產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在電廠凝結水泵上的應用
1引言
齊星集團有限公司始建于1995年2月，是一家以鋁產品深加工為主業，并涉及電力通訊鐵塔、新材料、金融、地產等領域的大型民營企業。集團現有總資產115億余元，職工12000余人，2012年實現銷售收入154億元。
鄒平齊星開發區熱電有限公司是齊星集團有限公司下屬企業之一。6號機（155MW）配備2臺凝結水泵，由定速電動機驅動。運行方式為一臺運行，一臺備用。采用凝結泵定速運行，系統存在以下問題：
（1）閥門調整節流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統效率低。
（2）當流量降低閥位開度減小時，調整閥前后壓差增加，工作安全特性變壞，壓力損失嚴重。
（3）長期40％～65％低閥門開度，加速閥體自身磨損，導致閥門控制特性變差。
（4）管網壓力過高威脅系統設備密封性能，嚴重時導致閥門泄漏，不能關嚴等情況發生。
（5）設備使用壽命短、日常維護量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費。
解決上述問題的重要手段之一是采用變頻調速控制技術，利用高壓變頻器對凝結泵電機進行變頻控制，實現供除氧器水流量的變負荷調節。這樣不僅解決了控制閥調節線性度差、純滯延大等難以控制的缺點，而且提高了系統運行的可靠性，節約能源，為降低廠用電率提供了良好的途徑。齊星開發區熱電公司領導經過多方考察，比較性價比，決定選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP37-400F高壓變頻器2套對凝結水泵進行改造，改造取得了成功。凝結水泵機組參數如表1所示。
| 表1 凝結水泵機組參數 | |||
| 凝結水泵 | 配用電機 | ||
| 型號 | NLT250-370×7 | 型號 | YLKK4005-4 |
| 流量 | 417 m3/h | 功率 | 400kW |
| 額定壓力 | 2.46 MPa | 電壓 | 6000V |
| 必須汽蝕余量 | 3.4m | 電流 | 45A |
| 轉速 | 1480 r/min | 轉速 | 1483 r/min |
2變頻調速節能理論依據
當頻率從50Hz降至40Hz時，可節約能耗近一半。
更直觀的水泵工作曲線圖見圖1：水泵的正常工作點為A，當水量需要從Q1調到Q2時，采用閥門調節，管網特性曲線由R1（閥門全開）改變為R2（閥門關小），其工作點調至B點，其功率為OQ2BH2’所圍成的面積，其功率變化很小，而其效率卻隨之降低。當采用變頻調速時，可以按需要升降電機轉速，改變設備的性能曲線，圖中從n1（額定轉速）到n2（轉速下降）,其工作點調至C點，使其參數滿足工藝要求，其功率為OQ2CH2所圍成的面積，同時其效率曲線也隨之平移，依然工作在高效區。圖中陰影部分為實際節約能耗。
圖1 水泵工作曲線圖
如果在管網特性不變的系統中進行水泵調速，并且對水壓沒有要求，這種情況下節能效益要更明顯。
3風光JD-BP37系列高壓變頻調速系統介紹
風光牌JD-BP37列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。齊星開發區熱電公司6號機組凝結水泵變頻改造選用的新風光生產的JD-BP37-400F（400kW/6kV）高壓變頻器。
3.1總體結構
采用直接高壓變頻電路結構，功率單元多重化連接，直接輸出到高壓電機，提供驅動電壓。從物理結構上分為控制柜，功率柜，變壓器柜三大部分，根據現場工藝要求還可選配旁路柜、上位機、遠控盒，產品外形如圖2所示。
圖2 高壓變頻器外形
3.2控制柜
變頻控制柜主要有主控(CPU)、UPS、PLC、人機界面、控制電源開關、開關電源、繼電器、避雷器、信號隔離器、接線端子，柜門操作按鈕等部分構成，控制柜主要構成部分介紹如下。
（1）主控系統
主控系統為變頻器的核心，它接收和處理來自上位控制及PLC的控制命令，產生每相各級功率單元的控制信號，同時采集和處理所有故障單元反饋回來的故障信息。新風光JD-BP37系列變頻器采用高性能的主控系統，控制器采用32位DSP，運行速度可以達到150MIPS，足夠完成一些較復雜的控制算法。同時其有6路獨立的PWM輸出、2個異步串行通訊口、16通道12位AD輸入，內置了36k的RAM和256k的Flash存儲器，可以存放較大規模的程序。線路板采用大規模集成電路和表面焊接技術，系統具有極高的可靠性。
