變流器在抽汽背壓式給水泵汽輪機系統中的應用研究

藺奕存，普建國，高景輝，呂海濤，張明理，閆文辰，楊博，邵亞飛，張一帆

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.華能秦煤瑞金發電有限責任公司，江西 贛州 341000；3.西安益通熱工技術服務有限責任公司，陜西 西安 710032）

給水泵小汽輪機作為電站重要的輔機設備，已在電站中得到了廣泛應用[1]。對其啟動及運行優化已經有了大量研究[2-3]。在超超臨界1 000 MW 二次再熱機組中，為滿足鍋爐上水需求，給水泵需要更高的揚程，因此給水泵組運行的可靠性及經濟性顯得尤為重要[4-5]。

此外，二次再熱機組中，在超高壓缸與高壓缸做完功的乏汽分別在一級再熱器與二級再熱器中經過加熱，從而具有較高的過熱度。若此時從高壓缸與中壓缸進行抽汽，在加熱器中換熱溫差大，增加了不可逆損失，降低了機組的熱經濟性[6]。為解決上述問題，利用抽汽背壓式汽輪機（back pressure extraction steam turbine，BEST）作為給水泵汽輪機增加獨立的回熱系統，不僅可以驅動給水泵為鍋爐上水，而且可以降低抽汽過熱度，提高能級利用率及系統可靠性[7]。與此同時，汽輪機高、中壓缸無抽汽，這有助于提高機組效率，降低機組煤耗[8]。目前，BEST 已在廣東陸豐甲湖灣電廠超超臨界1 000 MW 一次再熱機組中得以應用，但BEST 轉速由進汽調節閥進行調節，造成了一定的節流損失。同時，機組仍需要通過配置電動給水泵以供機組啟動初期使用。

變流器是一種使單元系統的電壓、頻率、相數和其他電量或特性發生改變的電氣設備[9]，變流器的應用已經在多個領域實現[10-11]。變流器作為風力發電的核心設備，通過變流器可以輸出持續平穩的電能。但由于風力發電的不確定性，使發電機的轉速不斷變化。因此，對變流器在寬轉速范圍下的控制方法有了大量的研究[12-13]，使得變流器可以在更廣的轉速范圍內輸出穩定電能，并使其可以應用于更多的領域。

某火電廠的汽動給水泵組選用的汽輪機為BEST，與汽輪機構成了雙回熱系統；同時為汽動給水泵組增設了電機-變流器組。汽動給水泵組運行過程中，通過變流器對BEST 的轉速進行控制。BEST進汽調節閥全開，解決了汽門調節帶來的節流損失。在機組啟動初期利用與變流器相連的交流變頻同步電機為BEST 提供動力，使BEST 可以電動啟動，具備了啟動方式靈活的特點。汽源充足時，BEST拖動給水泵組后的多余功率利用電機-變流器組向外輸出電能。該布置方式不用單獨設置電動給水泵，降低了工程造價。

由于變流器首次應用于火力發電機組，因此對其工作方法及控制方式尚無調試及運行經驗可循。本文在機組試運過程中對變流器進行相關的試驗，以確保機組安全穩定運行。

1 BEST 系統介紹

BEST 系統設備的連接方式如圖1 所示。BEST設置了3 路驅動汽源，分別是一次再熱低溫蒸汽、輔助蒸汽以及臨機供熱母管蒸汽。在BEST 本體連接有2—6 段抽汽的抽汽管道，BEST 排汽可以通往7 號低壓加熱器或者凝汽器。與傳統“前置泵-小汽輪機-給水泵”的布置方式不同，該系統采用“前置泵-給水泵-BEST”的布置方式，在BEST 后設置同軸的交流變頻同步發電機/電動機（下稱“電機”）。該電機與變流器通過電纜相連，變流器與廠用電母線相連。

圖1 BEST 系統設備連接示意Fig.1 Schematic diagram of device connection in BEST system

采用圖1 方式布置的雙機回熱系統，一方面可以減小機組回熱抽汽的過熱度，降低回熱加熱器溫差傳熱產生的不可逆損失；另一方面，通過配備“變流器-電機”系統以平衡BEST 調節汽門全開后的過剩功率，不僅可使各回熱加熱器的抽汽流量隨主機負荷變化，避免調節閥節流造成抽汽量減少及給水溫度受限，而且減少了進汽調節閥的節流損失。

