火電廠大功率輔機(jī)高壓變頻改造應(yīng)用

馬紹杰

（華電濰坊發(fā)電有限公司,山東 濰坊 261204）

0 引言

根據(jù)中電聯(lián)2013年全國(guó)發(fā)電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)發(fā)電能源結(jié)構(gòu)中火電比例占到78%以上，作為主要的電力能源生產(chǎn)者，火力發(fā)電廠在滿足社會(huì)用電需求方面起到重要作用。但火力發(fā)電廠作為電能主要生產(chǎn)者的同時(shí)也是重要的電能消耗大戶，廠用電一般占發(fā)電量的4%-7%，其中拖動(dòng)大功率風(fēng)機(jī)、水泵輔機(jī)的高壓廠用電動(dòng)機(jī)的耗電量占廠用電的75%左右，全國(guó)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明即使在經(jīng)濟(jì)性較好的超臨界600MW等級(jí)機(jī)組行業(yè)的平均廠用電率仍達(dá)到了4.6%,全國(guó)每年都有大量電能消耗在火電廠自身用電中，廠用電率高低直接關(guān)系到電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

研究表明，風(fēng)機(jī)、水泵采用變速調(diào)節(jié)后可減小系統(tǒng)節(jié)流損失，降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)電能消耗量，取得顯著的節(jié)能效果。近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，以節(jié)能為主要目的變頻調(diào)速技術(shù)逐漸在高壓大容量電動(dòng)機(jī)上得到推廣應(yīng)用，為提高設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性開拓了廣闊前景。因此，擴(kuò)大高壓變頻器的應(yīng)用范圍，對(duì)提高火電廠給水泵、風(fēng)機(jī)、循泵等大功率輔機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，降低電廠自身廠用電率具有積極的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 變頻器調(diào)速節(jié)能原理

根據(jù)異步交流電動(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四個(gè)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系式 n=60f(1-s)/p，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。在電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)差率不變的情況下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與供電頻率呈線性關(guān)系。變頻器就是通過改變電源頻率f的方式來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的，如果均勻地改變電動(dòng)機(jī)定子供電頻率，可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。改變頻率的調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差率不變、同步轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)理想轉(zhuǎn)速同步變化下的調(diào)速。所以，變頻調(diào)速的調(diào)速精度、功率因素和效率都較高，容易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,并且變速調(diào)節(jié)中系統(tǒng)管路特性不變，不存在附加的調(diào)節(jié)阻力，調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性高，是水泵、風(fēng)機(jī)較為理想的調(diào)節(jié)方法。

火電廠為了保證生產(chǎn)的可靠性，在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)，在壓力偏高時(shí)，可降低電機(jī)的運(yùn)行速度，使其在滿足生產(chǎn)需要的同時(shí)節(jié)約電能。由水泵、風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)比例定律可知，水泵、風(fēng)機(jī)的流量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速n的二次方成正比，而水泵、風(fēng)機(jī)的功率P則與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)膎2變到n1時(shí)，其電機(jī)軸功率P的變化關(guān)系如下：P1/P2=(n1/n2)3，由此可見降低電機(jī)轉(zhuǎn)速可得到立方級(jí)的節(jié)能效果。

2 變頻調(diào)節(jié)特點(diǎn)

目前我國(guó)火力發(fā)電行業(yè)存在三個(gè)特點(diǎn)：一是磨煤機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等主要用電設(shè)備存在25%左右的富裕量，致使大馬拉小車；二是發(fā)電側(cè)供暫時(shí)過于求，大多數(shù)電廠不能滿負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷率偏低；三是單機(jī)容量越來(lái)越大，參與調(diào)峰運(yùn)行的機(jī)組容量越來(lái)越大，隨著季節(jié)晝夜的變化參加調(diào)峰運(yùn)行的機(jī)組必須隨時(shí)調(diào)整其發(fā)電能力。目前電廠風(fēng)機(jī)、水泵大都是定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用閥門或擋板進(jìn)行節(jié)流控制，電能浪費(fèi)嚴(yán)重，采用變頻變速調(diào)節(jié)技術(shù)可解決因節(jié)流控制造成電能增加的問題。

火力發(fā)電廠風(fēng)機(jī)、水泵類輔機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)除了降低電耗節(jié)能外，與傳統(tǒng)擋板閥門調(diào)節(jié)及其它變速調(diào)節(jié)相比還具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）減少閥門或擋板的操作頻次，降低了閥門擋板損壞幾率，轉(zhuǎn)速降低，對(duì)所帶機(jī)械設(shè)備磨損減輕，節(jié)省了設(shè)備檢修維護(hù)費(fèi)用。

