1 000 MW機(jī)組凝結(jié)水泵變頻改造可行性分析

劉文忠，符 剛，閆 虹

(神華國(guó)華綏中發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125222)

節(jié)能減排是關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問(wèn)題，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略任務(wù)?；痣姀S既是優(yōu)質(zhì)清潔能源創(chuàng)造者，又是一次能源消耗大戶(hù)和污染排放大戶(hù)，因而也是國(guó)家實(shí)施節(jié)能減排重點(diǎn)領(lǐng)域［1］。在火電機(jī)組中，凝結(jié)水泵屬大功率耗能設(shè)備，占廠用電一定份額，對(duì)此設(shè)備采用節(jié)能技術(shù)，有利于降低廠用電率。

1 電廠凝結(jié)水泵

綏中發(fā)電B廠有2臺(tái)1 000 MW機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配置3臺(tái)凝結(jié)水泵 (3×50%容量)，設(shè)計(jì)運(yùn)行模式為二運(yùn)一備。

1.1 凝結(jié)水泵參數(shù)

型號(hào):NLT400－500×5S

揚(yáng)程:335 m

流量:1 254 m3/h

軸功率:1 377 kW

轉(zhuǎn)速:1 480 r/min

效率:82.5%

1.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

型號(hào):YLKK560－4

額定電壓:6 kV

額定電流:183.4 A

額定功率:1 600 kW

額定轉(zhuǎn)速:1 490 r/min

功率因數(shù):0.88

效率:95%

凝結(jié)水泵將凝結(jié)水升壓，經(jīng)凝結(jié)水精處理裝置、軸封冷卻器、4臺(tái)低壓加熱器至除氧器。由于凝結(jié)水泵沒(méi)有調(diào)速裝置，為工頻定速運(yùn)行，因此可通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)流量控制除氧器水位。節(jié)流在閥門(mén)兩側(cè)產(chǎn)生較大壓差，造成能量損失，見(jiàn)圖1。

2 高壓變頻調(diào)速節(jié)能原理

風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)及壓縮機(jī)等幾乎廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，目前，其絕大部分在控制方面采用傳統(tǒng)的閥門(mén)、擋板、旁路等定速控制 (電動(dòng)機(jī)為定速運(yùn)行)，這是造成巨大能耗主要原因［2］。

風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)、壓縮機(jī)等機(jī)械均具有類(lèi)似壓力—流量 (P－Q)特性曲線，見(jiàn)圖2、圖3。

使用定速傳動(dòng)時(shí)，無(wú)論流量多大，電機(jī)始終恒速運(yùn)行，機(jī)械 (風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)、壓縮機(jī))實(shí)際工作在一條特性曲線上，其能耗保持較高狀態(tài)。

與定速控制相比，使用變頻器變速傳動(dòng)時(shí)，隨著流量變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之改變，機(jī)械 (風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī))實(shí)際工作在多條特性曲線上，且能耗隨之變化，見(jiàn)圖4。

圖4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量

由流體力學(xué)基本定律可知:風(fēng)機(jī) (或泵)類(lèi)設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量q、壓力(揚(yáng)程)h以及軸功率p具有如下關(guān)系:

q1/q2=n1/n2

h1/h2=(n1/n2)2

p1/p2=(n1/n2)3

式中，q1、h1、p1分別為風(fēng)機(jī) (或泵)在轉(zhuǎn)速n1時(shí)的流量、壓力 (或揚(yáng)程)、軸功率;q2、h2、p2分別為風(fēng)機(jī) (或泵)在轉(zhuǎn)速n2時(shí)相似工況條件下流量、壓力 (或揚(yáng)程)、軸功率。

可見(jiàn)風(fēng)機(jī) (或泵)流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力(或揚(yáng)程)與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。其它運(yùn)行條件不變情況下，下調(diào)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度，其節(jié)電效果與轉(zhuǎn)速降落成立方關(guān)系，節(jié)電效果非常明顯。

使用變頻器變速傳動(dòng)系統(tǒng)，在節(jié)能方面有顯著效果，是最佳節(jié)能手段之一。與其它調(diào)節(jié)方式參數(shù)對(duì)照見(jiàn)表1。

