高压变频器在高温环境下锅炉给水中的解决方案.doc

高压变频器在高温环境下锅炉给水中的解决方案引言 在火力发电厂中，水泵和风机等二次辅机的容量大、耗电多，是主要的耗电设备。以往的给水泵的运行方式主要是工频运行，其流量大小是靠调节阀门的方法来控制，这种控制方式的缺点是电能浪费大，调节实时性差，噪音大，工人劳动强度也大。随着发电负荷的大范围调整，给水泵流量也因锅炉负荷变化而经常处于一种低效运行状态，大部分能量浪费在阀门调节挡板上。由于电力负荷调配的这种特殊性，使得这些设备长期连续运行或经常处于低负荷及变负荷运行状态，单纯依靠传统的挡板、阀门及液力耦合器调速使电能损失巨大。苏丹吉里石油焦电站属于该国电力系统的重点工程，电站总装机容量为110MW，依靠附近炼油厂副产品石油焦进行发电，采用2台55MW凝汽式汽轮发电机组，2台240吨硫化床锅炉。为使这些设备经济、合理地运行，通过高压变频器对给水泵进行调速控制，对于改善进网功率因数，提高生产工艺，降低厂用电率、降低发电成本、有着重要作用。1工程意义 20世纪90年代，苏丹摆脱了濒临崩溃的状态，其国内生产总值增加了两倍，这得益于石油的发现和开采，目前探明的石油储量位居世界前列。其意义在于：(1)对苏丹而言，这是第一个使用石油副产品作为燃料的电站。苏丹国家电力总公司（简称NEC）可以从本工程中获得相关经验，对苏丹其他同类工程具有指导意义。 (2)特点：对于燃油电站而言，运行成本中燃料成本约占总成本的90，本工程采用价格低廉的炼油副产品石油焦，无疑会极大的降低运行成本。(3)采用循环硫化床锅炉（CFB）的电站，具有满负荷稳定运行、排放物污染小，有利于环境保护的显著优点。(4)大功率电机采用变频调速，改善工艺控制，节约厂用电，平滑启动，减少管网冲击。 2. 给水泵节能原理介绍 21 给水泵运行的机械特性给水泵的任务是传送液体，向锅炉连续供给具有足够压力，流量和相当温度的水，轴流给水泵是因为液体按轴向流动而得名，它是靠叶轮的推力，给液体以一定的压力和动能，推动液体而流动。电动机的机械特性是指电机的转矩与转速的关系，通常机械特性可划分为转矩与转速的平方成正比Mn2，恒转矩M-CONSTANT，恒功率P-CONSTANT，不同负载有不同的机械特性，像水泵、风机这样的负载工作在管路静扬程或静压为零的情况下，它的转矩与转速的平方成正比，所以它的机械特性属于是Mn2。改变水泵转速调节方法的基本原理是改变水泵压头特性曲线来改变工况点，由于水泵和风机的控制理论相似同是流体力学，适用于风机的节电方法，也基本适用于水泵上，但是液体的密度明显的比气体大，因而具有很高的压力；管路阻力中的液位差较大。其节电的基本方法有三大要素：（1）减少不必要的流量（2）减少管路的阻力（3）用高效的方法控制流量 其具体的改变流量的方法有很多，但它们都是以可能降低不必要的流量和压头为前提的。控制流量的方法：间歇运转、并联台数控制、串联台数控制、翼角控制、调速控制等，变频调速控制初期投资高些，但是运行中的电耗可以大量减少，适用于流量变化大，扬程变化范围较大的场合。22 给水泵节能原理 如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速n可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降，即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：一台水泵电机功率为1600kW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为819.2kW，省电48.8，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为200kW，省电87.5。