百萬機(jī)組凝結(jié)水泵變頻器配置方案

李毅（福建省電力勘測設(shè)計(jì)院，福州350003）

百萬機(jī)組凝結(jié)水泵變頻器配置方案

李毅（福建省電力勘測設(shè)計(jì)院，福州350003）

長久以來，火電廠內(nèi)凝泵等輔機(jī)采用調(diào)節(jié)門方式控制流量，存在著巨大地電能損失，電廠為此每年需支付昂貴的成本。高壓變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)為降低此類輔機(jī)的能耗提供了極好的解決方案，此項(xiàng)技術(shù)能夠通過改變電機(jī)的輸入電源頻率達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以及運(yùn)行功率的目的，使電機(jī)的功率隨著出力的降低而降低，因此有效的減少了電能損失。

變頻；百萬機(jī)組

1 前言

凝結(jié)水泵屬于火力發(fā)電廠中的高耗能設(shè)備，其輸出功率不能隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化，只有通過改變擋板或閥門來調(diào)節(jié)壓力和流量，將造成很大能量損耗。所以，針對上述的能源浪費(fèi)現(xiàn)象，在電廠中采用高壓變頻技術(shù)，是電廠節(jié)能降耗、提高競價(jià)上網(wǎng)競爭能力的有效途徑之一。

常規(guī)百萬機(jī)組工程每臺(tái)機(jī)組設(shè)置三臺(tái)50%凝結(jié)水泵，兩運(yùn)一備，本文針對該方案的變頻器配置方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

2 凝結(jié)水泵傳統(tǒng)運(yùn)行方式

常規(guī)凝結(jié)水泵屬于定速運(yùn)行方式，出口流量只能由控制閥門調(diào)節(jié)，節(jié)流損失大，系統(tǒng)效率低，且經(jīng)常發(fā)生泄漏。因此，機(jī)組負(fù)荷降低時(shí)，減少水泵的出力，是降低能量損耗，提高水泵運(yùn)行效率的重要舉措。

3 變頻器調(diào)速節(jié)能原理

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)極對數(shù)P間有如下關(guān)系：

變頻器是通過改變頻率的方式來改變轉(zhuǎn)速的。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率之間近似為線性關(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)速是調(diào)速應(yīng)用的理想技術(shù)。

對于水泵，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，而水泵的功率則與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。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%，也就是節(jié)約電能65.7%。扣除閥門調(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。

4 高壓變頻器技術(shù)簡介

4.1 高-低-高型高壓變頻器

高-低-高型高壓變頻器，由輸入、輸出變壓器和低壓變頻器組成。由于經(jīng)歷兩次電壓變換，增加了電能損耗，影響了節(jié)能效果，并且占地面積大。由于這種技術(shù)難度相對較小，投資相對較低，故適用于功率小于200kW的高壓電動(dòng)機(jī)。

4.2 高-高型高壓變頻器

高-高型直接輸出高壓，變頻器輸出沒有升壓變壓器。由于高-低-高變頻器存在中間環(huán)節(jié)，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、可靠性差等缺點(diǎn)，在工程中應(yīng)用較少。高-高方式?jīng)]有變壓器這個(gè)中間環(huán)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單、效率和可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。

高-高型高壓變頻器按逆變器電路結(jié)構(gòu)型式又分為以下三種：

4.2.1 三電平（中心點(diǎn)鉗位）型

三電平型系統(tǒng)具有制造成本較低，柜體尺寸較小的特點(diǎn)；但輸出諧波較高，不能直接應(yīng)用與普通電機(jī)，輸入側(cè)需加濾波器。

4.2.2GTO/SGCT電流源型逆變器

GTO/SGCT電流源型逆變器系統(tǒng)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，輸出諧波低的特點(diǎn)；但低頻運(yùn)行特性較差，功率因數(shù)低。

4.2.3 功率單元電壓串聯(lián)結(jié)構(gòu)

單元串聯(lián)多電平變頻器具有功率因數(shù)高，輸出諧波最低，消除了諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱及噪音大大減少，可直接應(yīng)用于普通電機(jī)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

