超超临界1 000 MW机组凝结水泵及高压变频器的计算与选型

金利勤，曹华芬，王家军，王剑平

（1.浙江浙能嘉华发电有限公司，浙江 嘉兴 314201；2.浙江省科学技术厅，杭州 310006；3.杭州电子科技大学自动化研究所，杭州 310018）

随着电网的扩大、机组装机容量的增加以及负荷峰谷差的拉大，大型发电机组也要参加调峰运行，而为满负荷设计的大型辅机工况调节方法不适合调峰运行方式，导致辅机和驱动的电动机都工作在低效率区域，造成大量的能源浪费，而且随着启停次数的增多对辅机、电动机及电网的冲击也更频繁[1-2]。

在火力发电厂中，各类泵和风机的用电量占火力发电厂自用电量的85%左右。以浙江某发电厂为例，2台1 000 MW机组的大容量电动机基本配置为：引风机2×7 200 kW，送风机2×2 600 kW，一次风机2×4 100 kW，增压风机2×3 150 kW，凝结水泵2×2 550 kW，循环水泵2×2 800 kW，磨煤机2×1 050 kW。2台机组的各种电动机的装机容量为7.6万kW，占到总发电量的3.8%，年耗电量为4.8亿kWh。

配置高压变频器作为发电厂节能的首选，在当前节能减排的大形式下已经显得非常必要，特别是超超临界1 000 MW机组成为发电企业的主流机组时，高压变频器的应用更加不可缺少。

以下就浙江某发电厂超超临界1 000 MW机组，给出了凝结水泵及电动机高压变频器的计算与选型。

1 凝结水泵及其驱动电动机的选型

凝结水泵是火力发电厂主要动力设备之一，凝结水泵的选型是否合理，不仅直接影响机组整体运行的经济性，而且对机组整体安全性也有重大影响。DL 5000-2000《火力发电厂设计技术规程》[3]规定：凝结水泵容量为最大凝结水量再加10%的裕量；最大凝结水量为汽轮机最大进汽工况时的凝汽量、进入凝汽器的经常疏水量与进入凝汽器的正常补给水量的总和。

根据超超临界1 000 MW机组的汽轮机设计规范和基本热力参数，凝结水泵采用一运一备的方式，凝结水泵的型号为TDM-VB5，为立式多级筒袋形泵，级数为5级，最大流量为2 382 m3/h，额定流量为1 850 m3/h，最大扬程为330 m，转速为992 r/min，泵的效率为84%。凝结水泵系统布置如图1所示。

图1 凝结水泵系统布置图

凝结水泵的功率PB为：

式中：ρ为水的密度（常温为998.2 kg/m3）；g为重力加速度；H为最大扬程；Q为额定流量；η1为泵的效率。

由式（1）可以计算出凝结水泵的额定功率为1 975 kW。

凝结水泵驱动电动机的额定功率PM为：

式中：常数1.1是留出的一定裕量。

由式（2）可以计算出凝结水泵电动机的功率为2 173 kW。

凝结水泵驱动电动机的额定输入功率PM为：

式中：η2为电动机的效率。

如果电动机的效率按照97%计算，则由式（3）可以计算出电动机的额定输入功率为2 240 kW。

根据以上的计算，选择上海电机厂制造的电动机，型号为YBPLKS800-6，额定电压为6 kV，额定电流为245 A，额定转速为992 r/min，额定输出功率为2 175 kW，额定输入功率为2 550 kW。

2 高压变频器及其相关设备的选型

2.1 高压变频器

高压变频器是指输入电源电压在3 kV以上的大功率变频器，主要电压等级有3 000 V，3 300 V，6 000 V，6 600 V，10 000 V等。

高压变频器由多个变频器模块串联，输入和输出均为高压，主要用于大功率高压电机的变频调节，基本原理框图如图2所示。

图2 高压变频器原理框图

高压变频器的主要优点有：

（1）多电平PWM控制，实现了输出电压的阶梯近似正弦波和电流正弦波，降低了电机的转矩脉动。同时降低了电机噪音，延长了电机使用寿命。

（2）功率单元的多单元串联拓扑结构能够满足不同级别的高压电机对于电源的要求，提高电源逆变的质量。

（3）实现了高压大功率电机的高效变频运行，减少了凝泵的截流环节，降低了设备成本，同时对于企业的节能降耗具有重要的意义。

2.2 高压变频器选型应注意的问题

为了提高高压变频器的性价比，并且实现高压变频器的稳定运行，高压变频器在选择的过程中必须注意如下3个问题：

（1）应避免使用过高电压等级的高压变频器。选择过高的电压等级会使投资过高，回收期延长。电压等级提高后，电机的绝缘也必须提高，使电机价格增加，也使变频器中电力半导体器件的串联数量加大，增加了成本。