变频器是利用电力半导体器件将工频电源变换为另一频率可调的电力电子装置，它先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，再把直流电源逆变成频率、电压均可控制的交流电源以驱动电动机。频率可控即电机转速可控，由频率调节到电机的转速调节，通过改变电机转速来改变管网里给水的流量，从而达到节能的目的。 变速调节方法节省的功率主要由二部分组成：一是因为不存在阀门节流而少损失的功率；二是与节流调节阀相比，因为压头的变化而使泵内少消耗的功率。 3. JZE高压变频器功能简介 31 多电平单元串联电压源型高压变频器多电平单元串联电压源型高压变频器是国内应用较多的一种拓扑结构，首先由移相变压器将三相三绕组的高压降为三相多绕组的低压，为降低对电网的谐波影响，经延边三角形移相处理，使低压侧每相的六个绕组电压相位互差10度。高压变频器主回路结构如下图所示 主回路系统结构简介： 32H桥串联功率模块 每一个单元为一个低压变频器，由整流桥，储能电容，H桥输出逆变器组成。每相六个单元输入电压互差10度，呈现给电网侧的相当于36脉波的整流电路。变频器运行时，三相交流电源通过功率单元内整流二极管桥进行整流，电容阵列对脉动直流进行滤波，变为恒定的直流，电容阵列同时作为PWM输出的能量中继池，提供给输出回路稳定的电压。在多重串联时，每台单相逆变器中的PWM三角载波按其自身周期的1/6互相错开有均匀的相位移，因而在叠加时，基波直接相加，而高次谐波相互抵消，理论上可以消除37次以下的谐波，大大减少了输出电压中的谐波含量，使输出电压的变化率DV/DT变小得很多，不需要附加的滤波器，由于谐波很小，附加的转矩脉动也很小，从而减少了机械共振，传动系统和轴承的磨损。其输出波型更接近理想的正弦波。6个单元相互串联叠加后输出的相电压为13阶梯波，输出的线电压为25阶梯波，阶梯数的增加使得谐波成分和DV/DT减小，输出波形更接近正弦波。变频器工作时的功率因数达0.96以上，完全满足了供电系统的要求。所以不需要附加电源滤波器或功率因数补偿装置，也不会与现有的补偿电容装置发生谐振，变频器工作时不会对同一电网上运行的电气设备发生干扰，因而被人们誉为“完美无谐波的高压变频器”。 4.系统及主要设备技术规范 41系统介绍 火力发电厂的一些主要泵与风机，如锅炉给水泵，冷却水循环泵，凝结水泵及锅炉引风机，送风机均采用二台或二台以上的运行方式，其目的是：1）增大输送的流量；2）必要时可以通过增减并联的台数实现流量的调节；3）出于可靠性的考虑，若并联的泵或风机其中一台发生故障需要检修时，其余的泵和风机仍可继续运行，以维持主机组的安全运行。1#机组选用全容量电动给水泵2台，1台运行，1台备用，,即一用一备式。为节约厂用电，该给水泵采用的是利用变频器调节给水泵的转速来控制锅炉汽包水位。给水操作台分别设有100%BMCR流通量的主调节阀组、30%BMCR流通量的旁路调节回路。 42单台主回路技术方案： 变频控制采用一拖一自动旁路方案，一用一备控制方式。变频调速系统进线接于6.3kV电压等级的厂用动力电源母线，控制电动机变频调速。为增加运行安全性，变频旁路系统采用的是自动旁路柜，当变频器故障时可自动切到旁路运行。设计方案如下： 6.3KV主回路方案图 43主要设备技术参数 给水泵主要参数 给水泵型号：HGC4/13 进/出口流量：290m3/h 扬程：1400m进口压力：0.64MPa 出口压力：14MPa 转速：2980r/min 超速限制：3020r/min 电机功率：1600kW给水泵由上海凯士比水泵厂引进德国KSB公司技术设计制造，HGC4/13型给水泵的额定功率为1600KW，当发电机在额定负荷100MW下运行时，给水泵最大电流为121.5A，只有额定电流的71%，低负荷运行时最低电流到94A左右，是额定电流的54.5%左右，因此，给水泵具有很大的节能空间，由阀门节流控制改为转速控制，以降低能耗，提高机组的整体经济效益。 