5 方案研究

假設(shè)每臺(tái)機(jī)組設(shè)置3臺(tái)50%凝結(jié)水泵，功率1600kW，兩運(yùn)一備，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷大于50%時(shí)，運(yùn)行2臺(tái)水泵；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷低于50%時(shí)，退出1臺(tái)水泵，僅運(yùn)行1臺(tái)水泵。為節(jié)省投資，接線采用一拖二方式。接線有兩種方案，見圖1～2。

5.1 方案一

圖1 一拖二方式示意圖A

兩臺(tái)斷路器斷路器方案，一臺(tái)變頻器到兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的切換通過隔離開關(guān)的投切實(shí)現(xiàn)。

為保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，隔離開關(guān)連鎖如下：

QS2和QS3機(jī)械互鎖，QS5和QS6機(jī)械互鎖。QS1和QS4電氣互鎖；QS2和QS5電氣互鎖。

5.1.1 機(jī)組負(fù)荷大于50%時(shí)

正常運(yùn)行方式：QS3斷開，QF1、QS1、QS2閉合，M1泵變頻運(yùn)行；QF2、QS4、QS5斷開，QS6閉合，M2泵工頻備用；QF3閉合，M3泵工頻運(yùn)行；

M1泵或變頻裝置故障：QF2閉合，M2泵工頻運(yùn)行；斷開QF1、QS1、QS2，M1泵檢修或工頻備用；M3泵工頻運(yùn)行。

5.1.2 機(jī)組負(fù)荷小于50%時(shí)

正常運(yùn)行方式：QS3斷開，QF1、QS1、QS2閉合，M1泵變頻運(yùn)行；QF2、QS4、QS5斷開，QS6閉合，M2泵工頻備用；QF3斷開，M3泵工頻備用；

M1泵故障：QF3閉合，M3泵工頻運(yùn)行；斷開QF1、QS1、QS2，M1泵檢修；QS6斷開，QF2、QS4、QS5閉合，M2泵變頻運(yùn)行，待M2泵轉(zhuǎn)速上升至能接納機(jī)組運(yùn)行全部負(fù)荷后，QF3斷開，M3泵工頻備用；

變頻裝置故障：QF2、QS6閉合，M2泵工頻運(yùn)行；或QF3閉合，M3泵工頻運(yùn)行；斷開QF1、QS1、QS2，M1泵工頻備用。

正常運(yùn)行時(shí)，M1、M2泵應(yīng)做定期切換。當(dāng)M1泵切換為M2泵時(shí)，切換順序?yàn)椋篞S6、QF2閉合，M2泵工頻運(yùn)行；斷開QF1、QS1、QS2，然后再閉合QS3、QF1，M1泵工頻運(yùn)行；斷開QF2、QS6，然后再閉合QS4、QS5、QF2，M2泵變頻運(yùn)行；待M2泵轉(zhuǎn)速上升能接納機(jī)組運(yùn)行全部負(fù)荷后，斷開QF1，M1泵工頻備用。

圖1方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）在檢修變頻器時(shí)，有明顯斷電點(diǎn)，能夠保證人身安全；

（2）相比圖2方案，節(jié)省了斷路器的投資，節(jié)約了占地面積。

5.2 方案二

圖2 一拖二方式示意圖B

該方案具有瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能和飛車啟動(dòng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)工頻變頻自動(dòng)互相切換和手動(dòng)切換。具體步驟：