（2）不間斷電源UPS
UPS不間斷電源，安裝在控制柜的底部，屬于純在線式，當外部提供的控制電源220VAC正常時，UPS提供給控制系統穩定的220V電源，當外部電源掉電時，利用設計的電源冗余系統，相應的控制電繼電器動作，轉到變壓器的二次繞組220V繼續提供控制電源，UPS不間斷工作，提供穩定的電源。只有當控制電和高壓電同時掉電后，UPS利用自身的電池可繼續給系統供電30 min，同時變頻器給出報警信號，用戶應盡快恢復控制電源。
（3）內置PLC
變頻器通過內置PLC實現內部開關信號以及現場操作信號和狀態信號的邏輯處理，增強了變頻器現場應用的靈活性。對開關量的數量不能滿足要求時，可以用數字量擴展模塊來實現。PLC作為一種技術成熟的工業控制元件，為變頻器的現場應用提供靈活的接口和可靠性保證。
高壓變頻器的控制系統標準接口如圖3所示。
圖3 高壓變頻器的控制系統標準接口圖
3.3 功率柜
功率柜主要用于安裝功率單元，實現單元的串聯疊加三相輸出。功率單元是使用功率電力電子器件進行整流、濾波、逆變的高壓變頻器部件，也是構成高壓變頻器主回路的主要部分。每個功率單元都相當于一臺交-直-交電壓型單相低壓變頻器。每個功率單元由H橋構成，輸出一組SPWM波，每相5個單元，通過疊加輸出一組11個電平的正弦波；同一相中的每個功率單元的采樣頻率一致，用同一個載波進行調制，載波相差1/N個采樣周期。
當功率單元出現過流、過壓故障時，變頻器立即封鎖該單元的輸出，通過軟件控制，使功率單元輸出電流可以經全橋逆變電路上橋臂，或者下橋臂形成電流回路實現將該單元旁路。
功率柜頂部配置冷卻風機，選擇德國EBM風機，由移相變壓器二次檢測繞組220V供電，通過斷路器由PLC控制功率柜風機的啟動、停止，當變頻器啟動頻率運行時，風機啟動。
3.4 變壓器柜
變壓器柜主要由移相變壓器、溫控儀、冷卻風機等部件構成。
移相變壓器的原理：將高壓電源變換為副邊相互絕緣的多組低壓，各副邊繞組在繞制時采用延邊三角形的接法，相互之間有一定的相位差。移相變壓器示意圖如圖4所示。
圖4 移相變壓器示意圖
4凝結水泵高壓變頻改造技術要求及方案
4.1 改造控制要求
凝結水泵變頻改造要在保證除氧器水位調節品質不變，并可以在水泵跳閘、低水壓等特殊工況發生時保證機組正常運行前提下進行變頻改造。改造利用現有的設備與系統，原來水位調節閥全開以減小節流損失，當高壓變頻器跳閘后，當前水泵可以工頻方式立即啟動，將凝結水打至出口母管，調整除氧器上水調節閥的開度在較短時間內迅速關到指定位置，最低程度減小系統擾動，維持除氧器水位在正常范圍內。亦可以變頻快速啟動備用水泵，將凝結水打至出口母管，以保證在變頻器跳閘時除氧器水位的穩定，保證機組運行。
4.2凝結泵變頻控制方案
高壓變頻器受DCS控制時分自動、手動兩種方式。手動狀態時，運行人員根據除氧器水位高低通過DCS改變轉速信號控制變頻器轉速。自動狀態時，根據DCS內部設定的除氧器水位定值自動控制變頻器轉速。
通過目前熱電公司已有的DCS系統調節凝結水泵轉速來控制除氧器水位。利用DCS對變頻器進行啟動、停機、調速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運行數據和當前狀態，實時監控變頻器運行。
為了保證機組的可靠性，變頻器裝置具有工頻自動旁路裝置，當變頻器發生故障停止運行時，電機自動切換到工頻下運行，這樣可以保證機組正常運行，提高了整個系統的安全穩定性。
操作方面，有遠程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統的安全性能。
變頻方式下凝結水泵的控制方式具體如下：
（1）保留原來的閥門調節方式，凝結水泵在變頻方式運行時，閥門基本全開，通過變頻器改變電機轉速以滿足調節除氧器水位需求。
（2）凝結水泵在工頻方式運行時，利用原有的除氧器水位調節方式。
4.3 系統主回路設計
齊星開發區熱電公司6號機（155MW）凝結水泵采用2套JD-BP37-400F高壓變頻調速系統進行調速控制。系統主回路如圖5所示。
圖5 6號機組凝結水泵旁路柜原理圖
原來6號機組2臺凝結水泵全部采用工頻運行，對2臺凝結水泵增設變頻調速裝置，采用一拖一加自動旁路的方式。當變頻器故障或檢修，可選擇自動或手動方式切換至工頻運行。也可以變頻啟動備用凝結水泵投入運行。
主回路如圖5所示，控制具體介紹如下，旁路柜在變頻器進、出線端增加了兩個隔離刀閘，以便在變頻器退出而電機運行于旁路時，能安全地進行變頻器的故障處理或維護工作。
