高压变频器在华能曲阜电厂凝结水泵上的应用

一、引言

华能曲阜电厂现装机容量为2×225MW热电联产机组，每台机组安装有2台立式凝结水泵，每台额定容量450kW（凝结泵主要参数见表1），凝结水泵均采一用一备的运行方式，凝结水泵的作用是把凝汽水箱的凝结水经低压加热器加热后送入除氧器，维持除氧器水位稳定。在正常运行状态下，凝汽器内的水位主要根据机组负荷变化进行调整，当机组负荷升高时，凝结水量增加，凝汽器内的水位相应升高，当机组负荷降低时，凝汽器内水位相应降低。

由于我厂凝结水泵属于立轴静叶出力不可调水泵，凝结水量通过调节凝结水再循环阀门开度调节，以维持除氧器正常水位，这样造成部分凝结水重复循环，特别是在较低负荷或机组参与调峰时，阀门开度小，节流损耗大，凝泵效率迅速降低，能耗增大，运行十分不经济；另外采用阀门调节时，精度差，水位波动比较大，阀门长期处于高压差下运行，磨损大；由于负荷变化大，频繁操作容易导致阀门可靠性下降，影响机组的稳定运行。为了解决这一系列问题，通过多方调研，决定采用高压变频器对凝结泵电机进行改造，项目于2007年8月通过招标确定采用北京利德华福电气技术有限公司研发、生产的HARSVERT-VA06系列高压变频器。

表1凝结水泵主要技术参数

二、变频调速节能理论依据

1、变频调速的原理

按照电机学的基本原理，交流异步电动机的转速满足如下的关系式：

     （1）

式中：n—电动机转速；

P—电机极对数；

f—电动机供电频率；

s—电动机转差率。

2、变频调速的节能原理

由流体力学可知，流量与转速的一次方成正比，压力与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比。若水泵的效率一定，当调节流量下降时，转速将成比例下降，此时输出功率成立方关系下降，即水泵电机的耗电功率与转速约成立方比关系。可见降低转速大大降低轴功率，从而达到节电的目的。

三、HARSVERT-VA06/055高压变频器的结构原理及特点

高压变频器为低压串联、多电源叠加实现高压变频控制，高压通过移相降压变压器、多单元整流、多脉冲逆变、叠加实现变频，装置有效地降低了系统的谐波问题，功率因数高，不需要进行功率因数的补偿。

高压变频器功率单元采用低压IGBT模块作为逆变器件，每组功率模块结构及电气性能完全一致，互换性强。

高压变频器控制器由高速单片机、人机操作界面和PLC电路构成，其主要优点是：单片机实现PWM控制；人机操作界面实现高压变频调速装置与操作人员信息交流；PLC的应用实现了系统开关信号的逻辑处理及多级保护措施，使设备保护、安全等级得到提高。同时光纤技术的应用有效地解决了高低压隔离和电磁干扰问题，使控制器与功率单元之间的信号交换安全可靠。

四、改造方案及项目实施

根据对我厂凝结水泵运行工况和参数分析，为提高设备的利用率，节约投资， 高压变频装置采用“一拖二手动旁路”方案，变频器型号HARSVERT-VA06/055。变频装置由控制柜、功率模块柜、移相变压器柜、旁路柜等四部分组成。

变频器接入电气系统方式如下图所示。

旁路柜由六个高压隔离开关QS1~QS6组成，其中QS2和QS3,QS5和QS6安装机械互锁装置；QS2和QS5,QS4和QS1有电气互锁。如果两路电源同时供电，M1工作在变频状态，M2工作在工频状态时，QS3和QS4、QS5分闸，QS2、QS1和QS6处于合闸状态；M2工作在变频状态，M1工作在工频状态时，QS2和QS1、QS6分闸，QS4、QS5和QS3处于合闸状态；如果检修变频器，QS3和QS6可以处于任一状态，其它隔离开关都分闸，两台负载可以同时工频运行；当一路电源检修时，可以通过分合隔离开关使任一电机变频运行。

两台凝结水泵共用一台变频器，机组正常运行时，一台投变频运行，另一台投工频备用，当变频运行故障跳闸时，另一台投工频的泵自启动。

机组运行中变频器方式倒换时，应确保始终有一台凝结泵始终处于运行状态。例如机组正常运行中M1凝结泵变频运行，M2凝结泵工频备用，若将M2凝结泵倒变频运行，M1凝结泵工频备用，主要操作步骤为：启M2凝结泵工频→停M1凝结泵变频→M1凝结泵变频停电→M1凝结泵工频送电→启M1凝结泵工频→停M2凝结泵工频→M2凝结泵工频停电→M2凝结泵变频送电→启M2凝结泵变频→停M1凝结泵工频。至此倒换操作完毕。

项目实施中，我们采取了将变频器的调节功能和除氧器水位反馈信号接入DCS系统控制，在DCS系统进行变频器的频率自动和手动调节，进而实现凝结水泵转速和水量的自动和手动控制，同时将变频器的保护、监视、连锁信号接入DCS系统。为了保证变频器具有良好运行环境，确保变频器室内温度不超过40℃，在6KV配电室内安装了2台10P空调对变频器进行冷却，针对变频器功率模块散发热量多，我们采取了在变频器功率柜顶部排风扇加装通风道，将热风引出室外，有效地解决了变频器温度过高的问题，同时减少了空调冷却制冷耗电量。

五、凝泵变频器改造后节能效果

2007年11月12日，凝结水泵变频器改造完成并顺利投入运行。设备自投运以来安全稳定运行，节电效果十分明显。机组典型负荷工况下，凝结水泵工频和变频运行电动机电流对照数据见表2。

表2凝结水泵工频和变频运行电动机电流对照表

由记录表2数据看，机组负荷越低，输入电流降得越多，凝结水泵电机的从电网输入的功率越低，节电效果越明显。

根据表2计算变频器的平均节电率为38.6％。以年利用5800小时计算，两台机组凝结水泵改变频前年统计耗电量约为P=2×（1.732×6.3×48×0.9×5800）＝546.8万kWh, 改变频后全年节约电量计算如下:

546.8×38.6％=211.1(万KWh)。

按我厂上网电价0.3974元/kW.h计算,年经济效益约为：

211.1万kW.h ×0.3974元/kW.h ＝83.8万元。

该项目投资约130万元，不到两年可收回投资。

六、结束语

我厂对凝结水泵变频改造后，通过变频调节凝结水泵的转速来调节除氧器的水位，变频调节平滑性好，精度高，水位波动小，有利于机组的稳定运行；根据泵的运行功率与转速的立方成正比关系，转速下降后，节能效果非常明显；采用变频调节后，原调节阀门全开，减少了阀门损耗，使阀门的维护工作量减少。总之，对凝结水泵变频成功改造达到了预期节能目的，对后续设备的节能改造提供了依据。

参考文献

1．陈国呈，PWM变频调速及软开关电力变换技术。北京：机械工业出版社，2003

2．任致程，吴玉莲等，电动机变频器实用手册。北京：中国电力出版社，2004

3. 马小亮，大功率风机、泵节能调速发展方向探讨。电气传动。1999（1）

    4．HARSVERT-VA高压变频调速技术培训教材。北京利德华福电气技术有限公司