5.2.1 變頻切工頻，變頻啟動(dòng)備用泵

（1）#1泵變頻運(yùn)行，#2泵工頻備用。

（2）斷#1泵變頻運(yùn)行開關(guān)4QF，合#1泵工頻開關(guān)斷路器1QF，將#1泵由變頻運(yùn)行切換到工頻運(yùn)行。

（3）合#2泵變頻開關(guān)5QF，變頻啟動(dòng)#2備用泵。

（4）#2泵運(yùn)行正常后，斷開#1泵斷路器1QF，停止#1泵。

5.2.2 工頻啟動(dòng)備用泵，變頻切換備用泵

（1）#1泵變頻運(yùn)行，#2泵工頻備用。

（2）合#2泵工頻開關(guān)斷路器2QF，啟動(dòng)#2泵運(yùn)行正常后。

（3）斷開#1泵變頻運(yùn)行開關(guān)4QF，合#1泵工頻開關(guān)斷路器1QF，將#1泵由變頻運(yùn)行切換到工頻運(yùn)行。

（4）斷開#2泵工頻開關(guān)斷路器2QF，合#2泵變頻開關(guān)5QF正常后，將#2泵由工頻運(yùn)行切換到變頻運(yùn)行。

（5）斷#1泵工頻開關(guān)1QF，停止#1泵運(yùn)行。

6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

圖1接線方案具有很高的可靠性。變頻器故障時(shí)，任何一臺(tái)泵都可在工頻狀態(tài)下運(yùn)行，工藝系統(tǒng)可靠性不會(huì)降低；能實(shí)現(xiàn)各泵之間的自由切換，從而保證各泵隨時(shí)都處于良好的狀態(tài)。

投資上，圖1接線也是最節(jié)省的。在可靠性基本相當(dāng)?shù)那闆r下，還可節(jié)省一套變頻裝置，節(jié)約接近一半的費(fèi)用；和圖2的方案相比，節(jié)省了斷路器的投資。

表1 變頻器的理論運(yùn)行模式

凝結(jié)水泵還需要滿足輔機(jī)密封水壓的要求，其揚(yáng)程均不能小于330mh20左右。因此，凝結(jié)水泵采用變頻控制后的轉(zhuǎn)速不能過低，表2～3是凝結(jié)水泵采用傳統(tǒng)機(jī)械控制和變頻控制的大致電機(jī)功率。

表2 凝結(jié)水泵不采用變頻

表3 凝結(jié)水泵1臺(tái)工頻1臺(tái)變頻運(yùn)行

根據(jù)以上三個(gè)表可以分別算出凝結(jié)水泵采用工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行每年需消耗的電能。

凝結(jié)水泵工頻運(yùn)行，全年耗電量：

3200×2700+2856.8×1360+1600×800+1485×200=1410×104（kW·h）

凝結(jié)水泵1臺(tái)工頻1臺(tái)變頻運(yùn)行，全年耗電量：

3200×2700+2440×1360+1600×800+1287.5×200=1349×104（kW·h）

采用變頻調(diào)速控制后，全年節(jié)省電能：

61×104（kW·h）

成本電價(jià)按0.30元/度考慮：

全年節(jié)省成本：61×104×0.3=18.3×104（元）

可見，采用變頻裝置后每臺(tái)機(jī)組每年可節(jié)約用電61萬度，節(jié)省成本近20萬元，效果非常顯著。

7 結(jié)論

長久以來，火電廠內(nèi)凝泵等輔機(jī)采用調(diào)節(jié)門方式控制流量，存在著巨大地電能損失，電廠為此每年需支付昂貴的成本。百萬機(jī)組凝結(jié)水泵采用變頻調(diào)速控制，從技術(shù)上看，采用一拖二接線方式，可靠性高、技術(shù)方案可行，從經(jīng)濟(jì)上看，每臺(tái)機(jī)組每年可節(jié)省接近20萬的成本，節(jié)能降耗的成果顯著，隨著電力電子功率元件工藝水平的提高、單位造價(jià)的下降，變頻器成本將越來越低，采用變頻控制將成為百萬機(jī)組凝結(jié)水泵控制方式的首選。

［1］葉東，電機(jī)學(xué)［M］.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1995：135～361.

［2］黃德華.變頻器在火電廠輔機(jī)的應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)性評價(jià)［J］.華北電力技術(shù)，2006（10）：34～45.

［3］李德林.變頻器在節(jié)能方面的應(yīng)用和節(jié)能原理［J］.電氣開關(guān)，2006（01）：34～35.

TM921.51

A

2095-2066（2016）30-0026-02

2016-10-12

李毅（1982-），男，福建福州人，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)電氣二次設(shè)計(jì)研究工作。