作者：倪洲 周元龍 王丙化 李學(xué)保 林靜仁 （徐塘發(fā)電有限公司生技部）
關(guān)鍵詞：異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、 利德華福的HARSVERT-A系列變頻器 、矢量運(yùn)算、PWM波形等。
變頻調(diào)速裝置可以使電動(dòng)設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，大大提高運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能的目的。我國已對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行了一定的研究，主要用于中、小型設(shè)備上，如給煤機(jī)、給粉機(jī)、中、小型風(fēng)機(jī)、水泵及其它領(lǐng)域等，并得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。目前高電壓大功率電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速裝置也在推廣之中。我公司的2×300MW機(jī)組凝結(jié)水泵,通過技術(shù)改造,大膽使用了高壓變頻器,獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益,并取得了一定的經(jīng)驗(yàn),介紹如下：
變頻器節(jié)能原理
大家知道,異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f、轉(zhuǎn)差率s、電機(jī)極對(duì)數(shù)p三個(gè)參數(shù)有如下關(guān)系：
改變其中任何一個(gè)參數(shù)都可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。變頻器是通過改變電源頻率f的方式來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的。在異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造完成后,轉(zhuǎn)速與頻率的線性關(guān)系既確定，如圖3所示：
圖3 變頻調(diào)速中轉(zhuǎn)速與頻率關(guān)系曲線
由于轉(zhuǎn)速n與頻率f之間為線性關(guān)系，從理論上分析調(diào)速范圍在0～100%內(nèi)，線性度都很好,因此變頻調(diào)速是當(dāng)今調(diào)速應(yīng)用的生力軍.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 高電壓大功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn),高壓變頻器應(yīng)運(yùn)而生,使發(fā)電廠大型輔機(jī)的調(diào)速運(yùn)行成為現(xiàn)實(shí).從而省去由于閥門、擋板節(jié)流等帶來的功率損失，達(dá)到節(jié)能的目的,提高了發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
對(duì)于水泵,由流體動(dòng)力學(xué)理論可以知道，流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比,扭矩與轉(zhuǎn)速二次方成正比,而泵的功率則與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。用n、 N分別表示轉(zhuǎn)速和功率,腳標(biāo)“0”均表示額定工況參數(shù)。當(dāng)流量由額定值Q0降至Q時(shí)，與額定功率N0比較，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的電機(jī)的功耗為：
當(dāng)流量由100%降到70%，則轉(zhuǎn)速相應(yīng)降到70%，而電機(jī)的功耗降到34.3% N0，也就是節(jié)約電能65.7%?？鄢y門調(diào)節(jié)時(shí)的功耗與額定功耗的差、轉(zhuǎn)速下降引起電機(jī)的效率下降等因素，節(jié)電效果也是非常顯著的。
凝結(jié)泵變頻改造方案
凝結(jié)泵是汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)中的主要輔機(jī)設(shè)備之一，它的作用是把凝汽器中的凝結(jié)水打入低壓加熱器加熱后送入除氧器內(nèi)。由于凝結(jié)泵采用定速運(yùn)行，出口流量只能由控制閥門調(diào)節(jié)，節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率低，且經(jīng)常發(fā)生泄漏，造成能源浪費(fèi)。而且由于控制閥門為電動(dòng)機(jī)械調(diào)整結(jié)構(gòu)，線性度不好、調(diào)節(jié)品質(zhì)差、自動(dòng)投入率低；頻繁的開關(guān)調(diào)節(jié)，容易出現(xiàn)各種故障，使現(xiàn)場維護(hù)量增加，造成各種資源的浪費(fèi)。
