电子论文-变频器在火力发电厂凝结水系统中的应用.pdf

第20卷第3期上海电力学院学报Vol 20 No 3 2004年9月Journal of Shanghai University of Electric PowerSep 2004 文章编号 1006 4729 2004 03 0007 06 变频器在火力发电厂凝结水系统中的应用 收稿日期 2004 03 05 徐支援1 邢善莲2 1 马鞍山发电厂 安徽 马鞍山 243021 2 万能达发电公司 安徽 马鞍山 243051 摘 要 分析了发电厂凝结水系统的概况及实施变速调节的必要性 对水泵节能原理和异步电机各种调速方 法进行了简要对比 重点讨论了静态电力电子装置变压变频器工作原理 并对马鞍山发电厂凝结水系统所采 用的LB系列变频器作了详细介绍和应用说明 关键词 变频器 火电厂 凝结水系统 中图分类号 TM621 TN773 文献标识码 A The Application of Frequency Converter in Condensation Water System of Power Plants XU Zhi2yuan1 XING Shan2lian2 1 Power Plant of Maanshan Maanshan 243021 Chian 2 Wannengda Power Plant Co Maanshan 243051 China Abstract On the basis of analyzing the general condition of the condensation systemof the power plant and the necessity of the application of its velocity modulation as well as the principle of energy2saving pump this paper makes a concise comparision between various mathods of velocity modulation for asynchronous motors and mainly discusses the principle of a static electrical2electronic variable voltage variable freauency device It also presents a detailed introduction into and explanation of the application of LB2Serial Frequency Converter in the condensation system of Maanshan Power Plant Key words frequency converter power plant condensation system 截止2003年底 我国发电总装机容量已达到 3 5 108kW 预计2004年底总装机容量将达到 4 2 108kW 其中火力发电容量占整个电力系统 总装机容量的80 左右 巨大的电能消耗越来越引起社会各界的重 视 特别是在 中华人民共和国节约能源法 实施 后 各地对节能降耗产品更加关注 随着人们生活水平的提高和对用电时段选择 自主性的加强 电力系统峰谷差也将进一步扩大 作为电能消耗较为集中的用户 发电厂有义务进 行节能降耗 提高用电效率 促进新技术和新产品 普及的研究 凝结水系统是火电厂热力循环中的重要环 节 采用先进技术对凝汽器水位和凝结水母管压 力进行控制对整个热力循环的安全性与经济性均 有重要意义 马鞍山发电厂对2 125MW机组凝结水系统 实施变频改造获得成功 从而为节能降耗和推广 新技术起到了积极的示范作用 本文就这一问题 进行分析和论述 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 1 离心水泵节能原理及调速 