火電廠大功率輔機高壓變頻改造應用

馬紹杰

（華電濰坊發電有限公司,山東 濰坊 261204）

0 引言

根據中電聯2013年全國發電統計數據顯示，我國發電能源結構中火電比例占到78%以上，作為主要的電力能源生產者，火力發電廠在滿足社會用電需求方面起到重要作用。但火力發電廠作為電能主要生產者的同時也是重要的電能消耗大戶，廠用電一般占發電量的4%-7%，其中拖動大功率風機、水泵輔機的高壓廠用電動機的耗電量占廠用電的75%左右，全國的統計數據表明即使在經濟性較好的超臨界600MW等級機組行業的平均廠用電率仍達到了4.6%,全國每年都有大量電能消耗在火電廠自身用電中，廠用電率高低直接關系到電廠的經濟效益。

研究表明，風機、水泵采用變速調節后可減小系統節流損失，降低驅動電機電能消耗量，取得顯著的節能效果。近年來隨著電力電子技術的發展，以節能為主要目的變頻調速技術逐漸在高壓大容量電動機上得到推廣應用，為提高設備運行經濟性開拓了廣闊前景。因此，擴大高壓變頻器的應用范圍，對提高火電廠給水泵、風機、循泵等大功率輔機的運行經濟性，降低電廠自身廠用電率具有積極的經濟效益和社會效益。

1 變頻器調速節能原理

根據異步交流電動機的轉速n與電源頻率f、轉差率s、電機極對數p四個參數之間的對應關系式 n=60f(1-s)/p，改變其中任何一個參數都可以實現轉速的改變。在電動機極對數、轉差率不變的情況下，電動機轉速與供電頻率呈線性關系。變頻器就是通過改變電源頻率f的方式來改變電動機轉速的，如果均勻地改變電動機定子供電頻率，可以平滑地改變電動機的同步轉速。改變頻率的調速屬于轉差率不變、同步轉速和電動機理想轉速同步變化下的調速。所以，變頻調速的調速精度、功率因素和效率都較高，容易實現閉環控制,并且變速調節中系統管路特性不變，不存在附加的調節阻力，調節經濟性高，是水泵、風機較為理想的調節方法。

火電廠為了保證生產的可靠性，在設計配用動力驅動時，都留有一定的富余量。電機不能在滿負荷下運行，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費，在壓力偏高時，可降低電機的運行速度，使其在滿足生產需要的同時節約電能。由水泵、風機變速調節比例定律可知，水泵、風機的流量Q與轉速n的一次方成正比，壓力H與轉速n的二次方成正比，而水泵、風機的功率P則與轉速n的三次方成正比。

當電機轉速從n2變到n1時，其電機軸功率P的變化關系如下：P1/P2=(n1/n2)3，由此可見降低電機轉速可得到立方級的節能效果。

2 變頻調節特點

目前我國火力發電行業存在三個特點：一是磨煤機、風機、水泵等主要用電設備存在25%左右的富裕量，致使大馬拉小車；二是發電側供暫時過于求，大多數電廠不能滿負荷運行，機組負荷率偏低；三是單機容量越來越大，參與調峰運行的機組容量越來越大，隨著季節晝夜的變化參加調峰運行的機組必須隨時調整其發電能力。目前電廠風機、水泵大都是定速電機驅動，用閥門或擋板進行節流控制，電能浪費嚴重，采用變頻變速調節技術可解決因節流控制造成電能增加的問題。

火力發電廠風機、水泵類輔機采用變頻調節的優點除了降低電耗節能外，與傳統擋板閥門調節及其它變速調節相比還具有如下優點：

（1）減少閥門或擋板的操作頻次，降低了閥門擋板損壞幾率，轉速降低，對所帶機械設備磨損減輕，節省了設備檢修維護費用。

（2）變頻器調節精度高、范圍廣，與電廠DCS配合可適應復雜的控制邏輯模式，提高機組自動化水平，降低值班人員監盤調節的勞動強度。

（3）實現電動機軟啟動。避免了異步電動機直接啟動時電流過大，易產生操作過電壓威脅電動機安全的問題，延長了電動機的使用壽命。

（4）高壓變頻器可對電動機功率因數實現就地補償，提高廠用變壓器容量的有效利用率，避免風機、水泵啟動時廠用電電壓的大幅波動。

（5） 與使用液力耦合器調速相比，具有無轉動部件，工作可靠、維修工作量少，系統簡單，占地少安裝方便，原有的電動機，泵和風機位置不用改動，能量轉換過程中效率高等優點。

采用變頻調節后也會帶來一些問題，主要有：

（1）高次諧波問題。因采用變頻器后電動機定子電流中會帶有高次諧波，該諧波增加了電動機的損耗，降低了電機效率，電動機溫升將比改造前有所升高。

（2）散熱能力問題。異步電動機是按額定轉速下冷卻風扇考慮的冷卻風量，使用變頻器后，電機運行速度降低，冷卻風量變小，散熱能力也隨之變差。

（3）機械共振問題。風機轉子在變頻方式下運行某一轉速時，會產生機械共振問題，嚴重時會造成電機或所帶機械設備嚴重損壞。以上問題都需要在設計調試階段予以充分考慮解決，才能保證改造后運行安全

