高压变频器在火力发电厂凝结水泵中的应用分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南阳鸭河口发电有限责任公司 作者:王建收

  介绍了高压变频的发展历史、原理,分析了南阳鸭河口电厂2×350MW发电机组凝结水泵变频改造的基本情况和控制方面存在的问题,提出了解决方案,分析了改造后的节能效应。

一、高压变频的发展

  20世纪80-90年代初,高压电机的调速主要采用三种方式。

  1.液力耦合器方式

  即在电机和负载之间串入一个液力耦合装置,通过液面的高低调节电机和负载之间耦合力的大小,实现负载的速度调节。

  2.串级调速

  将异步电机转子绕组的一部分能量通过整流、逆变再送回到电网,调节转子的内阻,从而改变了电动机的滑差。

  3.高低方式

  利用一台变压器,先把电网电压降低,输入到低压变频器实现变频,输出到低压电机或者输出到升压变压器,升压后再供给高压电机。

  上述三种调速方式中,都具有明显的缺点,液力耦合器和串级调速的调速精度都比较差,调速范围较小,维护工作量大。高低方式变频能够达到比较好的调速效果,但是效率低,谐波大,对电机的要求比较严格,特别是电机功率较大时(500kW以上),可靠性较低。

  目前,随着大功率整流、逆变元器件的发展,以及微机控制、可控硅导通光纤触发等技术的进步,原来一直难以解决的高压问题,现在通过元件串联或单元串联得到了很好的解决。高压变频技术逐步成熟,在火力发电厂应用越来越多,主要采用直接高压输出电压型变频装置,具有输入、输出谐波小,效率高,运行可靠和维护方便的特点。南阳鸭河口发电有限责任公司2011年#1、2机B凝泵变频器、#3、4机A凝泵变频改造均采用此类型的变频器。

二、高压电压型变频器的组成、工作原理

  1.高压变频器的组成及作用

  高压变频器主要由旁路柜、变压器柜、功率柜及控制柜组成。旁路柜安装有刀闸和高压真空接触器及附件,6kV电缆的进出接线,工频、频运行方式的切换,均通过旁路柜来实现。变压器柜装有一台干式移相整流变压器,为各个功率单元提供交流输入电压。功率柜装有多个功率单元,向高压电机提供变频后的输出电源。控制柜处理采集到的数据,实现保护、控制的功能,提供至DCS的输入、输出接口,如图1所示。

高压变频工作流程示意图

图1 高压变频工作流程示意图

  2.高压变频器的工作原理

  高电压型变频器工作流程为:6kV三相电压输入移相变压器,移相变压器具有多个独立的二次绕组,二次绕组连接各功率单元,每个功率单元整流、逆变后,将每相多个功率单元的输出电压串联叠加直接形成高压输出(对于6kV电压等级,每相由6~8个功率单元串联叠加而成,如图2所示)到电机。

高压形成原理图

图2 高压形成原理图

  功率单元为高压变频器的核心部件,功率单元内各器件的工作状态及相应的参数都有监控和保护。通过控制每个功率单元的逆变桥IGBT,改变输出PWM波形,改变频率,逆变控制指令和所有的监控参数通过光纤送至控制器。

  3.控制策略

  现在高压变频调速系统采用输出压频比的控制方式,根据异步电动机的数学模型,只要保证电动机的反电动势和定子频率比值恒定,就可使电机运行在额定磁通,达到效率最优点。

三、高压变频在凝结水泵中的应用

  1.现状介绍

  (1)鸭河口电厂一期安装两台350MW机组,每台机组的凝结水系统(图3)包含二台凝结水泵,机组正常运行时一台运行,一台备用。系统在凝结水出口管路有三个调节阀(低负荷凝结水调阀、高负荷凝结水调阀、凝结水再循环调阀)。凝汽器水位控制原设计由这三个调门共同实现。由于水位采用阀门节流调节、凝泵定速工频运行,凝泵电机能耗与系统需求并非动态的最佳匹配,造成较大的能耗损失。

凝结水系统

图3 凝结水系统

  为达到节能降耗目的,本次改造在B凝结水泵电气回路增加一台变频装置,采用一拖一控制,实现B泵的变频控制;A泵仍为工频方式,作为B泵备用。

  (2)电机情况。

  凝结水泵电机型号:NIC-710-K/A-4 电机容量:1315kW电机额定电压:6kV;电机额定电流:145A;转速:1497rpm;功率因数:0.92;频率:50Hz;温升:76.14℃;绝缘等级:F。

  (3)采用高电压型变频器,容量为1650kVA,能满足电机的容量。由旁路柜、变压器柜、功率控制柜等组成。

  2.控制方面应考虑的问题

  由于采用变频控制后,凝泵的转速降低,泵出口水压下降,由此带来以下问题,必须予以考虑。

  (1)凝泵自身的保护要求:凝泵的共振频率、变频转速要避开泵的共振区,以免凝泵振动大。低转速下,泵的润滑条件能否满足。对策:可通过泵的变频试验确定其最低安全工作转速,设变频器频率下限。

  (2)低旁减温水压力要求:现低旁减温水压力保护设计为“低于2.1MPa跳闸值15秒后低旁跳闸”。因此,需要低旁投入时,必须保证凝泵变频运行时出口压力不能低于2.1MPa。对策:低旁运行时使凝泵切变频高速运行,同时高负荷凝结水调阀快关,保证低旁投入时减温水的压力要求。

  (3)凝泵出口压头要求:为保证凝泵出口压头足够,必须保证凝泵变频运行时出口压力不能低于一定值。对策:出口压力低时(P<[除氧器压力+0.7 MPa])闭锁凝泵转速下降。

