300MW機組凝結水泵變頻改造技術方案及節能分析

石志輝

（華潤電力湖北有限公司，湖北 赤壁437300）

凝結水泵作為火電廠凝結水系統的重要動力設備，其傳統運行方式采用工頻運行，除氧器水位通過改變凝結水泵出口調門的開度來控制，調門存在較大節流損失，而且當機組參與調峰，帶部分負荷時，凝結水泵仍以額定轉速運行，偏離經濟運行工況，電能浪費嚴重。

變頻調速技術以其優越的調速性能、顯著的節能效果、完善的保護功能及易與DCS接口等特點成為凝結水泵調速方式改造的首選方案。

1 變頻節能原理

由流體力學中的水泵相似定律可知，流量與轉速成正比，轉矩與轉速平方成正比，輸出功率與轉速立方成正比。調節電機轉速即可改變水泵的特性曲線，從而得到期望的流量和壓力，當水泵效率一定時，凝結水泵轉速降低，電機輸出功率按3次方遞減。

異步電機轉速n與電源頻率f、轉差率s及磁極對數p有如下關系：

電機帶負載運行時，轉差率隨負載變化而略微變化，可近似認為電機轉速與電源頻率呈線性關系，改變電源頻率即可改變電機轉速。

異步電機調速時需考慮的一個重要因素是磁通量Φm。若減弱磁通，電機鐵心沒有被充分利用，同樣電流產生的轉矩小，是一種浪費；若增大磁通，又會使鐵心飽和，一方面定子電流中勵磁電流分量增大，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機，另一方面轉矩電流分量減少，電機功率因數降低，因此希望磁通量為額定值不變。三相異步電機中的磁通是定子和轉子磁勢合成產生的，定子每相感應電動勢的有效值是：

式中：N，kN分別為定子每相繞組串聯匝數、基波繞組系數。

從式（2）可知，只要控制好E和f，便可達到控制磁通的目的（這里只需考慮基頻即額定頻率以下的情況）。要保持Φm不變，當頻率從額定值fn向下調節時，必須同時降低E，使E／f＝常數，即恒電動勢頻率比控制方式，但E難以直接控制，當E較高時，定子繞組的漏磁阻抗壓降可以忽略，近似認為定子相電壓U＝E，從而得到U／f＝常數，即恒壓頻比控制方式。變頻器利用電力電子器件的通斷，將工頻電源變換為另一頻率、電壓均可控的電源供給電機，頻率可控即電機轉速可控，從而達到節能的目的。

2 變頻改造方案

華潤電力湖北有限公司現裝機容量2×300 MW，于2004年投產發電，每臺機組配有兩臺立式筒袋型多級離心式凝結水泵，運行中采用1臺運行1臺備用方式。通過對凝結水泵及配套電機主要技術參數（如表1所示）和凝結水系統運行情況的綜合研究分析，本公司決定采用一拖二手動工／變頻切換控制方案。改造利用現有設備，在原兩臺凝結水泵上加裝一臺變頻器，正常運行時，變頻器帶動1臺凝結水泵運行，另1臺則不通過變頻器，而直接處于工頻備用狀態，當變頻器跳閘后，備用泵立即工頻聯啟，以保證除氧器上水的穩定。該方案可滿足凝結水泵定期切換制度的要求，提高變頻器利用率。

凝結水泵及配套電機主要技術參數：水泵型號NTL350－400×6，流量910t／h，揚程＞290m，電機型號YLKK500－4，額定功率1 000kW，額定電壓6kV，額定電流112.6A，額定轉速1 492r／min，功率因數0.85。

2.1 變頻器選型及結構特點

此次改造選用利德華福HARSVERT－A06／120高壓變頻器，整套裝置由控制柜、功率柜、變壓器柜和旁路柜4部分組成。

2.1.1 系統結構

變頻器采用功率單元串聯多電平拓撲結構，主要由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6 kV廠用電源經過副邊多重化的干式移相變壓器降壓后給功率單元供電，18個功率單元，每6個串聯成一組，分別對應變換后電源的三相，串聯方式采用Y接法，中性線懸空，直接高壓輸出至電機。變頻器系統結構如圖1所示。