該機組汽輪機選用超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機，型號為N1000-31/605/622/620。給水泵汽輪機選用變參數、變功率、變轉速式BEST，從而適應主機變工況變負荷時鍋爐給水流量及壓力的不斷變化。BEST結構上為單缸、反動式、單流、抽汽背壓式汽輪機。采用配備電子注入增強柵晶體管（injection enhanced gate transistor，IEGT）功率單元H 橋多級串聯式四象限變流器，具有啟動電流小、高效節能、高功率因數及高可靠性等特點。變流器采用載波調制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）脈寬調制技術及水冷散熱技術，搭配變流變頻同步發電機/電動機使用，可實現電機的變頻調速，同時保障設備安全穩定。BEST、變流器及電機主要技術參數見表1—表3。

表1 BEST 主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of the BEST

表2 變流器主要技術參數Tab.2 Main technical parameters of the converter

表3 電機主要技術參數Tab.3 Main technical parameters of the motor

2 啟動及運行方式

BEST 既可通過汽動方式啟動，也可選擇電動方式啟動，使汽動給水泵組的啟動方式更具有靈活性。

2.1 汽動方式啟動及運行

選擇BEST 模式啟動，與傳統的啟動方式相同，即為小汽輪機電液控制系統（micro electrohydraulic control system，MEH）對汽輪機進行控制，此即“MEH 主控”模式。MEH 通過調節進汽調節閥開度控制BEST 轉速，從而滿足鍋爐所需的上水量。在啟動過程中，需要足夠壓力及流量的輔助蒸汽或外源供汽來驅動BEST 升速，以防止機組啟動點火初期由于給水流量低造成鍋爐主燃料跳閘（main fuel trip，MFT）。正常運行時，供汽汽源為一次再熱冷段蒸汽。

由于BEST 轉速是通過進汽調節閥調整閥門開度控制，這會造成一定的節流損失，降低了BEST的運行效率。

2.2 電動方式啟動及運行

選擇電動機模式，即在啟動過程中使用蒸汽將BEST 沖轉至1 000 r/min 后，BEST 轉速將由變流器進行控制，此即“變流器主控”模式。啟動時，變流器從廠用電中攝取電能，通過將工頻交流電變為變頻交流電供給電機。該交流電頻率取決于電機所需轉速（頻率）；而電機的轉速信號通過分布式控制系統（distributed control system，DCS）發至變流器就地可編程控制器（programmable logic controller，PLC）控制柜，從而利用變流器驅動電機將BEST 拖動升速至所需轉速。BEST 的轉速通過變流器對電機進行轉矩閉環控制而比例積分（proportion integration，PI）間接控制。

變流器控制電機調速是通過調節變流器調制度（相當于汽門開度）實現。DCS 發出轉速或給水流量信號指令，變流控制系統通過指令與BEST 實際轉速進行PI 調節改變變流器調制度，從而改變轉矩電流量（相當于進汽量）的大小。由于轉矩電流量的大小決定了電機轉矩（出力）的大小，從而實現了對軸系轉速的控制。變流器工作原理如圖2 所示。啟動初期，使用蒸汽將BEST 沖轉至1 000 r/min 的目的是為了消除變流器拖動轉子轉動產生的鼓風摩擦對末級葉片產生的負面影響。因此，在電動方式啟動前，應確認有一定量蒸汽可以向BEST 內部供給冷卻汽。正常運行時，BEST 需完成汽源切換，將由一次再熱冷段蒸汽供汽。當BEST 進汽完成汽源切換后，BEST 的供汽調節閥將逐漸開啟直至全開且不參與轉速調節，以此消除進汽調節閥未全開造成的節流損失。有研究表明，電機調節方式下具有較好的熱經濟性，同時可以將多余的能量回饋至廠用電，降低了廠用電率[14]。

圖2 變流器工作原理Fig.2 Working principle of the converter

3 控制模式及相關切換試驗

BEST 轉速可在“MEH 主控”及“變流器主控”2 種模式下進行控制，且2 種主控模式可以進行相互切換。不同的是，“MEH 主控”是通過調節進汽調節閥開度進行轉速調節，而“變流器主控”是通過改變電機轉矩從而對軸系轉速進行調節。

為提高BEST 的經濟性，減少進汽調節閥的節流損失，減少廠用電率，BEST 的啟動方式通常選擇“變流器主控”模式、“MEH 主控”模式作為變流器故障時的備用控制方式，因此在各種工況下2種控制模式間的無擾切換對機組安全平穩地運行有重要意義。

