大功率高壓變頻器在396MW機(jī)組給水泵系統(tǒng)的應(yīng)用

胡常春

（華電福新能源股份有限公司華安水力發(fā)電廠，福建漳州363800）

大功率高壓變頻器在396MW機(jī)組給水泵系統(tǒng)的應(yīng)用

胡常春

（華電福新能源股份有限公司華安水力發(fā)電廠，福建漳州363800）

針對鍋爐給水泵變頻改造對降低廠用電率的舉足輕重的作用，介紹了6000kVA大功率高壓變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，以及在396MW機(jī)組給水泵系統(tǒng)上的應(yīng)用，并統(tǒng)計(jì)分析了給水泵系統(tǒng)變頻改造后所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐表明：該廠這項(xiàng)措施可使廠用率下降0.23%，而且使機(jī)組運(yùn)行安全、穩(wěn)定，改造取得很大效果。

鍋爐給水泵；變頻改造；節(jié)能

0 引言

大力推進(jìn)燃煤電廠節(jié)能減排工作是國家當(dāng)前的重點(diǎn)政策之一。鍋爐給水泵是火電廠最重要的輔機(jī)之一，也是耗能最大的輔機(jī)[1]，其節(jié)電程度對降低廠用電率起著舉足輕重的作用，對其進(jìn)行節(jié)能改造適合國家當(dāng)前產(chǎn)業(yè)形勢需要。為了充分挖掘和利用機(jī)組的熱能資源，有效降低機(jī)組廠用電率，提升全廠經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)和節(jié)能效益，筆者介紹了一臺396MW機(jī)組鍋爐給水泵實(shí)施變頻改造的經(jīng)驗(yàn)。

1 給水系統(tǒng)改造前的狀況

1.1 給水系統(tǒng)的運(yùn)行方式

該電廠給水系統(tǒng)設(shè)備主要包括：三臺容量為50%的電動凝結(jié)水泵，二臺各約70%容量的電動定速給水泵（無液力耦合器，也無備用泵）。給水泵電機(jī)的額定功率為5740kW。給水量利用調(diào)節(jié)閥門開度進(jìn)行節(jié)流控制或輔以再循環(huán)閥門的開閉來控制汽包水位；給水系統(tǒng)設(shè)有大小兩個調(diào)節(jié)閥，根據(jù)負(fù)荷工況，可手動或自動實(shí)現(xiàn)大小閥的切換。

在機(jī)組滿負(fù)荷時，兩臺給水泵運(yùn)行，主給水調(diào)節(jié)門開度在26%左右，給水再循環(huán)門關(guān)閉。機(jī)組低負(fù)荷時，利用關(guān)小主給水調(diào)節(jié)門來控制汽包水位，同時通過再循環(huán)門控制給水泵最小流量來防止給水泵汽蝕。

1.2 改造前存在的問題

改造前給水系統(tǒng)存在以下問題：

（1）由于采用給水泵定速運(yùn)行，閥門調(diào)整節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費(fèi)。

（2）當(dāng)流量降低、閥門開度減小時，調(diào)整閥前后壓差增加，閥門工作特性變壞，壓力損失嚴(yán)重，造成能耗增加，閥門易磨損。

（3）長期30%左右的低閥門開度，加速閥體自身磨損，導(dǎo)致閥門控制特性變差。

（4）管網(wǎng)壓力過高，威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能，嚴(yán)重時導(dǎo)致閥門泄漏、不能關(guān)嚴(yán)等情況發(fā)生，影響機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2 給水泵變頻改造實(shí)施

2.1 高壓變頻器容量參數(shù)選擇

現(xiàn)場測試得知：在給水泵單泵運(yùn)行工況下（機(jī)組負(fù)荷299.67MW），給水泵出口調(diào)節(jié)門開度最大時，給水泵電機(jī)的最大電流值為555A；如果雙泵投入運(yùn)行，在最大負(fù)荷內(nèi)，電機(jī)的最大電流值不大于480A。考慮實(shí)際運(yùn)行工況后變頻器選擇DHVECTOL-HI06000/06 6kV/577A型高壓大功率變頻器，變頻器額定電流為577A，額定容量為6000kVA。

2.2 變頻器裝置結(jié)構(gòu)及電路原理

變頻器采用單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，由旁通柜、變壓器柜、功率單元柜和控制柜組成如圖1所示。

該高壓大功率變頻器采用直接高壓變換形式，由多個功率單元構(gòu)成單元串聯(lián)多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個功率單元輸出交流低壓，多個功率單元疊加后輸出為所需的交流高壓。以6kV每相8個功率單元串聯(lián)為例，疊加后所構(gòu)成的主回路拓?fù)淙鐖D2所示。