圖1 變頻器系統結構Fig.1 System structure of converter

2.1.2 移相變壓器結構

移相變壓器副邊繞組采用延邊三角形接法，18個副邊繞組每3個一組，6個相位組的移相角分別為－30°，－20°，－10°，0°，10°，20°，每組互差10°，從而形成36脈沖6級移相疊加的整流電路結構，消除35次及以下諧波后的輸入電流波形接近正弦波，電網電流諧波失真很小，變頻器輸入功率因數接近1，因無功引起的廠用電損耗得以減少。

移相變壓器第3繞組給功率柜冷卻風扇、變壓器頂部和底部冷卻風扇供電。

2.1.3 功率單元結構

功率單元采用三相輸入、單相輸出的交－直－交PWM電壓源型逆變電路。整流側為二極管三相全橋電路，逆變側為IGBT作為開關器件的單相橋式電路，功率單元電路結構如圖2所示。通過對IGBT進行正弦脈寬調制（SPWM）控制，得到單相交流輸出。逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯的各功率單元載波之間相互錯開30°，變頻器輸出相電壓為13電平（如圖3所示），線電壓為25電平，電平數增加使輸出電壓非常接近正弦波，降低輸出諧波以及由諧波引起的電機附加發熱、噪音和轉矩脈動，機械軸承和葉片的機械應力也相應減小。由于輸出電壓的每個電平臺階只有功率單元直流母線電壓大小，dV／dt很小，對電機和電纜的絕緣破壞小。

圖2 功率單元電路結構Fig.2 Circuit structure of power unit

圖3 變頻器輸出相電壓波形Fig.3 Output phase voltage waveform of converter

整流后的電壓波形脈動較大，須加以濾波。受電解電容容量和耐壓能力的限制，濾波電容由若干個電容器并聯成一組，又由2個電容器組串聯而成。除了濾除電壓紋波，濾波電容還可以抑制輸入電壓和逆變器輸出負載電流瞬時變化所引起的輸出電壓波動，在整流電路和逆變電路之間起去耦作用，消除兩電路間的干擾，并向感性負載的電機提供無功功率，起到儲能作用。由于電解電容有較大的離散性，電容器組C1和C2的電容量不能完全相同，致使它們承受的電壓不相等，承受電壓較高的電容器組容易損壞，為了使U1和U2相等，在C1和C2旁各并聯一個電阻。

異步電機在工作頻率下降過程中，轉子轉速將超過此時的同步轉速，電機處于再生制動狀態，再生電流通過與IGBT反并聯的快速續流二極管向中間直流環節的電容器充電，致使電容電壓泵升，由于二極管整流電路不能將再生能量回饋到電網，為了保持直流電壓在允許范圍內，這部分能量將通過電阻以發熱形式消耗掉。

2.1.4 控制器

控制器由工控機和PLC構成。工控機負責實現多電平PWM控制和附加簡易矢量運算的U／f控制；PLC負責變頻器各開關信號的邏輯處理以及與現場各操作信號和狀態信號的協調。控制器與功率單元之間用光纖連接，來自控制器的驅動信號經光電轉換后送至IGBT的門極，控制IGBT導通和關斷，功率單元的狀態信息經電光轉換后送至控制器。

2.2 電氣

2.2.1 主回路

凝結水泵變頻改造電氣主回路如圖4所示。2臺凝結水泵共用1臺變頻器，電源側仍使用原6 kV開關，為確保系統可靠性，變頻器增加工頻旁路，包括6個高壓隔離開關QS1～QS6，其中QS2，QS3，QS5，QS6為雙投隔離開關，單投隔離開關QS1，QS4前安裝有高壓氧化鋅避雷器，進線端的3個絕緣端子為高壓帶電顯示裝置的傳感器，旁路柜門外加輸入輸出端子實現工頻／變頻指示。系統中各開關和刀閘之間具備如下閉鎖關系。

