保證高壓變頻器控制室內的環(huán)境溫度不高于40℃。
此冷卻系統(tǒng)有兩大優(yōu)點：一是屬于強迫風冷系統(tǒng)，增壓風機的增壓效果極大地提高了冷熱風的循環(huán)速度和熱交換的強度；二是該系統(tǒng)配有反沖洗系統(tǒng)，可以定期對冷卻水管道進行沖洗和對冷卻器管道進行反沖洗。定期清理管道內積存的污泥和雜物，對提高冷卻效果有著事半功倍的效果。鑒于盤山發(fā)電公司已經改造過的一次送風機變頻裝置也存在運行溫度高的問題，目前已經開始對一次送風機變頻系統(tǒng)加裝同樣的冷卻系統(tǒng)。
六、凝結泵變頻改造的節(jié)能效果預期
目前，凝結泵變頻改造已經完成并且順利投入使用，長期節(jié)能效果以及數據正在收集統(tǒng)計之中，目前各典型負荷點凝結泵工頻運行和變頻運行的電流對照見下表：
通過對照，可以很明顯看出凝結泵變頻改造的節(jié)能效果十分明顯，尤其是對于低負荷運行階段節(jié)電效果十分巨大。參考經驗數據，凝結泵變頻后即使按節(jié)電40%計算，假定凝結水泵負荷率為85%，機組年利用時間為5800h，那么全年2臺機組節(jié)電約986萬kW•h。因此，對凝結泵加裝高壓變頻器很有必要。
盤山發(fā)電公司對凝結泵的變頻改造取得了初步成功，節(jié)能效果明顯。發(fā)電生產設備中高壓轉機設備占有絕對數量，對轉機設備進行變頻改造的節(jié)能效果十分明顯，節(jié)能經驗和數據說明：技術因素對能耗的變化起著主導和決定性作用。利用新型技術對設備進行改造，根據實際應用情況進行進一步完善和革新，確保節(jié)能和安全達到完全統(tǒng)一。
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