利德华福高压变频器HARSVERT-A在600MW机组凝结水泵上的应用

作者：扬州第二发电有限责任公司李春华北京利德华福电气技术有限公司技术工程部
供稿：北京利德华福电气技术有限公司
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发布时间：2009-12-08

　　扬州第二发电有限公司是江苏省特大型火力发电企业，具有设备性能先进、供电煤耗低、调峰能力强等显著特点。目前共有4台600MW燃煤发电机组。一期#1、#2机组采用亚临界燃煤发电机组，二期#3、#4机组采用超临界燃煤发电机组。随着电力市场竞争的加剧及电网峰谷差日趋增大，带基本负荷的大型汽轮发电机组被要求参与电网调峰。从国内外调峰的现状来看，大型火电机组参加调峰主要采用低负荷运行方式，以改变机组负荷来满足系统调峰需要的运行方式。它是一种传统的调峰方式，为了增加可调出力，机组尽可能在允许的最低负荷下运行。而机组辅机均按照最大发电负荷设计，在低负荷时，仅仅能够依靠调节阀门、挡板开度来调节流量，造成电能的大量浪费。如何优化运行方式，降低辅机的能耗，成为当前阶段电力企业必须面对的问题。

　　为了降低发电能耗，我公司成立专门的课题组，对国内外同行企业进行调研，最终认为使用变频调速技术，采用变频器调节电机转速，平稳调节辅机出力，将是有效解决该问题的方法。随后，我公司通过招标选购了北京利德华福电气技术有限公司生产的高压变频器对凝结水泵、脱硫增压风机等辅机进行了变频调速改造。设备投运后，节能效果明显，设备运行稳定，满足了我们的要求。

　　一、凝结水泵变频改造方案
　　1.水泵负载调速节能原理
　　变频调速在水泵应用上和风机有所区别，在很多场合，负载管路特性的改变是用户用水量减少（即用户人为关阀）造成的。水泵在调速过程中还往往要求压力恒定，这时水泵的工作点变化如下图1所示：

　　流量由Q1变为Q2时，如果水泵定速运行，工作点将由A点变为B点，压力将升高，威胁管网安全；如果通过调速方式，水泵工作点将由A点变为C点，在提供需要流量的同时，保持压力不变。水泵在B、C两点的输出功率差为：PB －PC＝（H3－H2）×Q2。

　　在A、C两点，尽管水泵速度不同，但由于在两种情况下水泵所承担的流量不同，其出口压力和外管网压力仍然保持平衡。由于压力平衡的需要，水泵并联运行时，调速水泵的速度不能低于N3，否则将出现根本不对外出水的现象。非但不节能，还出现水泵空转耗能的现象。

　　如果在管网特性不变的系统中进行水泵调速，并且对水压没有要求，这种情况下节能效益比恒压供水要显著得多。

　　2.变频调速原理
　　利德华福HARSVERT-A型高压变频器采用多电平串联的结构控制方式，系统结构如图2所示：

图2：利德华福HARSVERT-A型高压变频器结构图

　　10kV系列有24个功率单元，每8个功率单元串联构成一相，每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构为交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制。

　　3.系统旁路柜控制方式

图3：系统旁路柜控制原理（虚线框内为变频器厂家提供）

　　基本原理:变频装置本身配置一台断路器QF2作为出线电源开关，同时保留原有2台断路器，3台断路器完成变频/工频的切换，其中QF1与进，出线断路器之间设计闭锁，确保不会出现变频回路与工频回路同时闭合。在变频运行状况下，变频装置进出线开关闭合，开关QF1断开。切换至工频运行时，先断开变频器输出，此时由电气线路控制顺序为：依次断开变频器输出，输入开关，然后闭合开关QF1使电机切换至工频侧，使电机工频运行。

　　另外，还保留了电机差动保护功能，采取重新更换电机中性点CT，将其控制信号接入QF2开关柜内综保装置，参与差动保护，完善电机保护功能。

　　二、节能数据分析
　　1.设备参数

凝结水泵		电动机
厂家	上海KSB	电动机功率P_dn（kW）	2000
型号	NLT500-570ⅹ4S	电动机转速n₀（r/min）	1493
流量（m³/H）	1631	电动机电压U₀（KV）	10
最小流量（m³/H）	367	电动机电流I₀（A）	137.1
扬程(m)	328	功率因数	0.904
效率	84.8%	CT	250/1
		PT	10000/100

　　2.工频/变频状态下的年耗电量计算

负荷	100%	90%		80%		70%		60%
工作时间（小时）	1000	1000		1000		2500		2000
工频单位耗电（kW）	1663.586	1589.976		1545.81		1516.366		1428.034
变频单位耗电（kW）	1546.3296	1230.4128		1064.1408		1030.8864		1014.2592
每年节约分项（元）	29314.10	89890.80		120417.30		303424.75		206887.40
每年每台总共节约成本（元）	749934.35
每年节约耗电（kW）	2999737.40
不同负荷下的节电率	7%		23%	31%	32%		29%

　　三、设备冷却方式
　　虽然变频器的效率大于96%，但是满负荷时仍有4％的损耗。其中变压器的损耗约为总损耗的50%，功率逆变电路的损耗约为总损耗的50%。2000kW的变频器，满负荷时的最大损耗为80kW，全部都要转换为热量。因此，控制室的温度在变频器投运后，将会很快上升，如果不采用任何措施，变频器将无法稳定运行。为了提高高压大功率变频器的应用稳定性，解决好高压变频器环境散热问题，根据现场实际情况，将变压器的热量使用风道排出室外，而功率柜采用密闭式空调冷却。功率柜密闭冷却装置结构如图4所示：

图4：功率柜密闭冷却装置其结构

　　冷却设备主机安装于变频器功率柜顶部，该装置配备两台制冷压缩机，单独为功率柜进行冷却。该密闭冷却装置与现场接口简单，提供两路380V交流电源即可，操作方便，维护量少，保护功能完善。正常运行时，每段电源各带一台压缩机；当单段电源故障时，另外一侧工作电源带两台压缩机运行。两台压缩机设备停运时，可以通过风道回路设置的风门实现变频器功率柜自身冷却，减少冷却装置故障对变频器运行的影响。完整的冷却系统解决方案有效减低了辅助系统的故障率，保证设备安全运行。

图5：HARSVERT-A高压变频器在现场运行图