劉宏宇，王麗英，宗艷霞

(華電國際鄒縣發(fā)電廠，山東 鄒城 273522)

1 問題的提出

華電國際鄒縣發(fā)電廠(以下簡稱鄒縣電廠)一直堅持提高機組效率、降低資源消耗、改善周邊環(huán)境的發(fā)展方向，是首批獲得國家“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”稱號的火力發(fā)電企業(yè)之一。高壓變頻調速技術是最近發(fā)展起來的重要節(jié)能和環(huán)保技術，由于其卓越的調速性能、完善的保護功能、顯著的節(jié)能效果和簡單易行的自動調節(jié)特性，在電力系統(tǒng)的應用越來越廣泛。風機、泵類等設備采用變頻調速實現(xiàn)節(jié)能運行是國家節(jié)能的一項重點推廣技術。通過技術進步和設備改造實現(xiàn)設備節(jié)能是現(xiàn)代火力發(fā)電企業(yè)降低廠用電率、提高機組效率的首要選擇［1－2］。鄒縣電廠在2臺1 000 MW機組凝結水泵系統(tǒng)中選用SH－HVF高壓變頻調速改造方案，經(jīng)過長時間的運行考驗，改造后的1000 MW機組凝結水泵系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，降低了廠用電率，節(jié)能效果顯著。

2 凝結水泵系統(tǒng)

凝結水泵是汽輪機熱力系統(tǒng)中的主要輔機設備之一，它的作用是將凝汽器中的凝結水吸出。系統(tǒng)升壓后經(jīng)低壓加熱器加熱送到除氧器，以維持除氧器水位的穩(wěn)定，在正常運行狀態(tài)下，凝汽器中的水位根據(jù)機組負荷變化進行調整，負荷增加，凝結水量也增加，凝汽器水位隨之升高，反之，凝汽器水位降低。鄒縣電廠1000 MW機組配有3臺50%容量的立式凝結水泵，2臺投入運行，1臺聯(lián)鎖備用。

2.1 改造前運行狀況

改造前凝結水泵采用定速交流電動機拖動，根據(jù)機組負荷和除氧器水位的變化，通過除氧器水位控制除氧器上水調閥來調節(jié)凝結水泵出口流量。為保證凝結水母管壓力穩(wěn)定，通過凝結水再循環(huán)調節(jié)閥來調節(jié)凝結水母管壓力。這種控制方式在節(jié)流時損耗大，回流造成能量浪費，凝結水泵效率低。凝結水泵電動機工作電壓為10kV，功率大，啟、停電動機時對母線的沖擊較大。

2.2 凝結水泵調節(jié)節(jié)能

由流體力學的基本定律可知:水泵在轉速調節(jié)前后流量、水壓、功率和轉速之間的關系為

式中:qV為水泵流量;h為揚程;n為水泵轉速，P為軸功率。

由上式可知:流量qV與轉速n成正比，揚程h與轉速n的平方成正比，軸功率P與轉速n的三次方成正比，電動機的轉速與供電頻率f成正比，因而通過改變電動機的供電頻率，可以改變電動機的轉速，從而調節(jié)水泵出口的流量，而變頻調速技術就是通過改變電動機的供電頻率來實現(xiàn)對轉速的控制，從而實現(xiàn)對水泵流量的控制。

3 高壓變頻技術

3.1 變頻調速原理

由電機學可知，異步電動機的轉速公式為

式中:n為電動機轉速;f為電動機定子供電頻率;s為轉差率;ρ為電動機極對數(shù)。

由式(5)可知，電動機轉速與輸入電源頻率成正比，通過改變輸入電源的工作頻率，就可以平滑地調節(jié)電動機的轉速。變頻器就是基于這一原理，利用電力電子器件、先進的控制技術等現(xiàn)代技術手段生產(chǎn)出的一種節(jié)能性的電氣產(chǎn)品。

3.2 高壓變頻器

凝結水泵改造選用的是國產(chǎn)SH－HVF系列高壓變頻器，它采用直接高高變換的方式和多電平串聯(lián)倍壓的技術方案及其優(yōu)化的脈沖寬度調制PWM(Pulse Width Modulation)控制算法，實現(xiàn)優(yōu)質可變頻變壓(VVVF)的正弦電壓和正弦電流的輸出。

