火电厂大功率辅机高压变频改造应用

马绍杰

（华电潍坊发电有限公司,山东 潍坊 261204）

0 引言

根据中电联2013年全国发电统计数据显示，我国发电能源结构中火电比例占到78%以上，作为主要的电力能源生产者，火力发电厂在满足社会用电需求方面起到重要作用。但火力发电厂作为电能主要生产者的同时也是重要的电能消耗大户，厂用电一般占发电量的4%-7%，其中拖动大功率风机、水泵辅机的高压厂用电动机的耗电量占厂用电的75%左右，全国的统计数据表明即使在经济性较好的超临界600MW等级机组行业的平均厂用电率仍达到了4.6%,全国每年都有大量电能消耗在火电厂自身用电中，厂用电率高低直接关系到电厂的经济效益。

研究表明，风机、水泵采用变速调节后可减小系统节流损失，降低驱动电机电能消耗量，取得显著的节能效果。近年来随着电力电子技术的发展，以节能为主要目的变频调速技术逐渐在高压大容量电动机上得到推广应用，为提高设备运行经济性开拓了广阔前景。因此，扩大高压变频器的应用范围，对提高火电厂给水泵、风机、循泵等大功率辅机的运行经济性，降低电厂自身厂用电率具有积极的经济效益和社会效益。

1 变频器调速节能原理

根据异步交流电动机的转速n与电源频率f、转差率s、电机极对数p四个参数之间的对应关系式 n=60f(1-s)/p，改变其中任何一个参数都可以实现转速的改变。在电动机极对数、转差率不变的情况下，电动机转速与供电频率呈线性关系。变频器就是通过改变电源频率f的方式来改变电动机转速的，如果均匀地改变电动机定子供电频率，可以平滑地改变电动机的同步转速。改变频率的调速属于转差率不变、同步转速和电动机理想转速同步变化下的调速。所以，变频调速的调速精度、功率因素和效率都较高，容易实现闭环控制,并且变速调节中系统管路特性不变，不存在附加的调节阻力，调节经济性高，是水泵、风机较为理想的调节方法。

火电厂为了保证生产的可靠性，在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在满足生产需要的同时节约电能。由水泵、风机变速调节比例定律可知，水泵、风机的流量Q与转速n的一次方成正比，压力H与转速n的二次方成正比，而水泵、风机的功率P则与转速n的三次方成正比。

当电机转速从n2变到n1时，其电机轴功率P的变化关系如下：P1/P2=(n1/n2)3，由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。

2 变频调节特点

目前我国火力发电行业存在三个特点：一是磨煤机、风机、水泵等主要用电设备存在25%左右的富裕量，致使大马拉小车；二是发电侧供暂时过于求，大多数电厂不能满负荷运行，机组负荷率偏低；三是单机容量越来越大，参与调峰运行的机组容量越来越大，随着季节昼夜的变化参加调峰运行的机组必须随时调整其发电能力。目前电厂风机、水泵大都是定速电机驱动，用阀门或挡板进行节流控制，电能浪费严重，采用变频变速调节技术可解决因节流控制造成电能增加的问题。

火力发电厂风机、水泵类辅机采用变频调节的优点除了降低电耗节能外，与传统挡板阀门调节及其它变速调节相比还具有如下优点：

（1）减少阀门或挡板的操作频次，降低了阀门挡板损坏几率，转速降低，对所带机械设备磨损减轻，节省了设备检修维护费用。

（2）变频器调节精度高、范围广，与电厂DCS配合可适应复杂的控制逻辑模式，提高机组自动化水平，降低值班人员监盘调节的劳动强度。

（3）实现电动机软启动。避免了异步电动机直接启动时电流过大，易产生操作过电压威胁电动机安全的问题，延长了电动机的使用寿命。

（4）高压变频器可对电动机功率因数实现就地补偿，提高厂用变压器容量的有效利用率，避免风机、水泵启动时厂用电电压的大幅波动。

（5） 与使用液力耦合器调速相比，具有无转动部件，工作可靠、维修工作量少，系统简单，占地少安装方便，原有的电动机，泵和风机位置不用改动，能量转换过程中效率高等优点。

采用变频调节后也会带来一些问题，主要有：

（1）高次谐波问题。因采用变频器后电动机定子电流中会带有高次谐波，该谐波增加了电动机的损耗，降低了电机效率，电动机温升将比改造前有所升高。

（2）散热能力问题。异步电动机是按额定转速下冷却风扇考虑的冷却风量，使用变频器后，电机运行速度降低，冷却风量变小，散热能力也随之变差。

（3）机械共振问题。风机转子在变频方式下运行某一转速时，会产生机械共振问题，严重时会造成电机或所带机械设备严重损坏。以上问题都需要在设计调试阶段予以充分考虑解决，才能保证改造后运行安全