现代火力发电厂凝结水系统绝大多数使用的 是离心水泵 根据流体力学原理 离心水泵轴功率 P与出口扬程H 流量Q 机械效率 的关系为 P H Q 出口压力与流量的关系见图1 图1 出口压力H与流量Q的关系 由图1可知 当前工作点在 1 处 欲将流量 Q1降至Q2 有两条途径 1 转速不变 保持n n1 增加阻力 关小阀 门 工作点将沿N1线移至 2 处 此时消耗轴功 率 P2 H2 Q2 2 阻力不变 保持R R1 降低转速 使n n2 工作点将沿R1线移至 3 处 消耗轴功率 P3 H3 Q2 由于机械效率 几乎不变 可以认为是常 数 因此 两轴功率差为 P P2 P3 通常 P 约占P2的30 50 由此可见 采用调速方法比改变阻力方法节 能更显著 2 电机调速技术的历史与现状分析 20世纪的大多数时期为直流传动调速和交 流传动恒速阶段 直至20世纪末 交直流传动按 调速分工的格局才被打破 主要原因是直流电机 换向器受容量限制 极限容量与转速乘积应小于 106kW r min 1 为此 世界先进国家投入了大 量的人力和财力去研究高效节能的交流调速系 统 并取得了极大成功 由交流异步电动机原理可知 从定子传入转 子的电磁功率Pe Pm Ps 即为机械功率和转 差功率 根据转差功率消耗情况 目前异步电动机 调速系统的基本类型可分为3类 2 1 转差功率消耗型调速系统 该调速系统主要通过降低电压调速 电磁转 差离合器调速和转子绕阻串电阻调速 主要通过 增加转差功率的消耗来换取转速的降低 因而效 率较低 2 2 转差功率回馈型调速系统 该调速方法使转差功率的一部分消耗掉 而 大部分则通过变流装置回馈给电网或转为机械 能 主要采用转子绕阻串级调速 但新增变流装置 后会消耗一定的功率 2 3 转差功率不变型调速系统 该调速系统的转差功率消耗基本保持不变 如改变磁极对数进行调速等 由于转差功率消耗 基本不变 因此 效率最高 但改变磁极对数只能 进行有级调速 因而应用场合有限 最理想的交流调速应采用无级变频调速 保 持每极磁通量为额定值 既可防止磁通太弱 没有 充分利用铁心造成的浪费 又可防止过分增大磁 通使铁心饱和 导致励磁电流过大而损坏电机的 现象 根据电机学理论 E 4 44f1N1KN1 m 要保持 m不变 且E接近电动机电源电压 可近似要求V f 常数 这就能满足 m不变 我 们将此称为恒压频比控制 也称变压变频控制 即 VVVF型 Variable Voltage Variable Frequency 由于传统的逆变环节采用相控方式 调压 调 频两极可控 造成电路复杂 成本高 功率因数低 输出谐波分量大 采用SPWM后 用不控整流 输 入端功率因数不变 调压 调频在同一环节完成 可以较好地抑制和减少输出谐波 使输出波形接 近正弦波 这是当前变频装置中较为理想的结构 形式 见图2 马鞍山电厂变频改造采用了这种结构方式 SPWM是根据能量等效原理在惯性环节 中不同形状的窄脉冲能量作用近似相同 将正弦 波用若干等幅不等宽的窄方波等效 见图3 设正弦波电压U1 UMsin t 直流矩形波电 8上 海 电 力 学 院 学 报 2004年 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 压U Us 2 将正弦波半个波作n等分 则每等 分为 n 则对应第 i个直流矩形波窄脉冲宽度 为 i 根据面积相等的等效原则 图2 LB4245整机电原理框图 图3 与正弦波等效的等幅不等宽矩形波序列 i Us 2 Um Qi 2n Qi 2n sin t d t 2Umsin 2nsinQi 当n较大时 sin 2n 2n 于是 i 2 Um nUssinQi 可见 随着正弦波幅值的变化 矩形波宽度也 会发生相应变化 根据数学分析可知 期望的正弦 波分段越多 脉冲宽度越窄 等效性越好 依据上 述原理 可以用计算方法求得SPWM脉冲波形的 宽度 而且采用数字控制是很容易实现的 马鞍山 电厂使用的LB系列变压变频器 控制元件采用 的就 