表1 變頻調(diào)節(jié)與其它調(diào)節(jié)方式對(duì)比

3 高壓變頻器選型及原理

3.1 高壓變頻器選型

選用大功率高壓變頻器。采用目前最先進(jìn)的功率單元串聯(lián)疊波技術(shù)、空間矢量控制的正弦波PWM調(diào)制方法，具有可靠性高、性能優(yōu)越、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合高壓交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載調(diào)速、節(jié)能、軟啟動(dòng)和智能控制等多種工況［3］。

3.2 高壓變頻器原理

高壓變頻器為交—直—交直接高壓 (高—高)方式，采用功率單元串聯(lián)、疊波升壓技術(shù)，充分利用常壓變頻器成熟技術(shù)，具有很高可靠性，其主電路見(jiàn)圖5。

隔離變壓器 (也稱(chēng)主變壓器)采用干式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)迫風(fēng)冷。變壓器原邊為Y形接法，直接與高壓電源相連;副邊有15個(gè)繞組，為延邊三角形接法，繞組間相位差為120°(移相)，為每個(gè)功率單元提供三相輸入電源。由于采用了移相技術(shù)，形成30脈沖整流輸入，從而消除了大部分由單個(gè)功率單元所引起的諧波電流，使得變頻器輸入電流的總諧波含量 (THD)遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)5%要求，并且能夠保持輸入功率因數(shù)接近1，輸入電流實(shí)錄波形接近完美正弦波，見(jiàn)圖6。

圖5 高壓變頻器主電路圖

圖7 功率單元原理圖

功率單元主開(kāi)關(guān)元件為 IGBT，輸入端 (三相)接主變壓器副邊繞組 (三相)，采用二極管全波整流、電容濾波，將三相交流輸入轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定直流電壓提供給由4個(gè)IGBT組成的單相H形橋式逆變電路，工作原理見(jiàn)圖7。

功率單元通過(guò)光纖接收來(lái)自主控制器信號(hào)，采用空間矢量正弦波脈寬調(diào)制 (PWM)方式，控制IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷，產(chǎn)生單相脈寬調(diào)制輸出。每個(gè)單元僅有3種輸出電壓狀態(tài):當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，L1－L2的輸出電壓為1狀態(tài);當(dāng)Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，L1－L2的輸出為－1狀態(tài);當(dāng)Q1和Q2或Q3和Q4導(dǎo)通時(shí)，L1－L2的輸出電壓為0狀態(tài)。

整個(gè)變頻器每相由5個(gè)功率單元串聯(lián)組成，單個(gè)功率單元額定輸出為690 V，5個(gè)疊加后每相產(chǎn)生3 450 V相電壓。三相輸出采用Y形接法，中性點(diǎn)懸浮，產(chǎn)生6 000 V線電壓 (21電平)，見(jiàn)圖8。

疊加后，相電壓有－5～0～5共11個(gè)電壓狀態(tài) (11電平)，線電壓為21電平，從而減小了d v/d t對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣的破壞，并大大削弱了輸出電壓諧波含量，加之電動(dòng)機(jī)感性負(fù)載的濾波作用，輸出電流波形接近正弦波，見(jiàn)圖9。

3.3 高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)

a． 高質(zhì)量輸入性能:輸入側(cè)隔離變壓器二次繞組經(jīng)過(guò)移相后為功率單元供電，30脈沖二極管整流，抑制了網(wǎng)側(cè) (輸入)諧波的產(chǎn)生，滿(mǎn)足IEE E519—1992《電源系統(tǒng)諧波控制推薦規(guī)程和要求》和GB/T14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對(duì)諧波含量的最嚴(yán)格要求，無(wú)需安裝輸入濾波器。

b． 完美輸出性能:單元串聯(lián)PWM疊波輸出，11電平，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形接近完美正弦波，無(wú)需輸出濾波裝置，可以驅(qū)動(dòng)普通交流電動(dòng)機(jī)，保護(hù)電動(dòng)機(jī)絕緣不受d v/d t應(yīng)力損害。

c． 高可靠性:采用單元串聯(lián)疊波技術(shù)，每個(gè)功率單元都采用成熟低壓變頻技術(shù)，電壓安全裕量大，具有較高可靠性［4］。

4 變頻實(shí)施技術(shù)方案

每臺(tái)機(jī)組3臺(tái)凝結(jié)水泵二運(yùn)一備，采用“二拖三”結(jié)構(gòu)，即通過(guò)2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)旁路刀閘柜、1個(gè)特制旁路刀閘柜實(shí)現(xiàn)用2臺(tái)高壓變頻器驅(qū)動(dòng)3臺(tái)凝結(jié)水泵中的2臺(tái)運(yùn)行，另1臺(tái)以工頻模式備用，主回路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10。其特點(diǎn)如下。