3.2.1 高壓變頻器的控制

高壓變頻器的控制部分由、可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)、主控制器、旁路控制器、智能操作面板及開關、電源和繼電器等組成，高壓變頻器的控制原理如圖1所示。其中，PLC完成整個變頻調速系統(tǒng)的管理和邏輯處理，包括啟/停邏輯、報警故障邏輯等。觸摸屏為中文界面的液晶顯示，完成變頻器參數(shù)設定、運行參數(shù)狀態(tài)顯示和報警故障顯示等功能。主控制器完成PWM信號的產(chǎn)生、移相并轉換成光信號，通過光纖傳送到功率單元，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。旁路控制器為整個系統(tǒng)提供了較高的容錯能力，當工作中的某個功率單元故障時，旁路控制能自動將其從工作中退出并將備用功率單元投入運行。

圖1 高壓變頻器控制原理圖

3.2.2 功率單元

功率單元由熔斷器、三相全橋整流模塊、濾波電容及絕緣柵雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊組成，如圖2所示。進入功率單元的低壓交流經(jīng)過整流模塊的整流和電容的濾波后變成中間直流，在控制系統(tǒng)的控制下由IGBT逆變單元將中間直流逆變成交變的脈寬調制輸出。多個功率單元在逆變側串聯(lián)成一相，將每個功率單元輸出的電平相疊加，再配以動態(tài)分配技術和適當?shù)目刂扑惴ǎ谳敵鰝鹊玫揭唤M逼近正弦波的階梯波，再配以優(yōu)化的PWM控制，降低輸出諧波。因而可消除電動機的機械振動。

圖2 功率單元結構圖

3.2.3 SH－HVF系列變頻器主要優(yōu)勢

(1)功率單元機械式旁路。為了保證變頻器和現(xiàn)場設備的正常運行，SH－HVF系列高壓變頻器為用戶提供了功率單元機械旁路功能，當單元故障時，可自動將輸出清除并同時觸發(fā)旁路，使其不影響整個系統(tǒng)的正常工作，使整個系統(tǒng)由原來的串聯(lián)可靠性結構變?yōu)椴⒙?lián)可靠性結構。

(2)變頻器帶故障運行方式。當有功率單元故障時，變頻器可通過線電壓自動均衡技術，輸出最大的功率而不至于跳泵影響生產(chǎn)。

(3)線電壓自動均衡技術。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。

(4)控制部分雙電源切換。變頻器控制回路采用雙電源切換技術并配置不間斷電源UPS(Uninterruptible Power Supply)電源，UPS可以提供變頻器30 min的工作時間。

4 凝結水泵變頻電氣原理

在鄒縣電廠1000 MW機組的3臺凝結水泵中，A，C 2臺進行一拖一高壓變頻改造，B凝結水泵工頻備用的方案。A凝結水泵變頻改造電氣原理圖如圖3所示。

QS1和QS2為SH－HVF高壓變頻裝置的進線和出線隔離開關，便于檢修時對變頻裝置進行隔離。QS3為旁路開關，當變頻裝置發(fā)生故障后令電動機由工頻直接啟動。

(1)變頻運行時斷開QS3，閉合QS1和QS2。

(2)工頻運行時斷開QS1和QS2，閉合QS3。

QS2和QS3的作用是:一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開QS2，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘QS3，在工頻電源下啟動電動機運行。QS2與QS3之間通過機械閉鎖，防止誤操作。

圖3 凝結水泵變頻改造電氣原理圖

5 凝結水泵及變頻調速控制方案

在機組正常工況時，為保證A，C 2臺凝結水泵變頻方式運行，B凝結水泵投入聯(lián)鎖備用。相應的控制邏輯也進行了優(yōu)化，增加了變頻器控制邏輯及除氧器水位調節(jié)邏輯，同時對原凝結水泵控制邏輯進行部分修改。改造前除氧器水位由除氧器上水調節(jié)閥來調節(jié)，通過調節(jié)上水調節(jié)閥的開度大小控制凝結水泵水流量。通過凝結水再循環(huán)調節(jié)閥調節(jié)凝結水母管壓力。變頻改造后除氧器水位分別由除氧器上水調節(jié)閥和凝結水泵變頻總水位調節(jié)來控制，兩者流量特性有一定區(qū)別。為避免調節(jié)重復而引起事故，要求除氧器上水調節(jié)閥自動和凝結水泵變頻總水位調節(jié)自動不能同時投入，二者互鎖。在正常運行時，除氧器上水調節(jié)閥手動調節(jié)，A，B凝結水泵變頻器投入自動運行狀態(tài)，使用凝結水泵變頻調節(jié)除氧器水位。