是Intel公 司 的16位 微 处 理 器 芯 片 N87C196mc 在软件控制下可直接产生高质量的 SPWM脉冲序列 功放元件采用的是绝缘栅双极 晶体管IG BT 其开关频率可达20 kHz 按基频 50Hz计算 每个周波可分段40次 从而满足了波 形要求 3 凝结水系统自动控制方案分析 凝汽器水位一般采用与除氧器水位协调控制 的方法 影响凝汽器和除氧器水位的因素很多 如 负荷变化 给水流量变化 化学补水阀开度等 在 9 徐支援等 变频器在火力发电厂凝结水系统中的应用 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 研究了被控对象的动态特性及扰动因素后 我们 在设计方案时将控制系统分成3部分 即 凝结水 泵转速的自动控制 化学补水阀的自动控制 凝结 水调整门的自动控制 这样 使除氧器水位 凝汽 器水位及凝结水母管压力维持在最佳状态 使机 组各系统稳定运行 3 1 除氧器水位和凝汽器水位的自动控制 由于除氧器水位和凝汽器水位的结构性质不 同 因此 调节对象的动态特性差别较大 这主要 反映在容量系数 阻力和传递距离上 特别是反映 在容量系数上的差异较大 当机组负荷变化 除氧 器水位变化10 时 可能导致凝汽器水位变化 50 左右 而化学补水对凝汽器水位变化的影响 较为直接 对除氧器水位变化的影响要滞后得多 凝汽器水位稳定 除氧器水位才会相对稳定 因此 我们重点是对凝汽器水位进行及时有效的 调节 我们主要采取调节化学补水的方法来调整 除氧器水位 为了能达到较好的调节效果 我们将 凝汽器水位的控制设计为串级控制系统 如图4a 所示 图4方框内均为DCS组态 串级控制系统 由控制器1和控制器2组成 图4 凝汽器水位的程序流程组态简图 控制器1由蒸汽流量与凝结水流量的差值形 成反馈信号 其任务是及时反映调节效果和迅速 消除凝结水流量的自发扰动 当凝结水母管调整 门开度发生变化时 凝结水流量发生变化 控制器 1快速消除扰动 使凝结水流量回到扰动前的值 当机组负荷发生变化时 首先在蒸汽流量上会反 映出来 此时控制器1迅速改变凝结水流量 以适 应蒸汽流量的变化 控制凝汽器水位达到正常值 控制器2由凝汽器水位与设定水位的偏差值形成 反馈信号 其任务是维持水位恒定 当水位偏离给 定值时 通过控制器1调节凝结水流量 即改变凝 结水泵的转速 使水位回到设定值 3 2 化补水阀的自动控制 由除氧器水位 凝汽器水位的值作为除氧器 水位的控制信息 当除氧器水位与凝汽器水位的 值小于整定值时 控制器3会自动打开补水阀 如 图4b所示 3 3 凝结水调整门的自动控制 由于凝结水系统工况要求母管压力必须保证 在1 3 1 4 MPa下运行 最低不小于1 1 MPa 故用母管压力作为主调信号 变频器输出频率作 为前馈信号 控制母管调整门的开度 取额定负荷 的60 75 MW 及以下负荷段 作为凝结水调整 门自动控制的调节范围 当负荷高于75 MW 或 母管压力大于1 1 MPa时 阀门全开 无需调节 见图4c 4 LB4245变频器与凝结水变频改 造方案的实施 马鞍山发电厂凝结水系统变频改造的实施分 为两个步骤 一是通过硬件改造 实现变频器控制 凝结水泵 二是通过软件改造 实现自动调节 来 完成从测量到控制的任务 实施中 将控制逻辑与 机组DCS结合在一起 利用DCS便可对凝结水泵 变频控制系统监控画面进行编程 组态 实现闭环 控制 从而使改造工作量和投资大为降低 4 1 硬件改造 硬件改造主要按以下步骤进行 1 系统主要由LB4245变频器 电抗器 凝结 水泵电机等组成 运行频率由手操器设定 2 变频器输出端电抗器DK因变频器与电 机之间的电缆超过60 m 为抑制运行中产生高次 谐波过电压 保护电机安全而加装 3 在乙凝结水泵安装一台LB4245变频器 将变频器串接在原来输入到电机的一次线中 将 甲凝结水泵作为备用泵 当变频器发生故障或电 气回路发生故障时 由主回路中的原DW15开关 控制其启 停及故障开断 复位 自动连锁启动甲 泵工频运行 4 