每個功率單元輸入三相交流電壓，經(jīng)整流、逆變后輸出單相交流電壓，其電壓有效值Ve≈434V。由于每相由8個相同的功率單元串聯(lián)而成，所以相電壓為3464V。三相的一端經(jīng)過短接形成中性點(diǎn)，三相的另外三個端口線電壓為6000V，可以直接驅(qū)動交流電動機(jī)，所以該級聯(lián)式主回路拓?fù)溆殖３７Q為“單元串聯(lián)多電平”直接高壓變頻器結(jié)構(gòu)[2]。

2.3 給水泵變頻器系統(tǒng)運(yùn)行方式

該機(jī)組設(shè)兩臺給水泵，分別采用兩臺變頻器對給水泵電機(jī)進(jìn)行一拖一獨(dú)立驅(qū)動、變壓器強(qiáng)制通風(fēng)冷卻、變頻器功率單元密閉循環(huán)冷卻、變頻裝置可以整體旁路的改造方案，單臺給水泵電機(jī)變頻調(diào)速裝置電氣系統(tǒng)如圖3所示。

改造后將給水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)納入電廠DCS控制系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組負(fù)荷情況，按設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)對變頻調(diào)速系統(tǒng)頻率、機(jī)組給水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動控制。當(dāng)變頻器檢修或異常時，可以將變頻器切至旁路，使用原有控制方式工頻運(yùn)行。

鍋爐水位調(diào)節(jié)過程如下：

鍋爐點(diǎn)火啟動期間，給水泵單變頻運(yùn)行，頻率保持40Hz左右（閥門和變頻可以都投自動，頻率輸出跟蹤到這個值），這期間由小閥調(diào)節(jié)水位。當(dāng)小閥開度到60%時（負(fù)荷在150MW左右，負(fù)荷值與變頻器的輸出頻率有關(guān)，蒸汽流量大于26%，切換為三參數(shù)調(diào)節(jié)），小閥切為跟蹤，自動緩慢打開，變頻參與水位調(diào)節(jié)。小閥全開后大閥自動全開，或者兩閥同時開啟。機(jī)組停機(jī)時，需要反向切換，設(shè)置為變頻輸出降到最低（35Hz）時觸發(fā)，變頻輸出緩慢增加到40Hz或45Hz，大閥緩慢關(guān)閉，小閥自動調(diào)節(jié)水位。

2.4 給水泵電氣保護(hù)配置

電氣保護(hù)裝置有：

（1）給水泵原配置有SR469馬達(dá)綜合保護(hù)及O/C過流保護(hù)，安裝于機(jī)組6kV開關(guān)室內(nèi)，保護(hù)動作于QF1進(jìn)線開關(guān)。本次變頻改造時，按照保護(hù)變頻變壓器高壓側(cè)重新整定，確保SR469馬達(dá)綜合保護(hù)及O/C保護(hù)在變頻運(yùn)行狀態(tài)下不會引發(fā)誤動，SR469馬達(dá)綜合保護(hù)及O/C保護(hù)不進(jìn)行保護(hù)切換，即在任何工況下O/C保護(hù)均投入。

（2）高壓變頻器自帶保護(hù)，用于對變頻器內(nèi)變壓器二次側(cè)至電機(jī)的有限保護(hù)，在變頻器內(nèi)部保護(hù)判為重故障時，可實(shí)現(xiàn)變頻切工頻，或者將信號發(fā)至DCS綜合判別處理，再經(jīng)工頻旁路狀態(tài)下的SR469保護(hù)最終實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的完整保護(hù)。

表1 變頻電泵運(yùn)行電量節(jié)約情況統(tǒng)計(jì)

（3）雖然給水泵6kV開關(guān)原裝SR469保護(hù)裝置自帶有差動保護(hù)，但僅適用于常規(guī)工頻條件，不能用于任何非工頻環(huán)境。本次變頻改造時，在高壓變頻器出口加裝GPCT寬頻電子式電流互感器（變比：800A/5A），用于RCS-9627CN變頻電動機(jī)保護(hù)裝置頻率判別，在給水泵電機(jī)出口加裝GPCT寬頻電子式電流互感器（變比：300A/5A），用于測量電動機(jī)差動電流，保護(hù)原理如圖4所示。