（2）變頻器調(diào)節(jié)精度高、范圍廣，與電廠DCS配合可適應(yīng)復(fù)雜的控制邏輯模式，提高機(jī)組自動(dòng)化水平，降低值班人員監(jiān)盤調(diào)節(jié)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)。避免了異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)電流過大，易產(chǎn)生操作過電壓威脅電動(dòng)機(jī)安全的問題，延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

（4）高壓變頻器可對(duì)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償，提高廠用變壓器容量的有效利用率，避免風(fēng)機(jī)、水泵啟動(dòng)時(shí)廠用電電壓的大幅波動(dòng)。

（5） 與使用液力耦合器調(diào)速相比，具有無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，工作可靠、維修工作量少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，占地少安裝方便，原有的電動(dòng)機(jī)，泵和風(fēng)機(jī)位置不用改動(dòng)，能量轉(zhuǎn)換過程中效率高等優(yōu)點(diǎn)。

采用變頻調(diào)節(jié)后也會(huì)帶來(lái)一些問題，主要有：

（1）高次諧波問題。因采用變頻器后電動(dòng)機(jī)定子電流中會(huì)帶有高次諧波，該諧波增加了電動(dòng)機(jī)的損耗，降低了電機(jī)效率，電動(dòng)機(jī)溫升將比改造前有所升高。

（2）散熱能力問題。異步電動(dòng)機(jī)是按額定轉(zhuǎn)速下冷卻風(fēng)扇考慮的冷卻風(fēng)量，使用變頻器后，電機(jī)運(yùn)行速度降低，冷卻風(fēng)量變小，散熱能力也隨之變差。

（3）機(jī)械共振問題。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子在變頻方式下運(yùn)行某一轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械共振問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電機(jī)或所帶機(jī)械設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞。以上問題都需要在設(shè)計(jì)調(diào)試階段予以充分考慮解決，才能保證改造后運(yùn)行安全

3 高壓變頻器改造應(yīng)用

下面以華電濰坊發(fā)電有限公司高壓變頻器在超臨界670MW機(jī)組脫硫增壓風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵上的應(yīng)用為例進(jìn)行介紹。

3.1 脫硫增壓風(fēng)機(jī)應(yīng)用

3.1.1 一次電氣系統(tǒng)組成

華電濰坊公司670MW機(jī)組脫硫系統(tǒng)采用石灰石-石膏濕式脫硫，脫硫塔單元配置，配置有兩臺(tái)成都電力機(jī)械廠生產(chǎn)的ANT37e6(V13+4°)靜葉調(diào)節(jié)軸流增壓風(fēng)機(jī),電機(jī)額定功率2800kw。增壓風(fēng)機(jī)變頻裝置采用完美無(wú)諧波變頻器，是羅賓康公司設(shè)計(jì)制造的脈寬調(diào)制交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系列。采用“一拖一”斷路器自動(dòng)旁路方式，一套變頻器帶一臺(tái)風(fēng)機(jī)，變頻裝置裝設(shè)有進(jìn)線、出線及旁路三個(gè)斷路器（如圖1）。變頻器故障時(shí)，可通過跳進(jìn)、出線斷路器、合旁路斷路器，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)由“變頻”向“工頻”方式的自動(dòng)切換。增壓風(fēng)機(jī)變頻裝置由電源輸入柜、變壓器柜、功率單元柜、控制柜及電源開關(guān)柜四部分組成。功率單元柜有15個(gè)功率單元，每5個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，組合起來(lái)提供6000V線電壓，所有功率單元的機(jī)械和電氣參數(shù)均相同，可方便進(jìn)行互換。

圖1 變頻器一次電器接線圖

變頻器進(jìn)線1DL開關(guān)與變頻器旁路3DL開關(guān)之間設(shè)有電氣閉鎖，即進(jìn)線1DL開關(guān)合閘后、閉鎖旁路3DL開關(guān)合閘，或旁路3DL開關(guān)合閘后、閉鎖進(jìn)線1DL開關(guān)合閘；變頻器出線2DL開關(guān)與變頻器旁路3DL開關(guān)之間設(shè)有電氣閉鎖，即出線2DL開關(guān)合閘后、閉鎖旁路3DL開關(guān)合閘，或旁路3DL開關(guān)合閘后、閉鎖出線2DL開關(guān)合閘。變頻裝置正常運(yùn)行時(shí)，變頻器按照給定的頻率指行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，以滿足工況調(diào)整需要。變頻器一個(gè)或兩個(gè)功率單元出現(xiàn)故障被旁路時(shí)，變頻器仍可維持運(yùn)行。當(dāng)旁路功率單元超過兩個(gè)時(shí)，變頻器將跳閘。變頻器旁路電源開關(guān)在備用狀態(tài)且DCS中“變切工”功能投入時(shí)，若變頻器收到“急停”指令或變頻器發(fā)生故障，則變頻器立即關(guān)閉，跳進(jìn)、出線電源開關(guān)，并通過DCS控制系統(tǒng)發(fā)出旁路開關(guān)合閘指令，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)由“變頻”到“工頻（旁路）”狀態(tài)的切換。