将DCS输出信号4 20 mA输入到变频器 12 16端子上 控制变频器输出频率 以改变电 机转速 01上 海 电 力 学 院 学 报 2004年 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 5 变频器输出的4 20 mA转速模拟量信号 2 12端子送入DCS系统 6 乙凝结水泵启动时 由变频器实现软启动 启动频率2 Hz 以降低启动电流 4 2 软件编制和自动调试 软件编制和自动调试主要按以下步骤进行 1 画出凝结水系统自动控制的流程图 再在 DCS系统中编制软件 进行全局点目录的组态及 画面组态 通过计算 现场调试得出PID调节器的 KP 稳态位置误差系数 及Ti 稳态时间常数 等 参数 2 把被控对象除氧器水位 凝汽器水位经调 节器输出的 4 20 mA 模拟控制信号送入变频 器 以控制凝结水泵电机的转速 5 经济效益估算 马鞍山发电厂的N125机组汽轮机为N125 135 535 535型 超高压 中间再热 双缸 双排汽 冷凝式汽轮机 凝结水泵规范为 型号12NL2160 流量335 t h 出口压力1 55 MPa 转速1 475 r min 配套电机功率225 kW 额定电压380 V 额 定电流400 A 凝结水母管压力为1 3 1 4 MPa 系统变频改造后 自动化程度明显提高 运行 可靠性加大 其效果见表1 通过分析两年来的运行数据发现 在机组低 负荷运行时 具有非常明显的节电效果 其改造前 后的节能效果见表2 实现 变 频 调 节 后 电 耗 下 降11 11 39 02 带来了巨大的经济效益 表1 系统变频改造前后的状况对比 改造前改造后 运 行 状 况 靠运行人员手动调 节 误差大 系统运行 不可靠 不稳定 水位 曲线尖峰多 振幅大 实现水位的自动调节 自动投入率 达98 由变频器实现无级平滑 调速 动态响应快 调整灵活稳定 运行及维护工作量小 控制质量大 大提高 靠调节阀门开度来控 制水位 运行人员劳 动强度大 阀门故障 率高 阀门前后管道 振动大 通过改变变频器的频率来调节电 机转速 大大简化调节手段 变频 器既是动力源 又是执行机构 取 代了电动阀门 克服了电动阀门所 带来的问题 电机启动电流大 4 6倍的额定电流 对 设备及电网冲击大 使用了变频器后 电机可以软启 动 对电机 和电网的冲击大幅度 下降 同时变频器对电机的保护更 完善 提高了电气保护质量 马鞍山发电厂11 和12 机的两台凝结水泵年运 行均为5 000 h 仅按80 MW负荷考虑 每年至少 节约电能 W 2 P 1 P2 5 000 56万kW h 如按0 37元 kW h上网价计算 每年可节约 电费21万元 表2 改造前后节能效果对比 发电负荷 MW 凝泵流量 t h 改造前 阀门开度 改造后 频率 Hz 改造前后 凝泵电流 A 电机功耗 kW 节电效果 12535510049 8040037021520011 11 1003229046 6037129819816118 69 802487041 3032822417712131 64 602306539 3030418516410039 02 6 存在问题 变频柜放置在400 V开关室内 运行环境良 好 但往往由于距电机较远 需用电缆长距离传输 非50 Hz交流电能 因此 高次谐波及过电压的威 胁必须考虑 当传输距离大于60 m时 必须安装 电抗器 这就增加了额外损耗 此外 变频柜安装 在凝结水泵附近 虽然消除了高次谐波及过电压 的威胁 但夏季的环境温度及变频器运行中产生 的热量 对电子元件的安全 稳定性构成威胁 因 此 散热问题须高度重视 变频改造后 对设备质 量和管理工作的要求更高 因此 自动投入率和调 节品质仍需改善 下列问题有待解决 1 机组AGC投用后 若负荷变化速率大 自 动变频则难以跟上负荷变化 2 变频器距电机 较 远 时 电 抗 器 取 值 0 08 mH 大于此值时过热严重 通过频谱仪分 析 有针对性增加阻波器是改进的方向 11 徐支援等 变频器在火