超超臨界1 000 MW機組凝結水泵及高壓變頻器的計算與選型

金利勤，曹華芬，王家軍，王劍平

（1.浙江浙能嘉華發電有限公司，浙江 嘉興 314201；2.浙江省科學技術廳，杭州 310006；3.杭州電子科技大學自動化研究所，杭州 310018）

隨著電網的擴大、機組裝機容量的增加以及負荷峰谷差的拉大，大型發電機組也要參加調峰運行，而為滿負荷設計的大型輔機工況調節方法不適合調峰運行方式，導致輔機和驅動的電動機都工作在低效率區域，造成大量的能源浪費，而且隨著啟停次數的增多對輔機、電動機及電網的沖擊也更頻繁[1-2]。

在火力發電廠中，各類泵和風機的用電量占火力發電廠自用電量的85%左右。以浙江某發電廠為例，2臺1 000 MW機組的大容量電動機基本配置為：引風機2×7 200 kW，送風機2×2 600 kW，一次風機2×4 100 kW，增壓風機2×3 150 kW，凝結水泵2×2 550 kW，循環水泵2×2 800 kW，磨煤機2×1 050 kW。2臺機組的各種電動機的裝機容量為7.6萬kW，占到總發電量的3.8%，年耗電量為4.8億kWh。

配置高壓變頻器作為發電廠節能的首選，在當前節能減排的大形式下已經顯得非常必要，特別是超超臨界1 000 MW機組成為發電企業的主流機組時，高壓變頻器的應用更加不可缺少。

以下就浙江某發電廠超超臨界1 000 MW機組，給出了凝結水泵及電動機高壓變頻器的計算與選型。

1 凝結水泵及其驅動電動機的選型

凝結水泵是火力發電廠主要動力設備之一，凝結水泵的選型是否合理，不僅直接影響機組整體運行的經濟性，而且對機組整體安全性也有重大影響。DL 5000-2000《火力發電廠設計技術規程》[3]規定：凝結水泵容量為最大凝結水量再加10%的裕量；最大凝結水量為汽輪機最大進汽工況時的凝汽量、進入凝汽器的經常疏水量與進入凝汽器的正常補給水量的總和。

根據超超臨界1 000 MW機組的汽輪機設計規范和基本熱力參數，凝結水泵采用一運一備的方式，凝結水泵的型號為TDM-VB5，為立式多級筒袋形泵，級數為5級，最大流量為2 382 m3/h，額定流量為1 850 m3/h，最大揚程為330 m，轉速為992 r/min，泵的效率為84%。凝結水泵系統布置如圖1所示。

圖1 凝結水泵系統布置圖

凝結水泵的功率PB為：

式中：ρ為水的密度（常溫為998.2 kg/m3）；g為重力加速度；H為最大揚程；Q為額定流量；η1為泵的效率。

由式（1）可以計算出凝結水泵的額定功率為1 975 kW。

凝結水泵驅動電動機的額定功率PM為：

式中：常數1.1是留出的一定裕量。

由式（2）可以計算出凝結水泵電動機的功率為2 173 kW。

凝結水泵驅動電動機的額定輸入功率PM為：

式中：η2為電動機的效率。

如果電動機的效率按照97%計算，則由式（3）可以計算出電動機的額定輸入功率為2 240 kW。

根據以上的計算，選擇上海電機廠制造的電動機，型號為YBPLKS800-6，額定電壓為6 kV，額定電流為245 A，額定轉速為992 r/min，額定輸出功率為2 175 kW，額定輸入功率為2 550 kW。

2 高壓變頻器及其相關設備的選型

2.1 高壓變頻器

高壓變頻器是指輸入電源電壓在3 kV以上的大功率變頻器，主要電壓等級有3 000 V，3 300 V，6 000 V，6 600 V，10 000 V等。

高壓變頻器由多個變頻器模塊串聯，輸入和輸出均為高壓，主要用于大功率高壓電機的變頻調節，基本原理框圖如圖2所示。

圖2 高壓變頻器原理框圖

高壓變頻器的主要優點有：

（1）多電平PWM控制，實現了輸出電壓的階梯近似正弦波和電流正弦波，降低了電機的轉矩脈動。同時降低了電機噪音，延長了電機使用壽命。

（2）功率單元的多單元串聯拓撲結構能夠滿足不同級別的高壓電機對于電源的要求，提高電源逆變的質量。

（3）實現了高壓大功率電機的高效變頻運行，減少了凝泵的截流環節，降低了設備成本，同時對于企業的節能降耗具有重要的意義。

2.2 高壓變頻器選型應注意的問題

為了提高高壓變頻器的性價比，并且實現高壓變頻器的穩定運行，高壓變頻器在選擇的過程中必須注意如下3個問題：

（1）應避免使用過高電壓等級的高壓變頻器。選擇過高的電壓等級會使投資過高，回收期延長。電壓等級提高后，電機的絕緣也必須提高，使電機價格增加，也使變頻器中電力半導體器件的串聯數量加大，增加了成本。

（2）為了減小諧波，變頻器輸入側都有輸入變壓器。既然輸入側有變壓器，變頻器和電機的電壓就沒有必要和電網一樣，非用10 kV和6 kV不可，功率2 500 kW以下的電機電壓可以不超過3 kV。

