【摘 要】
本文介紹了凝結(jié)水泵應(yīng)用高壓變頻調(diào)速的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析。
【關(guān)鍵詞】
高壓變頻器 凝結(jié)水泵 節(jié) 能
【Abstract】
This text introduces to condense the water pump application high voltage frequency conversion adjust soon of technique and economic analysis
【Key words】
High-voltalge inverter Condense the pump of water Energy saving
1、 前言
中國大唐集團(tuán)公司陡河發(fā)電廠位于河北省唐山市，目前擁有八臺裝機(jī)容量總共1550兆瓦的機(jī)組，2004年我集團(tuán)公司決定在陡河電廠、高井電廠對部分水泵采用高壓變頻器調(diào)速裝置，我公司在國際上公開招標(biāo)采購高壓變頻器。東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司為國內(nèi)唯一中標(biāo)單位，并一舉中標(biāo)6臺高壓變頻器。其中陡河電廠#5、#6、#7、#8機(jī)組4臺凝結(jié)水泵電機(jī)上分別加裝一套東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DFCVERT-MV375/6B高壓變頻器裝置。
2、凝結(jié)水泵的運(yùn)行工況
在汽輪機(jī)內(nèi)做完功的蒸汽在凝汽器冷卻凝結(jié)之后，集中在熱水井中，這時(shí)凝結(jié)水泵的作用是把凝結(jié)水及時(shí)地送往除氧器中。維持凝結(jié)水泵連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行是保持電廠安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的一個(gè)重要方面。監(jiān)視、調(diào)整凝汽器內(nèi)的水位是凝結(jié)水泵運(yùn)行中的一項(xiàng)主要工作。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，凝汽器內(nèi)的水位不能過高或過低。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升高時(shí)，凝結(jié)水量增加，凝汽器內(nèi)的水位相應(yīng)上升。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低時(shí)，凝汽器內(nèi)水位相應(yīng)降低。 #5、#6、#7、#8發(fā)電機(jī)組(200MW)凝結(jié)泵電機(jī)為6kV/300KW電機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)有一定裕量，每臺機(jī)組配備二臺凝結(jié)泵，一臺運(yùn)行，一臺備用。
沒有使用變頻器之前，凝汽器內(nèi)的水位調(diào)整是通過改變凝結(jié)水泵出口閥門的開度進(jìn)行的，調(diào)節(jié)線性度差，大量能量在閥門上損耗。同時(shí)由于頻繁的對閥門進(jìn)行操作，導(dǎo)致閥門的可靠性下降，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。
使用高壓變頻器后，凝結(jié)水泵出口閥門基本不需要調(diào)整，閥門開度保持在一個(gè)比較大的范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)出口流量的目的，滿足運(yùn)行工況的要求。
3、DFCVERT-MV375/6B的原理以及技術(shù)特點(diǎn)。
1）DFCVERT-MV375/6B的原理
變頻裝置采用多電平級聯(lián)技術(shù)，6kV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6kV系列有18個(gè)功率單元，每6個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。
每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)以及電氣性能完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)見圖2，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，可得到如圖3所示的波形。
輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成36脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。
輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接成星型接法直接給高壓電機(jī)供電，通過對每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖4所示的階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。
2）主要技術(shù)特點(diǎn)
a. 輸入諧波小
DFCVERT-MV375/6B變頻器使用了“多重化移相整流技術(shù)和單元電平串連疊加技術(shù)”，符合GB/T14549－2002及IEEE519-1992對電壓、電流諧波失真嚴(yán)格的要求。這項(xiàng)技術(shù)比之“三電平技術(shù)”、“電流源型變頻技術(shù)”、“串極調(diào)速技術(shù)”等技術(shù)方案有極大的技術(shù)優(yōu)勢，輸入輸出諧波限制指標(biāo)較大地高于上述技術(shù)。使用時(shí)，變頻器對同一電網(wǎng)上用電的其它電氣設(shè)備不產(chǎn)生諧波干擾。還能防止與其它變頻調(diào)速裝置之間的“串并聯(lián)干擾”。因此完全不需要用戶另外配置諧波治理裝置，從而為用戶節(jié)省安裝諧波濾波裝置的費(fèi)用。
b. 高功率因數(shù)
DFCVERT-MV375/6B變頻器在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)都可維持高功率因數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到0.96以上，負(fù)載極小時(shí)功率因數(shù)也可以達(dá)到0.9以上（見圖1）。
圖1. 功率因數(shù)變化比較示意圖 圖1曲線比較了DFCVERT-MV375/6B電壓源型變頻器和調(diào)速技術(shù)的功率因數(shù)情況，從圖上我們可以看到，電壓源型變頻調(diào)速技術(shù)比電流源型變頻調(diào)速、串極調(diào)速、電磁離合式電機(jī)等技術(shù)的功率因數(shù)高出很多，采用電壓型變頻器完全不需要增加功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備，而其它技術(shù)則需要增加專用的功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備。
c. 高效率