3 高壓變頻器改造應用

下面以華電濰坊發電有限公司高壓變頻器在超臨界670MW機組脫硫增壓風機、凝結水泵上的應用為例進行介紹。

3.1 脫硫增壓風機應用

3.1.1 一次電氣系統組成

華電濰坊公司670MW機組脫硫系統采用石灰石-石膏濕式脫硫，脫硫塔單元配置，配置有兩臺成都電力機械廠生產的ANT37e6(V13+4°)靜葉調節軸流增壓風機,電機額定功率2800kw。增壓風機變頻裝置采用完美無諧波變頻器，是羅賓康公司設計制造的脈寬調制交流變頻電機驅動器系列。采用“一拖一”斷路器自動旁路方式，一套變頻器帶一臺風機，變頻裝置裝設有進線、出線及旁路三個斷路器（如圖1）。變頻器故障時，可通過跳進、出線斷路器、合旁路斷路器，實現風機由“變頻”向“工頻”方式的自動切換。增壓風機變頻裝置由電源輸入柜、變壓器柜、功率單元柜、控制柜及電源開關柜四部分組成。功率單元柜有15個功率單元，每5個功率單元串聯構成一相，組合起來提供6000V線電壓，所有功率單元的機械和電氣參數均相同，可方便進行互換。

圖1 變頻器一次電器接線圖

變頻器進線1DL開關與變頻器旁路3DL開關之間設有電氣閉鎖，即進線1DL開關合閘后、閉鎖旁路3DL開關合閘，或旁路3DL開關合閘后、閉鎖進線1DL開關合閘；變頻器出線2DL開關與變頻器旁路3DL開關之間設有電氣閉鎖，即出線2DL開關合閘后、閉鎖旁路3DL開關合閘，或旁路3DL開關合閘后、閉鎖出線2DL開關合閘。變頻裝置正常運行時，變頻器按照給定的頻率指行轉速調節，以滿足工況調整需要。變頻器一個或兩個功率單元出現故障被旁路時，變頻器仍可維持運行。當旁路功率單元超過兩個時，變頻器將跳閘。變頻器旁路電源開關在備用狀態且DCS中“變切工”功能投入時，若變頻器收到“急停”指令或變頻器發生故障，則變頻器立即關閉，跳進、出線電源開關，并通過DCS控制系統發出旁路開關合閘指令，實現風機由“變頻”到“工頻（旁路）”狀態的切換。

3.1.2 節能效果

脫硫增壓風機進行變頻改造后工作穩定，節電效果明顯（如表1），尤其在機組調峰低負荷運行時節能顯著，根據統計數據在67%機組負荷率下運行耗電率較工頻方式大大降低，節電量最高可達 37%，經濟效益可觀，變頻改造同時解決了低負荷風機振動大的問題，提高輔機設備運行可靠性。

表1 變頻改造前后不同負荷率脫硫增壓風機耗電率對比

3.2 凝結水泵應用

3.2.1 一次電氣系統組成

華電濰坊公司670MW機組配備兩臺NLT500-570×5S型凝結水泵，電機額定功率為2240KW。變頻器選用北京利德華福公司生產的HARSVERT—A06／260型高壓變頻器，變頻改造采用一拖二手動旁路方案，即通過刀閘間的切換，可以實現任一泵變頻、另一泵工頻的運行方式 (如圖2)。凝結水泵變頻裝置由移相變壓器柜、功率單元柜、控制柜和旁路柜四部分組成，設有單獨的強制密閉冷卻裝置。功率單元柜有18個功率單元，每6個功率單元串聯構成一相，其電路為基本的交-直-交單相逆變電源。變頻裝置的旁路柜分為A凝結水泵旁路柜和B凝結水泵旁路柜，每個旁路柜內裝有變頻器輸入、輸出、旁路三把刀閘，“變頻”、“工頻”兩個指示燈及帶電顯示器一個。刀閘之間、刀閘與高壓開關之間裝設有機械或電氣閉鎖。通過刀閘之間的相互切換，可實現兩臺凝結水泵在變頻、工頻運行方式間的轉換，并可通過“變頻”、“工頻”指示燈進行顯示，高壓開關的合閘與否可通過帶電顯示器進行指示。

為保證系統安全運行防止誤操作，變頻器各開關刀閘間設有完善的閉鎖，QS1刀閘受QF1開關及QS4刀閘的電氣閉鎖，QS4刀閘受QF2開關及QS1刀閘的電氣閉鎖； QS2刀閘受QF1開關及QS5刀閘的電氣閉鎖，QS5刀閘受QF2開關及QS2刀閘的電氣閉鎖；QS3、QS6刀閘分別QF1、QF2開關的電氣閉鎖，同開關所屬QS2、QS3刀閘之間以及QS5、QS6刀閘之間相互機械閉鎖。

圖2 變頻器一拖二改造原理圖

凝泵6kV開關QF1的合閘受本開關所屬QS1、QS3刀閘的電氣閉鎖，開關QF2的合閘受本開關所屬QS4、QS6刀閘的電氣閉鎖，變頻裝置控制柜門上“緊急停機”按鈕跳凝泵6kV開關受本開關所屬QS3或QS6刀閘的閉鎖。

3.2.2 節能效果

通過對照，凝結水泵進行變頻改造后工作穩定，節電效果明顯（如表2），尤其在機組調峰低負荷運行時節能顯著，在55%左右負荷時，變頻改造后節電效果達到了60%以上，變頻改造同時解決了低負荷凝泵泵體因節流振動大的問題，減少再循環門磨損沖刷，提高了輔機設備運行可靠性。

表2 變頻改造前后不同負荷率凝結水泵耗電率對比

4 結論

高壓變頻器用于火電廠大功率輔機節能改造后，能有效降低設備系統用電率，特別是發電機組在低負荷運行情況下，部分輔機改造后節電效果達到了60%以上，節能效果顯著。采用變頻改造還能延長電動機、水泵與風機的使用壽命，減少系統閥門、擋板的磨損，提高機組控制自動化水平，為火電廠帶來較大的經濟效益和社會效益。

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