（3）為減少高壓變頻器對電網諧波污染，從實用角度分析，整流橋組成12相整流可消除5和7次諧波，已基本滿足電網諧波要求。400～800 kW的變頻器采用12相整流即可，而1 000～3 000 kW的變頻器采用18相即可符合要求。

2.3 高壓變頻器的選型

發電廠高壓變頻器的選型通常要注意負載類型、額定容量、額定電壓、額定電流和負荷情況等問題。

（1）高壓變頻器容量的選擇：超超臨界1 000 MW凝結水泵要求有很高的可靠性，因此高壓變頻器相對于電動機要求具有更大的容量裕量，選擇：

式中：PInv是指高壓變頻器的額定功率；V為供電電壓；I為電流。

由式（4）可以計算出變頻器的功率范圍應該為 3 570～3 825 kW。

（2）高壓變頻器的額定電壓通常為6 kV或10 kV，為了保證廠用電電壓的統一性，凝結水泵高壓變頻器額定電壓選擇為6 kV。

（3）高壓變頻器的輸出電流必須能夠滿足凝結水泵電機電流的要求，同時要能夠保證電動機一定的過負荷運行時限。高壓變頻器的電流選擇：

其中：IInv是變頻器的額定電流；IM是凝結水泵電動機的額定電流。

由式（6）可以計算出高壓變頻器的額定電流范圍為 367.5～404.25 A。

（4）根據運行經驗，凝結水泵長期運行于額定負荷的時間不到全年的5%，即凝結水泵電動機長期運行于連續低負荷狀態，絕大部分時間運行于65%～85%額定負荷。考慮到凝結水泵電機電流的設計選擇裕量，高壓變頻器額定電流可以適當下降5%：

由式（7）可以計算出凝結水泵高壓變頻器的電流范圍為349～384 A。

2.4 高壓變頻器的選型

當前高壓變頻器比較知名的國際品牌有ABB、西門子、三菱、東芝、艾默生和羅賓康等，國內知名品牌有北京利德華福、廣州智光、榮信、東方日立和沈陽斯威爾等。在控制單元的設計方面國內高壓變頻器的性能已經接近國際高端水平，然而在功率器件的設計方面還與國外品牌存在較大的差距。

為了保證與發電廠內其他機組的兼容性，同時也兼顧超超臨界機組凝結水泵系統控制的性價比，決定選擇東芝品牌的高壓變頻器，東芝高壓變頻器在發電廠的使用情況如表1所示。

表1 發電廠使用東芝高壓變頻器的情況

根據凝結水泵要求，按照前面的選擇和計算原則，同時結合東芝高壓變頻器系列的特性，凝結水泵高壓變頻器基本數據的選擇如表2所示。高壓變頻器器與凝結水泵電機的A與B側的接線簡圖如圖3所示。

2.5 輔助電氣設備的選擇

凝結水泵電動機的變頻運行除了需要安裝高壓變頻器，同時也需要相關的輔助電氣設備，其中旁路柜和進線變壓器的合理選擇對于凝結水泵電動機的正常運行也具有重要意義。旁路柜的作用主要是防止在高壓變頻器故障時能夠實現凝結水泵的工頻旁路運行，以保證發電機組的正常運行，旁路柜參數如表3所示，高壓變頻器的進線變壓器選擇與高壓變頻器相配套的設備。

表2 高壓變頻器基本數據

圖3 高壓變頻器接線圖

表3 旁路柜的數據

3 高壓變頻器的節能效果分析

計算條件：電動機的效率為97%，高壓變頻器的效率為98.5%，額定流量時電機的軸功率為2 175 kW，年運行時間為8 000 h，100%流量的時間為總運行時間20%，70%流量的時間為50%，50%流量的時間為30%，以下P100，P70，P50分別代表流量為100%，75%和50%時的功率。

（1）閥門調節時的電量：

P100＝2 175/0.97＝2 242 kW

P70＝2 175×0.7×（1.4-0.4×0.72）/（0.97×0.985）＝1 889.7 kW

P50＝2 175×0.5×（1.4-0.4×0.52）/（0.97×0.985）＝1 457.5 kW

年耗電量：

8 000×（2 276×0.2+1 918.5×0.5+1 479.7×0.3）＝14 643 876.8 kWh

（2）變頻時的電量：

P100＝2 175/（0.97×0.985）＝2 276 kW P70＝2 175×0.73/（0.97×0.985）＝780.8 kW P50＝2 175×0.53/（0.97×0.985）＝294.5 kW年耗電量：

8 000×（2 276×0.2+780.8×0.5+294.5×0.3）＝7 471 600 kWh

（3）年節電率：（14 643 876.8-7 471 600）/14 643 876.8＝49%

4 結論

針對浙江某發電廠兩臺超超臨界1 000 MW機組凝結水泵高壓變頻器及其相關電氣設備的選型，給出了初步的設計方案，高壓變頻器合理選型對于發電廠降低廠用電率，提高發電的效率具有重要的意義，同時也符合國家節能降耗的發展趨勢。

[1]俞振華.GW級機組凝結水泵變頻運行性能分析[J].中國電力，2010，43（7）∶53-56.

[2]趙利.風機和泵類負載調速變頻器的選擇[J].電機與控制應用，2007,34（8）∶39-41.

[3]DL 5000-2000火力發電廠設計技術規程[S]．北京：中國電力出版社，2001.