44给水泵的运行方案： 吉里四期1#给水系统主要由两个100%运行的电动给水泵，1#HP加热器和2#加热器，水泵的入口阀门，出口阀门和自身的旁路阀门组成。给水泵的启动条件：（1）给水泵的入口和出口管道要充满水（2）给水泵入口阀门全开 （3）给水泵出口阀门全关 （4）给水泵再循环阀门打开 （5）冷却系统正常 （6）机械密封水正常 （7）油面正常 （8）电气联锁，进线断路器DL合闸，变频接触器KM2，KM3合闸，旁路断路器QF1分闸（9）变频器带电，系统自检正常，收到变频器发出的“就绪”信号 45给水泵启动过程 在变频启动时为了不使给水泵发生“汽浊”现象，给水泵以最小流量控制方式启动，打开给水泵再循环阀门，满足给水泵的最小流量，在启动过程中当出口流量大于最小流量时将延时打开出口阀门，出口阀门全开后关闭再循环阀门，随着流量的增大，进入母管的主调节阀门也将随着流量的变化开启到最大，在运行中主要通过转速来调节管道中的流量，满足汽包中水位的变化需要。 46给水控制方案 此系统主要采用的是“差压供水”方案，信号分别取自锅炉汽包及水泵的出口压力传感器的压力值，送入差压变送器，与DCS输出给水量调节信号进行比较，构成闭环控制系统，此信号再由DCS送至变频器作为变频器的给定频率，当系统负荷变化时，锅炉内的汽包压力不断的变化，变频器的输出频率再接到调节信号后也自动变化。水泵的出口转速也相应的改变，始终保持水泵的出口压力跟随汽包压的变化而变化，变频器主要通过电机即泵的转速来调节给水量，以保证锅炉汽包水位。这种系统反应快,稳定性好,抗干扰能力强。另外，靠转速调节流量的应用中，水泵的消耗功率将以转速三次方的关系大为减小，系统节能明显。 5.在运行中遇的问题及解决方案 51电网电压的波动 考虑到苏丹电网的装机容量小和波动性较大，我们对系统的“欠压”和“过压”参数作以调整以满足电压波动影响造成的停机故障。“欠压”的主要参数是P243，它主要检测的是功率单元直流母线的电压，当输入电压低于额定电压时，电容阵列的电压不断下降，当下降到额定的75%时，功率单元向主控制器DPS系统发出电压低报警信号，此时系统仍能维持在轻故障报警状态下运行，而在连续运行时电压降至额定电压的35%时，功率单元内部保护回路启动将向DSP主控制系统发出保护跳闸信号，封锁输出；过压参数为P269，由于苏丹电网的容量较小，气候属于热带沙漠气候，年降雨量小于100mm，遭受雷电干扰造成的过电压情况较小，加之发电负荷满足不了用户的需求，为安全起见将变频器过压参数P269修改到国内常规的最大值，140%的额定电压保护值。 52环境温度的影响 苏丹北部属于沙漠气候，考虑到苏丹环境温度的影响，我们对变频的散系统做了改进。苏丹国家的年平均气温在3040，夏季最高气温可达5560。变频器中主要的散热部件是输入切分变压器和传动部分的功率单元，其热损耗均共占整个系统损耗的4%。输入变压器采用北京新华都生产的干式切分变压器，按出口标准制作，(美国杜邦NOMEX材料)环境温度40，H级绝缘等级，绝缘材料的最高温度可达180度，温升125k，环境温度50，H级绝缘等级，温升115k，额定雷电冲击耐受电压60kV，额定短时工频耐受电压20kV。目前九洲生产的PowerSmart6600-A/110变频器在中国境内使用，环境温度为040，通常采用1台德国EBM生产的型号为R4D400-AB04-05离心风机，该风机最大风量为4080m3/h,完全满足变频器正常运行，但考虑喀土穆环境温度高等因素，所以变压器柜采用2台R4D400-AB04-05离心风机来满足变频器正常运行，单台最大功率为0.63KW，此外，功率柜也采用冗余设计按正常的功率配比增加一个同容量散热风机以克服环境温度过高带来的影响；另外变频器室内采用空调循环冷确，风机出口由风道连接向室外直接排热。 