a． 加裝高壓變頻器后，通過(guò)旁路柜可靈活組態(tài)?？蛇x擇任意2臺(tái)作為運(yùn)行泵采用變頻驅(qū)動(dòng)，1臺(tái)備用泵以工頻備用。一旦變頻器出現(xiàn)故障，均可通過(guò)旁路刀閘切換至工頻模式。運(yùn)行泵與備用泵可輪倒。

b． 三旁路柜之刀閘聯(lián)鎖保護(hù):K12與K13、K32與K33、K22A與K23、K22B與K23有互鎖裝置，避免同時(shí)合閘。

c． 操作上，嚴(yán)禁 K11與 K21A、K12與K22A、K21A與 K21B、K22A與 K22B、K21B與K31、K22B與K32同時(shí)合閘。

d． 原設(shè)計(jì)備用泵的聯(lián)鎖保護(hù)啟動(dòng)邏輯保持不變。

e． 高壓變頻器輸出頻率 (轉(zhuǎn)速)給定值，由DCS系統(tǒng)控制，2臺(tái)變頻器發(fā)出同樣頻率 (轉(zhuǎn)速)給定值，實(shí)施同步調(diào)節(jié)。

實(shí)現(xiàn)高壓變頻驅(qū)動(dòng)后，流量不再由閥門(mén)調(diào)節(jié)，閥門(mén)開(kāi)至100%或保持一固定較大開(kāi)度，水阻降至最小，通過(guò)改變泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量，節(jié)省因閥門(mén)節(jié)流造成的能量損失，獲得明顯節(jié)能效果。同時(shí)改善調(diào)節(jié)性能，降低運(yùn)行噪音，減少機(jī)械磨損，大幅減少水泵、電機(jī)、閥門(mén)、管路檢修量和費(fèi)用。此外，高壓變頻器帶有共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)設(shè)置，能使電動(dòng)機(jī)、水泵避開(kāi)共振點(diǎn)運(yùn)行［5］。因此實(shí)施高壓變頻調(diào)速可有效防止喘振發(fā)生。

5 節(jié)能效益預(yù)測(cè)

按設(shè)計(jì)審定機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)5 500 h估算，機(jī)組單機(jī)運(yùn)行情況見(jiàn)表2。

5.1 工頻運(yùn)行

1臺(tái)凝結(jié)水泵工頻運(yùn)行年耗電量見(jiàn)表3。

表2 機(jī)組單機(jī)運(yùn)行相關(guān)參數(shù)

表3 1臺(tái)凝結(jié)水泵工頻運(yùn)行年耗電量

圖10 主回路結(jié)構(gòu)

由表3可得綏中發(fā)電B廠2臺(tái)機(jī)組4臺(tái)凝結(jié)水泵工頻運(yùn)行年耗電量為36 203 577.81 kWh。

5.2 變頻運(yùn)行

實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速后，調(diào)節(jié)閥盡量開(kāi)大，以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量，達(dá)到控制除氧器水位目的。此時(shí)流量減小、轉(zhuǎn)速降低、壓力降低?？紤]凝結(jié)水母管最低壓力限制，當(dāng)負(fù)荷過(guò)低時(shí)，關(guān)小調(diào)節(jié)閥，使壓力保持在2.2 MPa以上，1臺(tái)凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行年耗電量見(jiàn)表4。

表4 1臺(tái)凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行年耗電量

由表4可得綏中發(fā)電B廠2臺(tái)機(jī)組4臺(tái)凝結(jié)水變頻運(yùn)行年節(jié)約電量為9 264 002.545 kWh，平均節(jié)電率為27.9%。

6 結(jié)束語(yǔ)

高壓變頻系統(tǒng)作為非常有效的節(jié)能手段，在投入和使用時(shí)，由于轉(zhuǎn)速和壓力同時(shí)降低，可減少設(shè)備磨損、延長(zhǎng)設(shè)備和管路壽命、降低故障率。

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