3.1.2 節(jié)能效果

脫硫增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造后工作穩(wěn)定，節(jié)電效果明顯（如表1），尤其在機(jī)組調(diào)峰低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)節(jié)能顯著，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在67%機(jī)組負(fù)荷率下運(yùn)行耗電率較工頻方式大大降低，節(jié)電量最高可達(dá) 37%，經(jīng)濟(jì)效益可觀，變頻改造同時(shí)解決了低負(fù)荷風(fēng)機(jī)振動(dòng)大的問題，提高輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行可靠性。

表1 變頻改造前后不同負(fù)荷率脫硫增壓風(fēng)機(jī)耗電率對(duì)比

3.2 凝結(jié)水泵應(yīng)用

3.2.1 一次電氣系統(tǒng)組成

華電濰坊公司670MW機(jī)組配備兩臺(tái)NLT500-570×5S型凝結(jié)水泵，電機(jī)額定功率為2240KW。變頻器選用北京利德華福公司生產(chǎn)的HARSVERT—A06／260型高壓變頻器，變頻改造采用一拖二手動(dòng)旁路方案，即通過刀閘間的切換，可以實(shí)現(xiàn)任一泵變頻、另一泵工頻的運(yùn)行方式 (如圖2)。凝結(jié)水泵變頻裝置由移相變壓器柜、功率單元柜、控制柜和旁路柜四部分組成，設(shè)有單獨(dú)的強(qiáng)制密閉冷卻裝置。功率單元柜有18個(gè)功率單元，每6個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，其電路為基本的交-直-交單相逆變電源。變頻裝置的旁路柜分為A凝結(jié)水泵旁路柜和B凝結(jié)水泵旁路柜，每個(gè)旁路柜內(nèi)裝有變頻器輸入、輸出、旁路三把刀閘，“變頻”、“工頻”兩個(gè)指示燈及帶電顯示器一個(gè)。刀閘之間、刀閘與高壓開關(guān)之間裝設(shè)有機(jī)械或電氣閉鎖。通過刀閘之間的相互切換，可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)凝結(jié)水泵在變頻、工頻運(yùn)行方式間的轉(zhuǎn)換，并可通過“變頻”、“工頻”指示燈進(jìn)行顯示，高壓開關(guān)的合閘與否可通過帶電顯示器進(jìn)行指示。

為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行防止誤操作，變頻器各開關(guān)刀閘間設(shè)有完善的閉鎖，QS1刀閘受QF1開關(guān)及QS4刀閘的電氣閉鎖，QS4刀閘受QF2開關(guān)及QS1刀閘的電氣閉鎖； QS2刀閘受QF1開關(guān)及QS5刀閘的電氣閉鎖，QS5刀閘受QF2開關(guān)及QS2刀閘的電氣閉鎖；QS3、QS6刀閘分別QF1、QF2開關(guān)的電氣閉鎖，同開關(guān)所屬Q(mào)S2、QS3刀閘之間以及QS5、QS6刀閘之間相互機(jī)械閉鎖。

圖2 變頻器一拖二改造原理圖

凝泵6kV開關(guān)QF1的合閘受本開關(guān)所屬Q(mào)S1、QS3刀閘的電氣閉鎖，開關(guān)QF2的合閘受本開關(guān)所屬Q(mào)S4、QS6刀閘的電氣閉鎖，變頻裝置控制柜門上“緊急停機(jī)”按鈕跳凝泵6kV開關(guān)受本開關(guān)所屬Q(mào)S3或QS6刀閘的閉鎖。

3.2.2 節(jié)能效果

通過對(duì)照，凝結(jié)水泵進(jìn)行變頻改造后工作穩(wěn)定，節(jié)電效果明顯（如表2），尤其在機(jī)組調(diào)峰低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)節(jié)能顯著，在55%左右負(fù)荷時(shí)，變頻改造后節(jié)電效果達(dá)到了60%以上，變頻改造同時(shí)解決了低負(fù)荷凝泵泵體因節(jié)流振動(dòng)大的問題，減少再循環(huán)門磨損沖刷，提高了輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行可靠性。

表2 變頻改造前后不同負(fù)荷率凝結(jié)水泵耗電率對(duì)比

4 結(jié)論

高壓變頻器用于火電廠大功率輔機(jī)節(jié)能改造后，能有效降低設(shè)備系統(tǒng)用電率，特別是發(fā)電機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行情況下，部分輔機(jī)改造后節(jié)電效果達(dá)到了60%以上，節(jié)能效果顯著。采用變頻改造還能延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)、水泵與風(fēng)機(jī)的使用壽命，減少系統(tǒng)閥門、擋板的磨損，提高機(jī)組控制自動(dòng)化水平，為火電廠帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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