53高压柜综合保护的设置 在变频器投入高压后，主要影响综合保护动作的因素是干式变压器的励磁涌流。POWERSMART系列高压变频器采用多电平单元串联技术，输入端设有干式切分变压器。根据变压器的使用要求，变压器在试运行时需待5次冲击合闸后，空载30分钟无异常后方可逐步带载运行。在实际起动中变频器一带电，上端高压受电柜综保立即跳闸，经分析故障来自变频器在初投时的励磁涌流，励磁涌流的大小取决于投入变压器时线路的电压和相位以及铁芯剩磁通的状况，一般可达空载电流的80100倍或额定电流的68倍，其值经过几个周波衰减，其值的大小极易引起变压器的过流和综保差动保护。鉴于变压器励磁涌流的影响将受电柜综保的电机速断电流，由原来的8In调整到10In，变频器上电跳闸问题解决。启动后的差动保护，本系统主回路设有对电机有差动保护功能，在电机封星点处接入电流互感器检查电机运行过程中的差动电流作为电机保护的一种后备保护。由于变频器在启动时频率给定由0Hz到设定的频率，在低频启动时交流磁场建立的初期会产生不平衡电流，将引起差动保护动作，随着频率的上升不平衡电流逐渐减小降低；所以在对电机要求有差动保护只能投到电机工频运行中。在变频方式工作时，此功能取消，通过对综保的设置来实现，否则在变频器启动时引起差动保护跳闸动作。 54两台给水泵共用同一风道路对风压的影响变频器的散热是系统正常运行的重要前提，像苏丹国家这样的工作环境中系统的散热风道显的尤为重要。在现场安装风道时，两台给水泵变频器的排风道口在出口处汇在一起共用一个出风口，这就影响了变频器的散热。在模拟调式时，我们临时引入了380V电源，确保每个风机的转向和柜内的风压，当一台变频器工作时，柜内的风压值在130MPa左右，而另一台变频工作后柜机的风压立刻下降到60MPa，大大影响了柜内散热，由于两个风道的出口汇在一起将热风排出，使得风量在管道中运动时有一部分形成涡流，两部分风流相互碰撞，能量大大损失，使得入口的进风量变小。在这种情况下，我们建议更改风道的走向使两台设备在运行时互不影响对方的排风量，保证柜内风压正常。另外为了使变压器柜和功率柜充分散热，最好使变压器柜和功率柜单独有自己的风道和排风口，因为若是将这两部分散热风机布置在同一风道中，变压器柜的排风量和功率柜内的排风量势必在管道中相互冲突产生涡流，造成能量的浪费，影响功率柜内的风压值。同时排风口的大小也是影响排风量的重要因素，现场排风口的面积小于排风管道的出口面积，导致能量的损失。综合以上原因影响排风散热的主要因素有三点，一是在一备一用的系统中两台变频器的排风风道要单独布置，不能汇在一起；二是要将变压器柜和功率柜的排风管道分开；三是要有一定面积的排风口保证风量的正常无阻碍的排出。 6.变频器系统应用情况分析应用高压变频调速系统产生的其他效果：（1）改善了工艺。投入变频器后锅炉给水量可以平滑的输出，运行人员可以自如的调控，给水泵的运行参数得到了改善，提高了效率。 （2）延长电机和水泵的使用寿命。一般给水泵启动时间长，启动电流大（约58倍额定电流），机械冲击力很大，采用变频调速后，可以实现软起动和软制动，对电机几乎不产生冲击，可大大延长机械的使用寿命。 （3）减少阀门机械磨损和管网冲击。延长水泵的大修周期，节省检修费用和时间。 （4）便于实现锅炉给水控制系统自动化。给水系统的的给水量经常需要根据锅炉负荷的变化而调整，阀门特性发生变化大，出现非线性问题，致使调节过程误差大，而变频调速始终保持在线性高精度0.010.1Hz的范围内工作，为实现给水系统的自动化控制创造优越条件。 将这种方法与原来传统阀门调节方案相比较可见，在流量相同的情况下，转速控制避免了阀门控制下因压头的升高和管阻增大所带来的能量损失。减少人工阀门调节，操作复杂。另外，调速泵和调速泵并联，这是一种机动灵活的组合，因为两台泵均可