我公司300MW機(jī)組配備2臺(tái)100%容量的凝結(jié)水泵, 型號(hào)9LDTNA4,額定流量841m3/h,揚(yáng)程280m,轉(zhuǎn)速1480rpm,配用1000KW的異步電動(dòng)機(jī),閥門調(diào)節(jié)?，F(xiàn)增設(shè)高壓變頻器采用無級(jí)調(diào)速，功耗隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化，進(jìn)而提高設(shè)備利用率，達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式的目的。改造遵循“最小改動(dòng)，最大可靠性，最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性”的原則。系統(tǒng)改造方案圖如下：
圖1 凝泵變頻改造系統(tǒng)圖
從主回路改造方案看出：用一臺(tái)變頻器連接兩臺(tái)電機(jī)，正常時(shí)變頻器拖動(dòng)一臺(tái)凝泵變頻運(yùn)行，另一臺(tái)工頻備用；當(dāng)變頻器或運(yùn)行的凝泵發(fā)生故障時(shí)，備用凝泵可以工頻運(yùn)行，使用原來的調(diào)節(jié)方式，保證機(jī)組運(yùn)行。
優(yōu)點(diǎn)：充分利用變頻器和現(xiàn)有設(shè)備，投資相對(duì)較少，既保留了原系統(tǒng)的控制操作方式不變，又保證了系統(tǒng)改造后緊急狀態(tài)下的工頻恢復(fù)運(yùn)行，易于系統(tǒng)維護(hù)。
缺點(diǎn)：系統(tǒng)接線較復(fù)雜；需增加高壓斷路器；二次回路需要增加閉鎖回路；定期切換操作較繁瑣。
正常運(yùn)行方式：正常時(shí)，比如＃51泵運(yùn)行在變頻調(diào)速狀態(tài)下，電源通過＃50開關(guān)至變頻器，然后通過＃510輸出至＃51泵電機(jī)。此時(shí)＃52泵的＃52凝泵工頻開關(guān)處于備用狀態(tài)，各開關(guān)的邏輯關(guān)系如下：
工頻開關(guān)合閘條件：
變頻器出口開關(guān)的合閘條件：
一臺(tái)泵發(fā)生故障情況的運(yùn)行方式：
當(dāng)變頻控制的工作泵發(fā)生故障跳閘，或出力不足等故障時(shí)，另一臺(tái)泵會(huì)自動(dòng)工頻投入運(yùn)行（與原自投方式一致）。將發(fā)生故障的泵處理好后，再按上述方式切換至變頻運(yùn)行。在此之前備用泵只能工頻運(yùn)行，不能調(diào)速。
相關(guān)控制回路必須滿足下列邏輯：
定期切換按下列順序操作：
a）合52凝泵工頻開關(guān)，工頻開啟＃52泵，調(diào)整負(fù)荷由52凝泵接待。
b）斷開510開關(guān)，合上51開關(guān)，＃51凝泵工頻運(yùn)行，調(diào)整負(fù)荷由51凝泵接待。
c）斷開52開關(guān)，合上＃520開關(guān)將＃52泵接入變頻器，變頻控制開啟＃52泵。
d）調(diào)整＃52泵變頻運(yùn)行接待全部負(fù)荷后，停＃51泵至備用，切換完成。
?。?2泵切換到＃51泵，順序相同。
選用變頻器情況
通過收集和調(diào)研，結(jié)合凝泵運(yùn)行實(shí)際情況，決定采用國產(chǎn)引進(jìn)型高壓變頻器，我們使用了北京利德 華福的HARSVERT-A06/130高壓變頻器，具體參數(shù)如下表：
額定容量（kVA） 1250 額定電流（A） 130 額定電壓（V） 三相，6000 輸出頻率（Hz） 0～50 適用電動(dòng)機(jī)功率（kW） 1000 輸出頻率精度 0.1Hz 加減速時(shí)間 0.5—650秒 過載能力 120%，60秒 保護(hù)功能 過電流、主回路熔斷器斷、過壓、欠壓、CPU異常、冷卻風(fēng)扇停止。
此高壓變頻器特點(diǎn)：
?。?）屬于電壓型高-高變頻器，不需要另外加設(shè)輸出變壓器，只要將變頻器輸入端直接接在6kV的電網(wǎng)上，輸出端直接接到6kV高壓電動(dòng)機(jī)上，聯(lián)接簡單方便。
?。?）整流電路采用42脈沖整流，逆變回路采用獨(dú)特的單相多電平控制技術(shù)，從而構(gòu)成了對(duì)電源和電動(dòng)機(jī)都十分友好的雙完美系統(tǒng)：電源一側(cè)為完美無諧波輸入，電動(dòng)機(jī)一側(cè)，輸出為完美的正弦波，直接聯(lián)接原有凝泵電動(dòng)機(jī)，不需要增加諧波濾波器。