在機組整套啟動前，對變流器相關性能及一些特殊工況下的主控方式的相互切換進行了試驗，以保證機組運行時的安全可靠性。

3.1 變流器飛車啟動試驗

機組正常運行過程中，若變流器發生故障時需要退出控制，MEH 應接管控制權對BEST 轉速進行控制。當變流器故障消除后，此時BEST 帶動電機有一定的轉速，若變流器需繼續對BEST 轉速進行控制，則變流器需要具備在線對電機恢復控制的功能（飛車啟動），可以使變流器恢復對BEST 轉速的控制。

機組啟動過程中，分別選取BEST 在低、高轉速2 個工況對變流器的飛車啟動技術進行試驗。

低轉速下主控方式的切換如圖3 所示，當BEST轉速為1 000 r/min 時，MEH 通過控制進汽調節閥開度從而對轉速進行調節。當變流器準備就緒后發出“變流器請求”信號，確認“變流器主控”后，BEST 進汽調節閥開度鎖定，指令不再發生變化，控制方式由“MEH 主控”切換為“變流器主控”，變流器通過改變轉矩電流量實現對轉速的控制，這一切換過程平穩。切換完成后，BEST 保持原轉速運行，轉速沒有明顯變化。

圖3 低轉速下主控方式的切換Fig.3 Switching of control mode at low speed

為驗證主控狀態無擾切換的重復性及穩定性，對高轉速下主控方式的切換進行了試驗，結果如圖4 所示。在整個切換過程中，BEST 轉速沒有明顯的變化，切換過程平穩，沒有對機組的安全運行產生影響。

圖4 高轉速下主控方式的切換Fig.4 Switching of control mode at high speed

綜上，變流器在故障切除后，重新具備轉速控制能力時，可以無擾接管對BEST 轉速的控制，保障了機組運行的穩定性。

3.2 轉速偏差大試驗

機組在“變流器主控”模式下正常運行時，由于變流器設備故障導致當前轉速無法維持，會造成實際轉速與目標轉速指令偏差過大，導致鍋爐給水量不足，危害機組的安全運行。因此，當轉速反饋與轉速指令偏差大時，MEH 需快速接管控制權，從而維持BEST 當前轉速以保證正常給水流量。該試驗過程如圖5 所示。

圖5 轉速偏差大試驗過程Fig.5 Large speed differences test process

通過就地短路變流器元件，使變流器無法對BEST 轉速進行控制，造成BEST 實際轉速與指令轉速偏差大工況。

實際運行過程中，當實際轉速與指令轉速偏差大于100 r/min 時，保護邏輯判斷變流器無法控制轉速，“變流器主控”模式主動退出，轉速控制模式切換為“MEH 主控”模式。由圖5 可以看到：當實際轉速為2 340 r/min 時，與轉速指令2 440 r/min相差100 r/min，“變流器主控”信號消失，BEST 進汽調節閥迅速開啟，由6%開啟至18.67%，轉速由2 294 r/min 升至2 568 r/min；轉速過調后，進汽調節閥快速關閉，在1 個震蕩周期內完成了對BEST轉速的調整。從試驗過程中可以看出，事故狀態下主控方式切換快速，MEH 對轉速調節迅速，轉速短時間內可以恢復正常，能夠有效保證系統的穩定運行。

3.3 變流器電動/發電模式切換試驗

機組啟動時，變流器攝取電能以控制電機處于電動機模式以驅動給水泵組。

正常運行時，為了維系軸系功率平衡，當BEST拖動給水泵組后仍有軸系功率剩余時，將通過變流器向外輸出電能。

在“變流器主控”模式下，隨著BEST 大量進汽，變流器出力逐漸減少；當進汽量充足時，變流器可由電動狀態轉至發電狀態。為了保證這一工況平穩過渡，需要在機組正式試運前進行該試驗。在BEST 進汽調節閥開度一定的前提下，逐漸提升進汽壓力，通過觀察電機功率的變化來確認變流器模式是否切換成功。圖6 為電動/發電模式切換試驗過程。由圖6 可見：隨著BEST 進汽壓力由1.05 MPa提升至1.64 MPa 時，功率由-4.33 MW 逐漸升至-4.2 MW；當進汽壓力升至1.77 MPa 時，功率為0.11 MW，變流器由用電模式切換為發電模式。進一步地，通過改變進汽壓力，驗證進汽壓力對發電功率的影響。由試驗曲線可以看出，發電狀態下，發電功率與進汽壓力呈正相關趨勢。

