汽轮发电机组凝结泵高压变频器改造的节能效果和经济性分析(吕学坤、陈国武)难点.doc

汽轮发电机组凝结泵高压变频器改造的节能效果和经济性分析吕学坤 陈国武作者单位：国电靖远发电有限公司地址：甘肃省白银市平川区电力路4号邮编：730919 Energy saving analysis of the transformation of the condensate pump frequency converter Xuekun Lv Guowu ChenAuthor: Guodian Jingyuan Power Generation Co Ltd Address: Gansu Baiyin Pingchuan Power Road No. 4Zip code: 730919ABSTRACT: with the deepening of the reform, power generation enterprise competition is becoming increasingly fierce, unit annual utilization hours of a sharp decline, lower profits to the critical value, energy saving has become the only channel of each thermal power plant survival earnings, only lower thermal power plant fuel costs and plant electricity rate, optimize the unit operation index, to find the most reasonable operating conditions, in order to improve the electricity price competitiveness. Therefore, the motor frequency conversion technology for energy saving power plant auxiliary equipment, is the thermal power enterprises to improve their competitiveness imperative. The condensation water pump of 220MW thermal power generating set is transformed into frequency conversion speed regulation operation. The technology is feasible and the energy saving effect is obvious. Reasonable design of frequency conversion system, select the best frequency converter manufacturers to ensure that the reliability of the unit does not reduce the same time, with the least investment, to achieve the maximum energy saving effect. KEY WORD: Condensate pump; frequency conversion; reformation; energy saving.摘要：随着竟价上网改革的深入，发电企业竞争日益激烈，火电机组全年利用小时急剧下降，边际利润降低至临界值，节能已成为各发电企业想要盈利生存的唯一渠道，只有降低发电厂燃料成本和厂用电率，优化机组运行指标，寻找最合理的运行工况，才能提高上网电价的竞争力。因此，采用电动机变频技术对电厂重要辅机进行节能改造，是各火电企业提高自身竞争力的当务之急。 我公司220MW火力发电机组的凝结水泵改造成变频调速运行，技术可行，节能效果明显。加之合理设计变频系统，择优选择变频器生产厂家能够保证在不降低机组可靠性的同时，用最少的投资，实现最大的节能效果。关键词：凝结泵；变频；改造；节能。1 引言凝结水泵是凝结水系统的重要动力设备，它的作用是把凝汽器中的凝结水打入低压加热器加热后送入除氧器内，是变频拖动对象。在火电企业生产流程中，由于凝结泵在启停机与正常运行时需要满足不同的工况，凝结水泵在机组额定负荷出力下工频正常运行时已与经济运行工况偏差较大，更何况近年来火电机组装机容量普遍过剩，风电及光伏等受不确定因素影响的新能源发电机组享受更高的调度优先权，火电机组带部分负荷的情况更加普遍、频繁，如果仍然使用工频的凝结泵电动机电能浪费将更严重。变频调速装置可以通过调节凝结泵电源频率使凝结水泵处于不同工况下的最佳运行状态，大大提高运行效率，达到节能的目的。我国已对变频调速技术进行了一定的研究，主要用于中、小型设备上，如给煤机、给粉机、中、小型风机、水泵及其它领域等，并得到了广泛的推广和应用。目前高电压大功率电动机的变频调速装置也在推广之中。我公司的220MW机组凝结水泵，通过技术改造,大胆使用了高压变频器,获得了很好的经济效益,并取得了一定的经验。2 变频调速的方法及节能原理2.1 变频调速的方法变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。交流异步电动机的输出转速由下式确定：n=60f(1S)/p （1）式中 n电动机的输出转速；f输入的电源频率；S电动机的转差率；p电机的极对数。 由公式(1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速(调整p)、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机(调整S)和变频调速(调整f)等。变频调速器从电网接收工频50Hz的交流电，经过恰当的强制变换方法，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。将工频交流电变换成为可变频的交流电输出的变换方法主要有两种：一种称为直接变换方式，又称为交交变频方式，它是通过可控整流和可控逆变的方式，将输入的工频电直接强制成为需要频率的交流输出，因而称其为交流交流的变频方式。另一种称为间接变换方式，又称为交-直-交变频方式，它是先将输入的工频交流电通过全控/半控/不控整流变换为直流电，再将直流电通过逆变单元变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出。