  (4)凝汽器热井水位控制稳定要求:热井水位低于低二值时,凝泵将跳闸。因此,必须保证热井水位在变频以及变工频切换等情况下的水位控制稳定。对策:设计水位的凝泵变频自动控制逻辑,保留原出口调门水位控制逻辑。作为凝泵变频自动控制水位时,出口阀水位自动作为水位偏差大时的后备自动;在变频向工频切换时加入出口调节门的超驰控制逻辑,关10秒后恢复阀门正常水位自动,保证水位一直得到有效的自动控制;当热井水位低1值时,闭锁出口调阀开行程。

  (5)变频器设备及电机的保护要求:当电机故障或变频器重故障时,必须能够及时跳开变频器设备及运行电机,切换备用泵运行。对策:完善联锁保护设计,当运行B凝泵停运或者变频故障时,联锁切换到备用泵。

  3.控制方案设计

  为达到改造目的,控制设计首先要保证系统的安全稳定运行,在此基础上,尽可能降低凝泵运行转速,以期获得最大的节能效果。控制方案如下:

  (1)机组启动过程,投入B泵变频运行。机组启动时,B凝泵6kV开关闭合,投入变频运行,为保证低旁压力使变频高速运行,使出口压力>2.5MPa。此时,投入出口调门自动,仍由凝泵出口调门(低负荷凝结水调门、高负荷凝结水调门、凝结水再循环调门)控制热井水位。

  (2)机组正常运行时:投入B泵变频自动调节。机组正常运行、低旁退出后,投入B凝泵变频自动控制回路,此时由变频泵的转速控制凝汽器热井水位。此时,出口调门自动切到大死区控制,作为后备调节手段。为保证变频运行以及低旁随时可投入,此时将退出低旁减温水压力保护。

  (3)低旁紧急投入时:B泵切变频高速运行。如果凝泵正常变频运行时,低旁突然动作,此时为保证低旁减温水压力和热井水位稳定,应紧急将变频泵切高速运行,此时,变频自动退出,出口调门紧急快关至对应开度10秒,再投入出口调门水位自动控制,维持水位稳定。同时,在低旁投入之后,投入低旁减温水保护,如果低旁减温水压力15秒得不到及时供应,低旁仍跳闸。

  (4)B泵变频故障时:切A泵工频运行。当变频泵变频重故障时,退出变频器运行(切至旁路),B凝泵6kV开关断开,紧急启动备用泵(A泵)运行。此时,变频自动退出,出口调门紧急快关至对应开度(可为40%固定值、或负荷对应函数)后,再投入出口调门水位自动控制,以保证此时A泵工频运行时泵出口凝结水流量过大而造成的热井水位快速下降。

  (5)定期工作切A泵时:先投A泵,再退B泵变频。正常定期工作切A泵运行时,将B泵退出变频自动,投入出口调门正常自动,缓慢将变频增至最大,此时投入A泵(工频)运行,然后退出B泵变频运行。

  (6)A泵正常运行时,切B泵变频。A泵正常运行时,如果要投B泵变频控制,则将B泵切至变频位置,启动B泵变频运行后,停A泵运行,此时注意热井水位,待系统稳定后,退出出口阀水位正常自动,投入变频水位自动控制。

  (7)A泵跳闸时:B泵工频旁路联启。A泵运行时,B泵变频系统应置旁路备用状态。如果A泵跳闸,B泵将工频旁路联启运行。

  4.逻辑修改

  (1)新增变频器逻辑。新增变频器调速手操站和凝汽器热井水位变频调节PID单冲量控制;手操站输出的上下限分别为50Hz和20Hz;变频器“变频运行”消失时,变频调速切手动;当凝给水母管压力小于除氧器压力+0.7MPa时,变频自动回路闭锁减指令;单回路控制PID,其指令输出上下限要和手操器的保持一致,暂定为50Hz和20Hz;变频指令与反馈偏差大于5%时,变频自动切手动,并发出报警;当变频出现重故障报警时,变频自动切手动,并发出报警。

  (2)除氧器上水门控制逻辑修改。当变频器调速在手动时,凝泵出口阀原自动方式不变。当变频器调速在自动时,凝泵出口阀控制方式为:调节经死区函数±30mm处理过的水位偏差,正常时保持100%位置。当水位偏差超过30mm过高时,上水门参与调节,自动关闭。当水位恢复到±30mm偏差内延时120秒后且凝给水母管压力大于除氧器压力+0.7MPa,则上水门以10%/min的速率缓慢打开到100%正常位置。当变频调速在手动时,上水门控制自动切换为原有的控制方式。备用泵工频方式联启后,除氧器上水门不论在自动方式还是在手动方式,立即根据当时机组的负荷超驰关闭至一定开度(0MW~20%;350MW~67%),10秒后放开继续自动或手动调整。增加热井水位低一值时,自动闭锁出口阀指令增大。

  (3)低旁修改逻辑:保留低旁压力低保护。低旁退出时,“低旁减温水压力低于2.1MPa联关低旁”保护退出;低旁投入时,“低旁减温水压力低于2.1MPa联关低旁”保护投入。

四、应用效果分析

  凝泵变频器投入运行后,电机和水泵的振动值满足要求,运行稳定,每年能节约不少电量,符合国家节能减排政策。节电效果分析如表1所示。

  按照机组一年运行330天,30%时间运行在350MW,40%时间运行在250MW,30%时间运行在200MW,一年节电如下:

表1 节电效果分析

节电效果分析

  200kW×7920×30%+292kW×7920×40%+321kW×7920×30%=2162952kWh

  一年节约电费:2162952×0.41=88.68万元。

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