3 高压变频器改造应用

下面以华电潍坊发电有限公司高压变频器在超临界670MW机组脱硫增压风机、凝结水泵上的应用为例进行介绍。

3.1 脱硫增压风机应用

3.1.1 一次电气系统组成

华电潍坊公司670MW机组脱硫系统采用石灰石-石膏湿式脱硫，脱硫塔单元配置，配置有两台成都电力机械厂生产的ANT37e6(V13+4°)静叶调节轴流增压风机,电机额定功率2800kw。增压风机变频装置采用完美无谐波变频器，是罗宾康公司设计制造的脉宽调制交流变频电机驱动器系列。采用“一拖一”断路器自动旁路方式，一套变频器带一台风机，变频装置装设有进线、出线及旁路三个断路器（如图1）。变频器故障时，可通过跳进、出线断路器、合旁路断路器，实现风机由“变频”向“工频”方式的自动切换。增压风机变频装置由电源输入柜、变压器柜、功率单元柜、控制柜及电源开关柜四部分组成。功率单元柜有15个功率单元，每5个功率单元串联构成一相，组合起来提供6000V线电压，所有功率单元的机械和电气参数均相同，可方便进行互换。

图1 变频器一次电器接线图

变频器进线1DL开关与变频器旁路3DL开关之间设有电气闭锁，即进线1DL开关合闸后、闭锁旁路3DL开关合闸，或旁路3DL开关合闸后、闭锁进线1DL开关合闸；变频器出线2DL开关与变频器旁路3DL开关之间设有电气闭锁，即出线2DL开关合闸后、闭锁旁路3DL开关合闸，或旁路3DL开关合闸后、闭锁出线2DL开关合闸。变频装置正常运行时，变频器按照给定的频率指行转速调节，以满足工况调整需要。变频器一个或两个功率单元出现故障被旁路时，变频器仍可维持运行。当旁路功率单元超过两个时，变频器将跳闸。变频器旁路电源开关在备用状态且DCS中“变切工”功能投入时，若变频器收到“急停”指令或变频器发生故障，则变频器立即关闭，跳进、出线电源开关，并通过DCS控制系统发出旁路开关合闸指令，实现风机由“变频”到“工频（旁路）”状态的切换。

3.1.2 节能效果

脱硫增压风机进行变频改造后工作稳定，节电效果明显（如表1），尤其在机组调峰低负荷运行时节能显著，根据统计数据在67%机组负荷率下运行耗电率较工频方式大大降低，节电量最高可达 37%，经济效益可观，变频改造同时解决了低负荷风机振动大的问题，提高辅机设备运行可靠性。

表1 变频改造前后不同负荷率脱硫增压风机耗电率对比

3.2 凝结水泵应用

3.2.1 一次电气系统组成

华电潍坊公司670MW机组配备两台NLT500-570×5S型凝结水泵，电机额定功率为2240KW。变频器选用北京利德华福公司生产的HARSVERT—A06／260型高压变频器，变频改造采用一拖二手动旁路方案，即通过刀闸间的切换，可以实现任一泵变频、另一泵工频的运行方式 (如图2)。凝结水泵变频装置由移相变压器柜、功率单元柜、控制柜和旁路柜四部分组成，设有单独的强制密闭冷却装置。功率单元柜有18个功率单元，每6个功率单元串联构成一相，其电路为基本的交-直-交单相逆变电源。变频装置的旁路柜分为A凝结水泵旁路柜和B凝结水泵旁路柜，每个旁路柜内装有变频器输入、输出、旁路三把刀闸，“变频”、“工频”两个指示灯及带电显示器一个。刀闸之间、刀闸与高压开关之间装设有机械或电气闭锁。通过刀闸之间的相互切换，可实现两台凝结水泵在变频、工频运行方式间的转换，并可通过“变频”、“工频”指示灯进行显示，高压开关的合闸与否可通过带电显示器进行指示。

为保证系统安全运行防止误操作，变频器各开关刀闸间设有完善的闭锁，QS1刀闸受QF1开关及QS4刀闸的电气闭锁，QS4刀闸受QF2开关及QS1刀闸的电气闭锁； QS2刀闸受QF1开关及QS5刀闸的电气闭锁，QS5刀闸受QF2开关及QS2刀闸的电气闭锁；QS3、QS6刀闸分别QF1、QF2开关的电气闭锁，同开关所属QS2、QS3刀闸之间以及QS5、QS6刀闸之间相互机械闭锁。

图2 变频器一拖二改造原理图

凝泵6kV开关QF1的合闸受本开关所属QS1、QS3刀闸的电气闭锁，开关QF2的合闸受本开关所属QS4、QS6刀闸的电气闭锁，变频装置控制柜门上“紧急停机”按钮跳凝泵6kV开关受本开关所属QS3或QS6刀闸的闭锁。

3.2.2 节能效果

通过对照，凝结水泵进行变频改造后工作稳定，节电效果明显（如表2），尤其在机组调峰低负荷运行时节能显著，在55%左右负荷时，变频改造后节电效果达到了60%以上，变频改造同时解决了低负荷凝泵泵体因节流振动大的问题，减少再循环门磨损冲刷，提高了辅机设备运行可靠性。

表2 变频改造前后不同负荷率凝结水泵耗电率对比

4 结论

高压变频器用于火电厂大功率辅机节能改造后，能有效降低设备系统用电率，特别是发电机组在低负荷运行情况下，部分辅机改造后节电效果达到了60%以上，节能效果显著。采用变频改造还能延长电动机、水泵与风机的使用寿命，减少系统阀门、挡板的磨损，提高机组控制自动化水平，为火电厂带来较大的经济效益和社会效益。

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