（2）为了减小谐波，变频器输入侧都有输入变压器。既然输入侧有变压器，变频器和电机的电压就没有必要和电网一样，非用10 kV和6 kV不可，功率2 500 kW以下的电机电压可以不超过3 kV。

（3）为减少高压变频器对电网谐波污染，从实用角度分析，整流桥组成12相整流可消除5和7次谐波，已基本满足电网谐波要求。400～800 kW的变频器采用12相整流即可，而1 000～3 000 kW的变频器采用18相即可符合要求。

2.3 高压变频器的选型

发电厂高压变频器的选型通常要注意负载类型、额定容量、额定电压、额定电流和负荷情况等问题。

（1）高压变频器容量的选择：超超临界1 000 MW凝结水泵要求有很高的可靠性，因此高压变频器相对于电动机要求具有更大的容量裕量，选择：

式中：PInv是指高压变频器的额定功率；V为供电电压；I为电流。

由式（4）可以计算出变频器的功率范围应该为 3 570～3 825 kW。

（2）高压变频器的额定电压通常为6 kV或10 kV，为了保证厂用电电压的统一性，凝结水泵高压变频器额定电压选择为6 kV。

（3）高压变频器的输出电流必须能够满足凝结水泵电机电流的要求，同时要能够保证电动机一定的过负荷运行时限。高压变频器的电流选择：

其中：IInv是变频器的额定电流；IM是凝结水泵电动机的额定电流。

由式（6）可以计算出高压变频器的额定电流范围为 367.5～404.25 A。

（4）根据运行经验，凝结水泵长期运行于额定负荷的时间不到全年的5%，即凝结水泵电动机长期运行于连续低负荷状态，绝大部分时间运行于65%～85%额定负荷。考虑到凝结水泵电机电流的设计选择裕量，高压变频器额定电流可以适当下降5%：

由式（7）可以计算出凝结水泵高压变频器的电流范围为349～384 A。

2.4 高压变频器的选型

当前高压变频器比较知名的国际品牌有ABB、西门子、三菱、东芝、艾默生和罗宾康等，国内知名品牌有北京利德华福、广州智光、荣信、东方日立和沈阳斯威尔等。在控制单元的设计方面国内高压变频器的性能已经接近国际高端水平，然而在功率器件的设计方面还与国外品牌存在较大的差距。

为了保证与发电厂内其他机组的兼容性，同时也兼顾超超临界机组凝结水泵系统控制的性价比，决定选择东芝品牌的高压变频器，东芝高压变频器在发电厂的使用情况如表1所示。

表1 发电厂使用东芝高压变频器的情况

根据凝结水泵要求，按照前面的选择和计算原则，同时结合东芝高压变频器系列的特性，凝结水泵高压变频器基本数据的选择如表2所示。高压变频器器与凝结水泵电机的A与B侧的接线简图如图3所示。

2.5 辅助电气设备的选择

凝结水泵电动机的变频运行除了需要安装高压变频器，同时也需要相关的辅助电气设备，其中旁路柜和进线变压器的合理选择对于凝结水泵电动机的正常运行也具有重要意义。旁路柜的作用主要是防止在高压变频器故障时能够实现凝结水泵的工频旁路运行，以保证发电机组的正常运行，旁路柜参数如表3所示，高压变频器的进线变压器选择与高压变频器相配套的设备。

表2 高压变频器基本数据

图3 高压变频器接线图

表3 旁路柜的数据

3 高压变频器的节能效果分析

计算条件：电动机的效率为97%，高压变频器的效率为98.5%，额定流量时电机的轴功率为2 175 kW，年运行时间为8 000 h，100%流量的时间为总运行时间20%，70%流量的时间为50%，50%流量的时间为30%，以下P100，P70，P50分别代表流量为100%，75%和50%时的功率。

（1）阀门调节时的电量：

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

年耗电量：

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

（2）变频时的电量：

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年耗电量：

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

（3）年节电率：（14 643 876.8-7 471 600）/14 643 876.8＝49%

4 结论

针对浙江某发电厂两台超超临界1 000 MW机组凝结水泵高压变频器及其相关电气设备的选型，给出了初步的设计方案，高压变频器合理选型对于发电厂降低厂用电率，提高发电的效率具有重要的意义，同时也符合国家节能降耗的发展趋势。

[1]俞振华.GW级机组凝结水泵变频运行性能分析[J].中国电力，2010，43（7）∶53-56.

[2]赵利.风机和泵类负载调速变频器的选择[J].电机与控制应用，2007,34（8）∶39-41.

[3]DL 5000-2000火力发电厂设计技术规程[S]．北京：中国电力出版社，2001.