圖6 電動/發電模式切換試驗Fig.6 Resultsof the electric/power generation mode switching test

3.4 “MEH 主控”下變流器減功率試驗

當變流器發生輕故障時，“變流器主控”模式主動退出，BEST 轉速由MEH 進行控制。此時由于變流器仍然處于熱備用狀態，為了確認變流器故障，必須人為降低變流器的出力使變流器平穩退出運行，因此對變流器在“MEH 主控”模式下減功率工況進行了試驗。圖7 記錄了整個試驗過程中重要參數的變化過程。手動將“變流器主控”模式退出，調節閥指令釋放，由MEH 對BEST 轉速進行控制。由圖7 可見，試驗前電機在功率1.75 MW 運行，降負荷指令為1 MW，電機功率實際降為0.95 MW，BEST 轉速由2 440 r/min 飛升至2 487 r/min，進汽調節閥開度由34%降至19%，轉速有波動，但迅速穩定。由于為試驗工況，變流器實際無故障，檢查變流器狀態良好?；陲w車啟動試驗的成功，再次恢復“變流器主控”，調節閥指令鎖定，變流器功率0.95 MW，維持機組2 440 r/min 繼續穩定運行。

圖7 “MEH 主控”下變流器減功率試驗Fig.7 The results of reduced load test of the converter under MEH control mode

從試驗過程中可以發現，在手動減功率過程時，BEST 轉速有飛升，BEST 調節閥開度迅速減小。機組高負荷或滿負荷運行工況下，該現象會對鍋爐給水流量及一次再熱蒸汽壓力造成擾動，這是由于在手動減負荷過程中變流器減負荷速率過快所致。變流器目標負荷指令是由MEH 將負荷指令直接發至變流器就地控制柜，使變流器主動降低出力。這一過程需要在無擾的狀態下進行，才能保障給水流量沒有較大的波動，因此需要設置合適的減負荷速率以消除轉速波動帶來的干擾。理想狀態下，減功率過程中BEST 進汽調節閥開度緩慢關小，變流器逐漸緩慢減小出力。兩者相互配合從而維持BEST 在轉速穩定的條件下，電機變流器組減去相應的功率。在運行過程中，應對這一工況的控制進行優化調整，使變流器減功率速率與進汽調節閥的關閉速率相互匹配。

3.5 功率超限試驗

發電狀態時，為了保護變流器不會過載，因此當實際功率超出當前轉速下的變流器的額定出力時，變流器控制器會主動甩去30%～40%的功率。在甩去功率瞬間會造成BEST 轉速出現飛升，同時轉速主控權交給MEH。進汽調節閥應快速響應調節，防止BEST 出現超速。

圖8 展示了模擬功率超限時的試驗過程，該試驗共進行了2 次。第1 次試驗前，變流器帶1.5 MW功率運行，通過修改額定功率定值，進行模擬試驗。為了驗證該試驗的可靠性，緊接著進行第2 次試驗，變流器帶1.2 MW 穩定運行。由圖8 可以看到：第1 次試驗時，變流器甩負荷瞬間，變流器負荷降為1.2 MW，BEST 轉速由2 440 r/min 飛升至2 458 r/min，轉速動態超調量為0.74%，MEH接管轉速主控權，BEST 進汽調節閥快速響應，開度由31%關至22.8%；第2 次試驗時，變流器甩負荷瞬間，變流器負荷下降0.46 MW，進汽調節閥關閉5.1%，BEST 轉速上升了25 r/min，轉速動態超調量為1%。

圖8 負荷超限試驗過程Fig.8 The power over-limit test process

由試驗過程還可以看出：在負荷超限后，變流器保護快速動作，BEST 轉速由于負荷的減少出現波動，但波動量較小；由于進汽調節閥關小，BEST進汽壓力有所提升。

3.6 電機變流器組甩負荷試驗

機組運行過程中，若變流器在發電狀態下出現“重故障”需要打閘或高壓側電源跳閘，變流器立即退出運行，此時變流器將迅速甩去當前功率，MEH 同時接管BEST 的轉速控制。此工況下，由于功率突然降為0，若MEH 無法對轉速進行及時有效的調節，BEST 會出現轉速飛升甚至超速觸發超速保護動作，造成機組MFT。基于上述各項試驗的成功，為了考驗變流器退出運行時MEH 對BEST轉速的調節性能，對電機變流器組進行高負荷（50%及以上額定負荷）下的甩負荷試驗。