旁路柜主要配置：三個真空接觸器（KM1、KM2、KM3）和兩個刀閘隔離開關K1、K2。KM2與KM3實現電氣互鎖，當KM1、KM2閉合，KM3斷開時，電機變頻運行；當KM1、KM2斷開，KM3閉合時，電機工頻運行。另外，KM1閉合時，K1操作手柄被鎖死，不能操作；KM2閉合時，K2操作手柄被鎖死，不能操作。
電機工頻運行時，若需對變頻器進行故障處理或維護，切記在KM1、KM2分閘狀態下，將隔離刀閘K1和K2斷開。
合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯于KM1、KM2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時，真空接觸器KM1、KM2合閘不允許；在KM1、KM2合閘狀態下，若變頻器出現故障，則“合閘允許”斷開，KM1、KM2跳閘，分斷變頻器高壓輸入電源。
如變頻器發生隱患，變頻器發送“變頻器報警”信號至DCS，此時變頻器繼續運行，檢修人員可到本地根據變頻器報警信號的信息排除隱患。
4.4凝結水泵變頻改造的難點
從機組運行的安全性和系統的運行方式上考慮，凝結水泵變頻運行存在以下問題需解決：
（1）凝結水泵出口壓力低的聯鎖需要作適當變動。由于變頻運行時（機組低負荷時）泵的轉速較低，原凝結水泵出口壓力低的聯鎖定值不再合適。給水泵密封水壓力及各種采用凝結水作為冷卻水的系統，都有壓力下降的可能，既要通過變頻調速保證除氧器水位，同時又要保證凝結水壓力，確保這些系統可靠運行。可以通過設置變頻器運行下限頻率及控制除氧器上水調節閥輔助調節的方式進行控制。
（2）除氧器水位調節。凝結水泵在工頻運行時通過調節除氧器上水調節閥控制除氧器水位，在變頻運行時通過調節凝結水泵的轉速控制除氧器水位，凝結水泵在變頻運行中跳閘將切換為工頻運行時，要保證兩種控制方式間無擾切換，上水調節閥要以最快速度關到一定開度，要根據當時負荷和除氧器水位需要，保證除氧器不發生滿水或缺水。這需要根據操作經驗進行實時調節來滿足機組正常運行。
5凝泵變頻器改造后運行效果
5.1節能效果
2013年8月22日，凝結水泵變頻器改造完成并順利投入運行。設備自投運以來安全穩定運行，節電效果十分明顯。為了對比凝結水泵變頻改造前后的節能情況，對6號機組運行數據進行了統計，如表2所示。
| 表2 凝結水泵改造前后運行數據 | ||||||
| 負荷 | 負荷運行時間 | 改造前 | 改造后 | 節電率（%） | ||
| 電流 | 功率 | 電流 | 功率 | |||
| 75 | 5% | 41 | 362.2 | 15.2 | 151.2 | 58.3 |
| 90 | 10% | 42 | 368.4 | 17.1 | 169.6 | 54.0 |
| 110 | 35% | 42 | 368.4 | 20.2 | 201.5 | 45.3 |
| 130 | 40% | 42 | 368.4 | 23.6 | 235.4 | 36.1 |
| 150 | 10% | 42 | 368.4 | 31.3 | 312.3 | 15.2 |
以6號機全年運行時間7800h計算，工頻年耗電量為：
W工頻=362.2kW×7800h×5%+368.4 kW×7800h×95%=141258 kW?h +2729844 kW?h =2871102 kW?h
凝結水泵變頻改造后，變頻年耗電量計算如下：
W變頻=151.2kW×7800h×5%+169.6 kW×7800h×10%+
201.5 kW×7800h×35%+235.4kW×7800h×40%+312.3 kW×7800h×10%=1719393 kW?h
W節約＝W工頻- W變頻=2871102 kW?h-1719393 kW?h=1151709 kW?h
以該廠供電價0.5元/ kW·h 計算，凝結水泵變頻改造后，年節約電費為：
1151709 kW?h×0.5元/ kW·h =575854.5元。
5.2其他效果
（1）變頻調速解決了啟動時大電流對電機的沖擊，延長了電機的使用壽命。
（2）提高了凝結水泵的運行可靠性，延長了水泵的壽命。采用變頻調速后，減小對管網和水泵的沖擊，延長泵體壽命和減小管網及附件的損耗。
（3）改善了運行環境。變頻調節時，由于小流量時的轉速低，這就降低了泵及系統的噪聲，深受現場工人的歡迎。
6結束語
通過對齊星開發區熱電公司6號機組凝結水泵變頻改造后運行表明，設備運行平穩，節電效果明顯。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。在該熱電公司隨后1#～5#機組輔機變頻改造中，也采用山東新風光生產的高壓變頻設備。