5.1 除氧器水位調節(jié)邏輯

凝結水泵變頻總水位調節(jié)控制邏輯如圖4所示。其調節(jié)部分由2部分組成:一部分是單回路調節(jié)PID 1，在低負荷時使用;另一部分是串級三沖量調節(jié)(PID 2，PID 3)，在高負荷時采用。兩者的切換是由修正后給水流量經(jīng)高選塊來判斷的。當修正后給水流量大于30 t/h，高選塊輸出為1，將調節(jié)輸出切換到串級三沖量系統(tǒng);當修正后給水流量小于30 t/h，高選塊輸出為0，將調節(jié)輸出切換到單沖量調節(jié)。在串級三沖量系統(tǒng)中，PID 2為主調節(jié)器，負責維持除氧器水位在設定值，PID 3是副調節(jié)器，其功能是維持凝結水量與給水流量的基本平衡。輸出經(jīng)平衡模塊分為2路，分別經(jīng)過A，C凝結水泵手動操作站輸出為各自轉速設定。

圖4 除氧器水位變頻調節(jié)控制原理

在除氧器水位調節(jié)中采用串級三沖量這種控制方式，能夠迅速克服機組負荷變化帶來的二次擾動，使系統(tǒng)能夠快速適應負荷的變化，改善調節(jié)過程的動態(tài)特性。控制回路中的副調節(jié)回路可以抵消較小擾動對輸出的影響，維持輸出的穩(wěn)定，使凝結水泵的轉速不反復波動，有利于機組的正常穩(wěn)定運行。

原除氧器上水調節(jié)閥控制邏輯全部保留，設為備用調節(jié)手段，增加切手動(MRE)條件:凝結水泵變頻總水位調節(jié)自動狀態(tài)。

5.2 凝結水泵變頻聯(lián)鎖保護

在A，C變頻凝結水泵中，增加在變頻方式下跳閘聯(lián)起功能，凝結水母管壓力維持在2.2～3.5 MPa，在壓力調節(jié)不當時，A，C變頻凝結水泵自動方式切到手動方式。在B工頻泵中，增加A，C變頻凝結水泵任一在變頻運行方式下跳閘聯(lián)啟功能。

5.3 運行措施

(1)在正常運行中，若1臺變頻泵跳閘后，應立即檢查工頻泵聯(lián)啟是否正常，出口門是否聯(lián)開，利用凝結水再循環(huán)閥調整凝結水母管壓力至正常，并將變頻泵調整至額定出力。

(2)在正常運行中，A，C 2臺凝結水泵在變頻方式下長期運行，為保證B凝結水泵良好備用，每月進行一次B凝結水泵的運行切換試驗。

(3)在進行變頻泵和工頻泵切換過程中，要利用凝結水再循環(huán)閥調節(jié)凝結水母管壓力在2.2～3.5 MPa，保持除氧器上水調閥在自動控制狀態(tài)。

6 改造后的效果

(1)節(jié)能效果。改造后，經(jīng)過長時間的運行觀察并通過采用變頻器調節(jié)凝結水泵轉速，采用除氧器水位調節(jié)閥來調節(jié)凝結水流量，負荷在650～950 MW，與改造前相比，節(jié)能效果最高可達到39%(見表1)。

表1 改造后節(jié)能效果

(2)變頻調速解決了啟動時大電流對電動機的沖擊，降低了日常維護工作量，延長了電動機的使用壽命。

(3)采用凝結水泵變頻調速系統(tǒng)有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行，減少運行維護量。

7 結束語

鄒縣電廠2臺1 000 MW機組相繼進行了凝結水泵變頻技術改造，改造后變頻器運行穩(wěn)定，高壓電動機在啟動中實現(xiàn)了軟啟動，保護了電動機，延長了電動機的壽命，變頻改造后，凝結水再循環(huán)調節(jié)閥保持全關狀態(tài)，減少了回流損失;除氧器的水位變頻調節(jié)平滑性好、精度高，水位波動小，易于機組的穩(wěn)定運行。但除氧器水位調節(jié)有待進一步優(yōu)化，使其滿足在各種工況下達到更大的節(jié)能效果。凝結水泵變頻改造對機組其他高壓電動機變頻技術改造也具有參考價值。

［1］王玉彬.基于高壓變頻器的火電廠凝結水泵一拖二變頻調速改造［J］.工礦自動化，2009，3(6):88 －90.

［2］劉海東.凝結水泵電動機采用變頻調速的控制策略［J］.華東電力，2010(10):60－61.