3 變頻改造后效果

3.1 電量節(jié)約

在每臺機(jī)組給水泵變頻改造結(jié)束投入運(yùn)行后，連續(xù)三個月對變頻電泵運(yùn)行電量節(jié)能情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見表1）。由表1可知：變頻泵在目前的運(yùn)行方式（即變頻調(diào)壓力、調(diào)節(jié)門控制水位方式）下，單機(jī)每月平均節(jié)約廠用電量9.20×105kW·h，廠用電率平均下降0.23%。按照全年10個月運(yùn)行時間計(jì)算，全年節(jié)約電量9.20× 106kW·h。按照全年發(fā)電煤耗306.76g/（kW·h）計(jì)算，折合節(jié)約標(biāo)煤量2822.192t。

3.2 熱量節(jié)約

工頻泵的額定負(fù)荷為70%，運(yùn)行工況為：

（1）在機(jī)組負(fù)荷220MW時，備用泵最小流量開啟，對備用泵進(jìn)行小流量暖泵，流量為25-30kg/s；

（2）機(jī)組負(fù)荷270MW，但工頻泵出力最大，備用泵仍在暖泵，備用最小流量閥開啟，流量為25-30kg/s；

（3）機(jī)組負(fù)荷在270-330MW之間，兩臺泵運(yùn)行，由于對最小流量閥的開啟條件進(jìn)行邏輯修改，目前兩臺工頻泵在290MW以上，最小流量再循環(huán)全部關(guān)閉；

（4）機(jī)組負(fù)荷在270-280MW階段，一臺工頻泵的最小流量會開啟，但此工況運(yùn)行時間較短，時間無法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，本次評估對該工況節(jié)能計(jì)算忽略。按照機(jī)組各負(fù)荷段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)熱量損失見表2。

節(jié)約熱量及節(jié)煤量計(jì)算公式如下：

（1）節(jié)約的熱量Q1，kJ

式中Qrc—給水再循環(huán)焓損，kJ/kg；

Δt—負(fù)荷段時間，h；

Q11—對備用泵的暖泵用汽量，取25kg/s；3600—系數(shù)，s。

（2）節(jié)約標(biāo)煤量Bj，kg

式中QDW—標(biāo)煤的熱值，取4.18×7000kJ/kg。

（3）節(jié)約入爐煤量Bij，kg

式中η—為鍋爐效率，取η=0.93。

變頻給水泵投入運(yùn)行后，按照2015年單臺機(jī)組運(yùn)行時間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，節(jié)約熱量及節(jié)約標(biāo)煤量見表3。

結(jié)合上述數(shù)據(jù)可知：單臺機(jī)組給水泵變頻改造后年節(jié)約廠用電9.20×106kW·h，折合為2822.192t標(biāo)煤；備用泵暖泵減少給水再循環(huán)焓損失，折合6883.92t標(biāo)煤，這樣節(jié)電和節(jié)熱兩項(xiàng)合計(jì)節(jié)約標(biāo)煤量9706.112t。

表2 機(jī)組各負(fù)荷段熱量損失統(tǒng)計(jì)

表3 變頻給泵投運(yùn)后節(jié)約熱量及節(jié)約標(biāo)煤量

4 結(jié)語

近年來，在火電機(jī)組中將變頻器應(yīng)用于凝結(jié)水泵、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等輔機(jī)設(shè)備的調(diào)速已很常見，幾乎已經(jīng)成為新建機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，但這些成功范例所使用變頻器的輸出功率一般均在小于3000kW的范疇內(nèi)。本項(xiàng)改造將5740kW變頻器應(yīng)用于給水泵調(diào)速系統(tǒng)在國內(nèi)尚屬首次。通過分析不難發(fā)現(xiàn)：從控制系統(tǒng)的安全性和可靠性、機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性、節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)性幾個方面的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均令人滿意，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到了預(yù)期的改造效果。

[1]王玉召，寧憲龍，周毅.電站鍋爐給水泵節(jié)能改造[J].節(jié)能，2002，21（07）：24-26.

[2]倚鵬.高壓大功率變頻器技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

Application of HV Frequency Converter in the Feed Water Pump System of 396MW Unit

HU Chang-chun

（Hua'an Hydraulic Power Plant，Zhangzhou 363800，China）

For boiler feed water pump inverter to reduce the rate of auxiliary power important role,this paper introduces the 6000 kVA power system structure and working principle of high voltage frequency converter,and the application of feed water pump system of 396 MW unit,and statistical analysis of the feed water pump system frequency after transforming the economic benefits.Practice shows that the plant the measure can make the factory power usage effectiveness fell by 0.23%,also makes the unit running security,stability,and achieved great effect.

boiler feed water pump；frequency converting reform；energy saving

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.04.007

TM621

B

2095-3429（2016）04-0031-04

2016-06-13

修回日期：2016-08-01

胡常春（1976-），男，福建漳州人，本科，工程師，研究方向：電氣設(shè)備試驗(yàn)及應(yīng)用管理。