1）QS1和QS4，QS2和QS5之間實現電氣閉鎖，確保只有1臺凝結水泵投入變頻運行，2臺不能同時投入變頻運行，同時防止6kV電源側發生短路事故。

2）QS1和QS3，QS4和QS6之間實現電氣閉鎖，QS2和QS3，QS5和QS6之間實現機械互鎖，確保凝結水泵只能處于工頻或變頻工作方式，同時防止變頻器輸出側與輸入側發生短路事故。

3）A 泵變頻、B 泵 工 頻備用時，QS1，QS2，QS6合閘，QS3，QS4，QS5分閘，變頻器發出“合閘允許”信號時，QF2方能合閘。

圖4 變頻改造電氣主回路Fig.4 Main electrical circuit of converter reform

2.2.2 控制及保護回路

為提高控制電源可靠性，變頻器采用兩路220V交流電源，分別取自汽機6mMCCA段和MCCB段，通過雙電源快切開關實現兩路電源自動切換。另外還配備有1個1kV·A的不間斷電源UPS，當兩路控制電源都出現故障時，變頻器無擾切換為UPS供電。

變頻器提供給6kV開關“合閘允許”信號和“緊急分斷”信號，如圖5所示。當變頻器自檢通過或系統處于工頻狀態時，變頻器內的PLC發出“合閘允許”信號，串接在開關合閘回路中的“合閘允許”常開接點閉合，開關具備合閘條件；當變頻器出現重故障時，PLC發出“緊急分斷”信號，并接在保護回路中的“緊急分斷”常開接點閉合，保護跳閘繼電器BCJ動作出口后跳開關。另外，6 kV開關的一對常閉輔助接點將開關分閘狀態信號提供給變頻器電磁鎖回路。

圖5 開關控制及保護回路Fig.5 Control and protection circuit of switch

工頻旁路隔離開關QS3和QS6的分閘狀態分別經一對常開輔助接點送至DCS，作為凝結水泵工／變頻運行方式的判斷依據。QS3和QS6分別經中間繼電器K01和K02擴展一對常開輔助接點送至工頻運行指示燈回路，QS2和QS5分別送一對常開輔助接點至變頻運行指示燈回路。

變頻器本身配有過載、過流、過壓、欠壓、過熱、缺相及光纖故障等保護，其中過壓保護和欠壓保護用于防止電源側電壓波動造成功率單元直流側電壓過高和過低；過熱保護用于防止變頻器柜體內、移相變壓器和功率單元內的電力電子元件本體溫度過高。原6kV開關綜合保護及測控裝置的保護定值不變。

2.3 熱工

2.3.1 除氧器水位調節方式

變頻運行時，凝結水泵出口調門處于全開狀態，當除氧器水位發生波動時，DCS邏輯中由凝結水流量（調門后）、主給水流量、除氧器水位3個參數構成的串級回路，輸出轉速指令至變頻器，變頻器根據轉速指令來改變凝結水泵轉速，從而調節凝結水流量，保證除氧器水位穩定在運行人員設定范圍內。在機組啟／停、低負荷或倒泵過程中，除氧器水位可通過變頻器手動調節、調門輔助調節方式來控制。

當變頻器“重故障報警”或電機保護動作等故障導致開關跳開，備用泵工頻聯啟時，調門若仍處于全開狀態，凝結水上水量會因此猛增，所以此時調門必須立即做出反應才能確保除氧器水位不出現大的波動。通過研究分析歷史數據和除氧器水位壓力控制邏輯，在工頻泵啟動瞬間，調門開度只有立即強制跟蹤預置的“負荷開度計算值”，即由當前負荷指令計算出的調門應處的開度，方能使系統產生的擾動影響最小，這個開度也是凝結水泵工頻正常運行時與負荷具有函數關系的經驗開度值，1＃機調門開度如表1所示。待關到“負荷開度計算值”位置并穩定后，調門自動投入“自動”，凝結水泵變頻故障的無擾切換完成。