在鍋爐點火、汽輪機尚未沖轉的前提下，對BEST 進行了甩負荷試驗。圖9 為變流器甩負荷過程中主要參數的變化過程。試驗前，BEST 在“變流器主控”模式下運行，BEST 進汽調節閥門全開，轉速為3 704 r/min，電機變流器組發電功率為10 MW（50%額定功率），主蒸汽壓力為8.0 MPa，一次再熱蒸汽壓力為6.4 MPa，二次再熱蒸汽壓力為0.8 MPa。通過手動觸發“變流器打閘”按鈕，變流器高壓側開關斷開，電機變流器組功率瞬間減為0。BEST 轉速最高飛升至3 899 r/min，BEST 進汽調節閥由100%瞬時最小關至15%，以維持轉速的穩定，BEST 轉速最終穩定在3 702 r/min。鍋爐給水流量由最初的1 150 t/h 最大波動至1 196 t/h。由于BEST進汽汽源為一次再熱冷段，調節閥的快速關閉造成了一次再熱蒸汽壓力及二次再熱蒸汽壓力的波動。對試驗過程中各參數數據進行了記錄，結果見表4。

表4 甩負荷過程數據記錄Tab.4 Data record of load throw-off test process

圖9 甩負荷試驗過程Fig.9 The load throw-off test process

甩負荷試驗表明，變流器跳閘后，MEH對BEST轉速的調節性能優異。甩負荷過程中BEST 轉速動態超調量為5.2%。由于BEST 汽源為一次再熱冷段蒸汽，BEST 進汽調節閥的關閉，對一次再熱蒸汽及二次再熱蒸汽的壓力造成波動。在機組高負荷或滿負荷運行時，由于BEST 進汽壓力較高，若發生變流器跳閘，此時為了控制轉速飛升，BEST 調節閥可能會大幅度關閉甚至全關以維持BEST 轉速。這一過程可能會導致一次再熱蒸汽壓力及二次再熱蒸汽壓力超壓，旁路閥動作，影響機組的安全運行。在機組高負荷運行過程中，需做好變流器跳閘的事故預想，保障機組安全運行。

4 經濟性分析

結合設備說明書及汽輪機熱平衡圖對變流器投入前后機組在熱耗率驗收（THA）工況下，滿負荷運行時發電煤耗率進行了計算[15]：

式中：q為汽輪機熱耗率，kJ/(kW·h)；qcp為發電廠熱耗率，kJ/(kW·h)；ηb為鍋爐效率，%；ηp為管道效率，%；ηcp為凝汽式發電廠總效率，%；bcp為發電廠煤耗率，kg/(kW·h)；Qnet為煤的低位發熱量，取為29 270 kJ/kg。

式(1)、式(2)可寫為：

由設備說明書及主機設備廠家提供熱平衡圖可知，在THA 工況下滿負荷運行時，投入變流器汽輪機熱耗率q為6 992 kJ/(kW·h)；變流器未投入時q為7 048 kJ/(kW·h)。另外，鍋爐效率為95%，管道效率為99%。通過理論計算可得，THA 工況下，機組滿負荷運行時，變流器未投入時機組的標準煤耗為256.0 g/(kW·h)。相比之下，變流器投入后，機組的標準煤耗為253.9 g/(kW·h)，可節約標準煤約2.1 g/(kW·h)。

5 結論

1）變流器可在任意轉速下接管對BEST 轉速的控制。

2）BEST 進汽調節閥開度一定的情況下，通過改變BEST 進汽汽源壓力，變流器可實現電動與發電狀態的轉換。

3）“MEH 主控”模式下，對變流器進行減負荷可以使變流器平穩退出運行，但這一過程需要優化變流器減負荷速率，從而避免變流器的突然退出對機組運行帶來的波動，影響機組正常運行。

4）“變流器主控”與“MEH 主控”之間切換快速、平穩、可靠，可維持BEST 給水泵組的轉速穩定，有效保障機組的穩定運行。

5）經理論計算，機組在THA 工況下滿負荷運行時，變流器投入相較變流器未投入可節約標準煤約2.1 g/(kW·h)。

6）相較于“汽動給水泵+電動給水泵”的給水模式，通過給汽動給水泵增設電機變流器組不僅可以降低機組正常運行時BEST 進汽調節閥調節造成的節能損失，而且在功率富余時可以通過變流器向廠用電母線輸送電能，降低了廠用電率。此外，機組采用BEST 雙機回熱系統并增設電機變流器組，對煤電機組的節能降耗具有一定的實用價值。