DFCVERT-MV375/6B變頻器具有>95%的高效率(最高可達(dá)97.5%)，特別是低轉(zhuǎn)速時(shí)的效率比之其它調(diào)速技術(shù)有非常大的技術(shù)優(yōu)勢，遠(yuǎn)比其它調(diào)速技術(shù)的效率（30%～80%）高得多。見圖2：
圖2. 電壓源型變頻器與其它調(diào)速技術(shù)的效率對比圖d. 輸出脈動轉(zhuǎn)矩小
DFCVERT-MV375/6B變頻器不需要外部輸出濾波器就可提供正弦輸出電壓，變頻器有較低的輸出電壓失真，不增加電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪音。我公司變頻器大大降低了輸出的諧波電流（低于4%），避免了電機(jī)發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動。從而減少了設(shè)備上的電應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。
圖6-2 實(shí)測出的變頻器輸出電壓與輸出電流波形e. 節(jié)能效益明顯
使用DFCVERT-MV375/6B變頻器可根據(jù)負(fù)載特性進(jìn)行設(shè)定，自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷匹配，達(dá)到節(jié)能的目的。根據(jù)流體力學(xué)理論以及風(fēng)機(jī)方程，能耗與電機(jī)轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，采用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以產(chǎn)生明顯得節(jié)能效果。如果電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行在80%額定轉(zhuǎn)速，其功耗即可降至(0.8)3≈50%。
f. 可靠性高，維護(hù)方便
DFCVERT-MV375/6B變頻器采用單元模塊化技術(shù)方案，便于設(shè)備的維護(hù)和維修。IGBT模塊的驅(qū)動和保護(hù)采用高可靠性專用驅(qū)動模塊電路，電子元件和部件均通過高溫老化試驗(yàn)。
DFCVERT-MV375/6B變頻器變頻單元組件具有互換性，若出現(xiàn)故障，可在幾分鐘內(nèi)用簡單工具進(jìn)行更換維修。
g. 電機(jī)軟啟動，無沖擊電流
DFCVERT-MV375/6B變頻器對電機(jī)進(jìn)行軟啟動，根據(jù)電機(jī)的現(xiàn)場使用要求，我們可以改變電機(jī)的啟動時(shí)間而得到多條電機(jī)啟動曲線，使得電機(jī)在帶上負(fù)載后完好地適應(yīng)負(fù)載和工藝要求，并且保證啟動過程對電網(wǎng)不會產(chǎn)生沖擊電流，可確保電機(jī)的安全運(yùn)行并延長其使用壽命。
h.
降低電機(jī)磨損,延長電機(jī)和軸承使用壽命，節(jié)省維護(hù)費(fèi)用使用DFCVERT-MV375/6B變頻器降低電動機(jī)轉(zhuǎn)速不僅能達(dá)到較好的節(jié)能目的，而且電動機(jī)及其負(fù)載的機(jī)械磨損也大大降低，延長電機(jī)的使用壽命，還可明顯為用戶節(jié)省維護(hù)費(fèi)用。
i．單元旁路功能
這種功能是一種快速地、自動地切除出現(xiàn)故障單元而保證系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行（或減額運(yùn)行）的方法。當(dāng)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，故障報(bào)警信號經(jīng)由通訊電路傳輸給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)接到故障信號后，經(jīng)過故障種類判斷，對系統(tǒng)的各種信號協(xié)調(diào)，在條件滿足后，用最短的時(shí)間將出現(xiàn)故障的功率單元進(jìn)行旁路切除。主控系統(tǒng)通過改變算法，重新計(jì)算輸出波形，保持輸出電壓波形的完整，同時(shí)向用戶發(fā)出報(bào)警信號，并且自動對輸出功率進(jìn)行調(diào)整，使擾動降至最低，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。
j. 瞬時(shí)停電再啟動功能
實(shí)際現(xiàn)場中，當(dāng)高壓母線進(jìn)行切換、母線上電動機(jī)成組自起動、母線上大電機(jī)起動時(shí)會造成高壓電網(wǎng)瞬間閃動，變頻器若不具備瞬停功能，會立即停機(jī)，而電機(jī)帶負(fù)載會存在機(jī)械慣性，在電源恢復(fù)后電動機(jī)的速度尚未降到零，等待重新起動又會經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間，會給生產(chǎn)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。DFCVERT-MV375/6B變頻器具備的瞬時(shí)停電再起動功能，可以根據(jù)電源恢復(fù)時(shí)電動機(jī)自由旋轉(zhuǎn)的實(shí)際速度計(jì)算出對應(yīng)的輸出頻率，以此頻率為起始頻率使電動機(jī)重新起動并加速到停電前的運(yùn)行狀態(tài)，以適應(yīng)不允許停電設(shè)備的需要。現(xiàn)場測試瞬時(shí)停電再啟動的電流波形如下圖。
4、改造后的效益 根據(jù)運(yùn)行記錄，變頻器的運(yùn)行電流最大20A，最小10A，根據(jù)負(fù)荷大小在10-20A之間。工頻運(yùn)行時(shí)電流為29.2A。全年按照8個(gè)月計(jì)算。
1）最低負(fù)荷時(shí)，投入一臺變頻器后，估算年節(jié)電量為：158 kW×5760 h=910080 kWh，年至少節(jié)省電費(fèi)：910080 kWh×0.327元/kW.h≈29.8萬元；
2）全年滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，投入一臺變頻器后，估算年節(jié)電量為：105kW×5760 h=604800 kWh，年至少節(jié)省電費(fèi)：604800 kWh×0.327元/kW.h≈19.8萬元；
年至少節(jié)省電費(fèi)：604800 kWh×0.327元/kW.h≈19.8萬元；不到兩年就可收回成本。
5、結(jié)束語 自去年12月份變頻器投入運(yùn)行以來，變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，高壓變頻裝置由于其節(jié)能效果明顯，采用變頻調(diào)速后，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動，延長電動機(jī)的壽命，同時(shí)由于不需要反復(fù)的開關(guān)閥門，減少了閥門的磨損，總之，使用高壓變頻器后實(shí)際產(chǎn)生的效益不僅僅如此，值得大力推薦和應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
[1] 吳忠智 吳加林 變頻器應(yīng)用手冊 機(jī)械工業(yè)出版社
[2] 用戶手冊 東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司
[3] 韓安榮 通用變頻器及其應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社