2.3.2 組態畫面

DCS凝結水系統畫面中，兩凝結水泵圖標間增加可彈出式變頻狀態窗口“Converter Status”，該窗口僅用于監視各隔離開關分合閘狀態。凝結水畫面中增加有切換按鈕，可切換至變頻控制窗口“Converter Control”，窗口中的凝結水泵和變頻器圖標可分別實現泵啟／停和變頻器啟／停、頻率升／降操作。

2.3.3 變頻器與DCS的接口

變頻器與DCS的接口信號有模擬量和開關量，模擬量采用DC 4～20mA電流信號，開關量采用繼電器干接點，接點閉合時有效。接口信號如下。

1）DCS提供給變頻器的模擬量輸入點（AI）。變頻器調速指令。

2）變頻器提供給DCS的模擬量輸出點（AO）。變頻器輸出電流；變頻器輸出轉速。

3）DCS提供給變頻器的開關量輸入點（DI）。遠程啟變頻器；遠程停變頻器；DCS急停變頻器。

4）變頻器提供給DCS的開關量輸出點（DO）。變頻器待機狀態；變頻器已運行；變頻器遠方位；變頻器輕故障報警（包括任一路控制電源失去）；變頻器重故障；變頻器兩路控制電源失去；凝結水泵工頻旁路狀態；各刀閘分／合閘狀態。

表1 1＃機凝結水泵變頻改造前后在各負荷點的現場運行及計算數據Tab.1 Site operation data and calculated data of condensate pump of unit 1＃around reform at each load point

3 改造效益分析

3.1 經濟性分析

以1＃機為例，凝結水泵變頻改造前后在各負荷點的現場運行數據及據此計算出的數據（暫不考慮電機和變頻器效率）如表1所示。對表1中的電流和功耗進行分析比較，可以比較直觀地看出，當機組負荷越低，電流和功耗降低越多，節電效果越顯著，如圖6所示。

圖6 1＃機各負荷點變頻改造前后功耗、節電率趨勢圖Fig.6 Trend diagram of power consumption and energy saving rate of unit 1＃around reform at each load point

3.2 設備運行情況分析

電機變頻啟動時，電流從零開始，隨著轉速增加平穩上升，因而變頻啟動消除了大啟動電流對電氣設備和熱力設備的沖擊應力，防止了由沖擊電流引起母線電壓下降導致的其它設備運行異常事件的發生，避免了繼電保護裝置的誤動。變頻運行時，電機轉速均在額定轉速以下，機械磨損和振動減小，軸瓦溫度降低，軸承壽命延長。此外，由于凝結水泵出口調門處于全開狀態，凝結水對閥芯的沖刷大大減小，調門電動執行機構的開關動作次數減少，執行機構和接觸器的損壞幾率也相應減小，因執行機構線性不好、調門調節特性差引起的水位調節品質差的問題得以有效避免，水位調節更加及時、準確，自動調節品質大為改善。

4 結論

2009年1＃機發電1.914 504×109kW·h，運行小時數7 345.68h，平均負荷260MW。

改造前全年凝結水泵用電量約為：856.85×7 345.68＝6 294 113.11kW·h；廠用電率為：6 294 113.11／（1.914 504×109）＝0.33%；改造后全年凝結水泵用電量約為：411.46×7 345.68＝3 022 472.05kW·h；廠用電率為：3 022 472.05／（1.914 504×109）＝0.16%；全年節約電量約為：6 294 113.11－3 022 472.05＝3 271 641.06 kW·h；廠用電率降低0.17個百分點。

采用本公司凝結水系統，改造后的顯著節能效果和良好控制品質充分說明，在發電企業主輔機設備中，采用變頻技術具有廣闊的應用前景，推廣變頻技術不僅是當前企業節能降耗的重要手段，也是實現經濟增長方式轉變的必然要求。此次變頻改造是成功的。

［1］張宗桐.變頻器應用與配套技術［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［2］李海濤.600MW機組凝結水泵一拖二變頻改造的設計與實現［J］.自動化博覽，2008，25（8）：67－69.