2.2 调速节能的原理通过流体力学的基本定律可知：风机（或水泵）类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力（扬程）H以及轴功率P具有如下关系：Q1/ Q2n1/n2 （2）H1/ H2（n1/n2）2 （3）P1/ P2（n1/n2）3 （4）式中 Q1、H1、P1风机（或水泵）在 n1转速时的流量、压力（或扬程）、轴功率；Q2、H2、P2风机（或水泵）在n2转速时的相似工况条件下的流量、压力（或扬程）、轴功率。由公式(2)、(3)、(4)可知，风机（或水泵）的流量与其转速成正比，压力（或扬程）与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。由公式(4)可知，在其它运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速度，其节电效果是与转速降落成立方的关系，节电效果非常明显。例如工况只需要50的风量或水量，则可以将电机的转速调节为额定的一半，此时电机消耗的功率仅为额定的12.5，即理论上节能可达87.5。2.3 高压变频调速系统与液力偶合器的比较2.3.1 液力偶合器存在的主要缺陷火力发电厂一般采用液力偶合器进行风机调速的居多，由于液力偶合器本身具有如下技术缺陷，在电厂中将无法较好地满足安全生产的要求。a 液力偶合器调速属耗能型调速方式，在调速范围较大时，产生机械损耗和转差损耗，消耗能量，效率较低，节能效果一般。b 液力偶合器是一种以液体为介质，靠液体动量矩的变化传递能量的装置，工作时是通过一导管调整工作腔的充液量，从而改变传递扭矩和输出转速来满足工况要求。因此，对工作腔及供油系统需经常维护及检修。c 液力偶合器故障时，无法再用其它方式使其拖动的风机运行，必须停电检修。d 采用液力偶合器时，在低速向高速运行过程中，延迟性较明显，不能快速响应，同时这时候的电流较大，如整定不好会引起跳闸，影响系统稳定性。 e液力偶合器本身控制精度差，调速范围窄，通常在4090之间。f电机启动时，冲击电流较大，影响电网的稳定性。g在高速运行时，液力偶合器有丢转现象，严重时会影响工作的正常进行。 从以上情况来看，如果继续使用液力偶合器，将会制约电厂节能降耗、降低生产成本、提高生产效率、增加企业竞争力的目的。2.3.2 HARSVERT-A06/105型高压变频装置原理变频装置采用多电平串联技术，6KV系统结构见图1，由移相变压器、功率单元和控制器组成。6KV系列有21个功率单元，每7个功率单元串联构成一相。图1 高压变频器调速系统结构图每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构见图2，为基本的交-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，可得到如图3所示的波形。图2 功率单元电路结构输进侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，构成42脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器。输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图3所示的门路PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的尽缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。图3变频器输出的相电压截图PWM波形当某一个单元出现故障时，通过使图2中的软开关节点K导通，可将此单元旁路出系统而不影响其他单元的运行，变频器可持续降额运行；如此可减少很多场合下停机造成的损失。避免了由于一个大功率高压开关器件的故障而导致整机的故障产生，以致停机。保证了多电平变频器的可靠性。3. 凝结水泵变频改造方案我公司220MW机组配备2台100%容量的凝结水泵, 型号16NL-180，额定流量 550m3/h，扬程180m，转速1450rpm。现增设HARSVERT-A06高压变频器，实现050Hz无级调速，功耗随机组负荷变化而变化，进而提高设备利用率，达到最佳经济运行模式的目的。改造遵循最小改动，最大可靠性，最优经济性的原则。变频器选型及参数：系统改造方案如图4。为了充分保证系统的可靠性，为变频器同时加装工频旁路装置，变频器异常时，变频器停止运行，电机可以直接手动切换到工频运行状态下运行。工频旁路由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成（其中QF为原高压开关柜内的断路器）。要求QS2和QS3不能同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。 为了实现变频器故障的保护，变频器对用户开关QF进行连锁，一旦变频器故障，变频器跳开QF，要求用户对QF的合分闸电路进行适当改造。并且两台凝结水泵是一备一用，当变频泵跳闸时，联启工频备用泵，不会影响凝结水系统正常工作。变频泵工频旁路时，变频器始终允许QF合闸，撤消对QF的跳闸信号，使电机能正常通过QF合闸工频启动。图44.使用变频器的效益分析 由于凝结泵采用定速运行，出口流量只能由控制阀门调节，节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低，且经常发生泄漏，造成能源浪费。而且由于控制阀门为电动机械调整结构，线性度不好、调节品质差、自动投入率低；频繁的开关调节，容易出现各种故障，使现场维护量增加，造成各种资源的浪费。4.1节约电能效果显著 下面是某月的电能统计，做一个同类机组的横向比较，可以看出凝泵用电减少许多。机组负荷（MW）150160174186196202205219#1机组工频日耗电量（KWH）1090711404114731147511161112151131111611#2机组变频日耗电量（KWH）55756367735279589081102771051911564日耗电量差（KWH）5332503741213516208093879247以每台机组年发电量15亿千瓦时计算，使用变频器可节约厂用电196万千瓦时，以平均电价0.22元/KWH计算每台可节约43.06万元。4.2减少电机启动时的电流冲击 电机直接启动时的最大启动电流为额定电流的7倍；星角启动为4.5倍；电机软启动器也要达到2.5倍。观察变频器起动的负荷曲线，可以发现它启动时基本没有冲击，电流从零开始，仅是