?。?）綜合運(yùn)行效率高、功率因數(shù)高。由于采用干式變壓器和類似常規(guī)低壓變頻器的成熟技術(shù)，使可靠性提高，由于IGBT開關(guān)頻率降低，使損耗減小，加之采用獨(dú)特的控制技術(shù)，變頻器綜合效率在97%以上。由于電源輸入側(cè)42脈沖整流，功率因數(shù)超過0.95。
?。?）控制回路采用高速單片機(jī)、工控機(jī)和PLC共同構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)多電平PWM控制和附加簡易矢量運(yùn)算功能的V/f控制，控制響應(yīng)快、精度高。采用了光電隔離技術(shù)，使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(shí)具有很好的抗電磁干擾性能。
使用變頻器的效益分析
1、節(jié)約廠用電效果顯著
下面是部分運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)本機(jī)改造前后的電流做一個(gè)縱向比較，可以發(fā)現(xiàn)電流減小許多。
機(jī)級(jí)負(fù)荷
（MW） 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 凝泵電流
（改造前） 74 75 76.2 78 79.3 80.2 81.2 82 83.5 84.3 85 86.8 89.5 90 91.2 92.5 凝泵電流
（改造后） 16.6 18.2 20.8 22.8 24.4 26.8 30.7 32.5 36.8 38.9 41.7 45.2 50.3 54 58.5 61.5 降低電流A 57.4 56.8 55.4 55.2 54.9 53.4 50.5 49.5 46.7 45.4 43.3 41.8 39.2 36 32.7 31
下面是某月的電能統(tǒng)計(jì)，做一個(gè)同類機(jī)組的橫向比較，可以看出凝泵用電減少許多。
機(jī)組 發(fā)電量萬KWH 凝泵用電量KWH 凝泵用電/發(fā)電量 節(jié)約電量萬KWH ＃4機(jī)（工頻） 14337.6 532728 0.00372 ＃5機(jī)（變頻） 13965 206088 0.0015 31
以每臺(tái)機(jī)組年發(fā)電量15億千瓦時(shí)計(jì)算，使用變頻器可節(jié)約廠用電330 萬千瓦時(shí)，折合人民幣100萬元。
2、減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊
電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的最大啟動(dòng)電流為額定電流的7倍；星角啟動(dòng)為4.5倍；電機(jī)軟啟動(dòng)器也要達(dá)到2.5倍。觀察變頻器起動(dòng)的負(fù)荷曲線，可以發(fā)現(xiàn)它啟動(dòng)時(shí)基本沒有沖擊，電流從零開始，僅是隨著轉(zhuǎn)速增加而上升，不管怎樣都不會(huì)超過額定電流。因此凝泵變頻運(yùn)行解決了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問題，消除了大啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力，大大降低日常的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。
3、延長設(shè)備壽命
使用變頻器可使電機(jī)轉(zhuǎn)速變化沿凝泵的加減速特性曲線變化，沒有應(yīng)力負(fù)載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。同時(shí)有關(guān)數(shù)據(jù)說明，機(jī)械壽命與轉(zhuǎn)速的倒數(shù)成正比，降低凝泵轉(zhuǎn)速可成倍地提高凝泵壽命，凝泵使用費(fèi)用自然就降低了。
4、降低噪音
我廠凝結(jié)水泵改用變頻器后，降低水泵轉(zhuǎn)速運(yùn)行的同時(shí)，噪音大幅度地降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低50%時(shí)，噪音可減少十幾個(gè)絕對(duì)分貝。同時(shí)消除了停車和啟動(dòng)時(shí)的打滑和尖嘯聲，克服了由于調(diào)門線性度不好，調(diào)節(jié)品質(zhì)差，引起管道錘擊和共振，造成給水系統(tǒng)上水管道強(qiáng)烈震動(dòng)的缺陷，凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行后，噪音、振動(dòng)都大為減少，變化相當(dāng)可觀。
總之，大型汽輪發(fā)電機(jī)組凝泵推廣使用變頻調(diào)速器，可以大幅度降低廠用電率，減少發(fā)電成本，提高競價(jià)上網(wǎng)的競爭能力。
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