变频技术在350 MW机组闭式水系统中的应用

刘 平，高月江

(1.电力规划设计总院，北京 100120；2.大唐长春第三热电厂，吉林 长春 130000)

1 概述

随着吉林省电网的扩大，机组总装机容量不断增加，负荷峰谷差不断拉大，火电机组在水电、风电优先调度的劣势下，负荷率大幅度降低，机组频繁参与调峰或深度调峰运行，原有的辅机工况调节方法在低负荷运行时能源浪费严重，调节特性差，频繁的启停会对厂用电系统及机械负载产生冲击损害。鉴于国家节能减排的严峻形势，发电厂辅机的调速节能改造势在必行。目前，火力发电厂中6 kV及以上电压等级的高压异步电动机应用较多的调速方式主要有：变极调速、液力耦合器调速和变频调速。由于变频调速有显著地社会与经济效益，是目前高压异步电动机主要的调速方式。

2 变频调速技术

2.1 节能原理

风机(或水泵)类设备均属平方转矩负载，其转速与流量、压力(扬程)以及轴功率具有如下关系：流量与转速的一次方成正比，压力与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比。如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速可成比例地下降，而水泵电动机的功率与转速近似成立方比的关系，因此降低转速可大幅度地降低水泵轴功率。变频器是利用电力电子器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源供给电动机。频率可控即电动机转速可控，从而达到节能的目的。

2.2 变频器节能方式

(1)为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计时，都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。

(2)变频调速器在软件上设有5000次/秒的测控输出功能，迅速适应负载变动，供给最大效率电压，始终保持电机的输出高效率运行。

(3)在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节V/F曲线，降低输入电流，达到节能状态。

(4)启动电流可从0～额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

(5)采用变频节能调速器后，由于其性能已变为：AC－DC－AC，在整流滤波后，负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗。

2.3 变频器的主要型式

高压变频器按主电路结构可分为交－交方式和交－直－交方式两大类。交－直－交变频方式按中间直流滤波环节的不同又可分为电流源型、三电平PWM电压源型和单元模块串联多电平PWM电压源型，目前单元模块串联多电平PWM电压源型变频器应用较多。

单元串联多电平PWM电压源型变频器采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。单元模块串联多电平PWM电压源型变频器主要由进线隔离变压器、功率单元、控制系统和人机界面系统构成。功率单元接线图见图1，由AC 630 V次级馈电的三相二极管整流器将电容器充电至DC 900 V，该电压提供给由IGBT组成的单相H桥式逆变电路，使得变频器能产生非常接近正弦波的输出波形。

图1 功率单元接线图

3 变频器的主要接线型式

二台100%容量一用一备的水泵加装变频装置通常有二种接线形式:一拖一方案接线见图2，每台水泵选用一台变频器，其优点是任何一台水泵运行都能进行变频调节，缺点是初投资较高，是一拖二方案的近两倍。一拖二方案接线见图3，每二台水泵共用一台变频器，应用一台变频器能实现每一台泵的工、变频切换，并能实现两台泵之间的切换。

图2 一拖一方案接线

图3 一拖二方案接线

4 变频技术在闭式冷却水系统的应用

4.1 概况

大唐长春第三热电厂350 MW亚临界火电机组闭式水系统原设计为单元制闭合大回路系统，设有两台100%容量的闭式冷却水泵，闭式冷却水泵电机的电压等级为6 kV，定速泵，电机功率450 kW，为机组所有辅助设备提供冷却水。

闭式冷却水泵低负荷时采用定速运行，出口流量只能由各冷却用户调门跟随冷却温度调节，节流损失大、出口压力高、管损严重浪费电能。季节性气温低时，阀门开度小，阀门受到长期冲蚀导致使用寿命短，闭式水管道承受压力高，经常出现漏泄，并且出现了冷油器冷却水压高于油压的不安全现象，因电机为全电压启动，启动冲击大，易造成泵体和电动机本身及设备基础的损坏，电动机轴承损坏运行周期短，致使现场维护量大，造成各种资源的极大浪费且影响安全生产。闭式冷却水泵及电动机技术参数见表1。

表1 闭式冷却水泵及电动机技术参数

为了有效降低厂用电率，保证设备及机组安全，大唐长春第三热电厂决定对闭式冷却水泵电机进行变频改造。

4.2 改造方案

闭式水泵每台机组更改一台，本次技改共涉及两台水泵。改造方案为：改造为一拖一变频带旁路控制。采用江苏力普公司的高压变频器，该系列高压变频调速系统采用单元模块串联多电平技术，6 kV输入，6 kV高压输出，属高－高电压源型变频器。

该变频装置主机柜由控制柜、功率柜、变压器柜以及旁路柜4个柜体组成，布置在1、2号机6.3 m平台靠近A排的位置。变频器屏柜的布置尺寸见图4。

图4 变频器屏柜的布置尺寸

整个改造方案包括三部分改造。第一是就地高压变频器的安装和接入。第二是电气开关部分的改造。第三部分是热工逻辑和DCS操作画面的改造。

系统主回路控制原理见图5。是由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3和高压开关QF、电动机M组成。工、变频启动时，根据远方选择的工、变频控制方式，启动工频或变频运行。变频器重故障时，联锁断开高压开关QF。热工联锁逻辑为：当B泵变频器故障跳闸时，系统联跳B泵变频器上口的高压开关，由闭式冷却水泵原有的联锁动作逻辑实现闭式水泵掉闸，备用A泵工频闭式冷却泵联锁启动投运，保证冷却水的继续供给。

图5 系统主回路控制原理

高压变频器采用对电网谐波污染小，功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，具备飞车启动功能，瞬时停电再启动功能。并设以下保护：过电压、过电流、欠电压、缺相保护、短路保护、单相接地保护、电机过载保护、变压器过温保护、半导体器件的过热保护、瞬时停电保护等，联跳输入侧电源开关。

4.3 变频改造的节能和运行效果评估

与恒速系统相比，变频调速具有明显的节能效果。主要体现在以下两个方面：

(1)变频调节系统可以省去恒速系统再循环回路的电动机损耗。从理论上分析节能效果在20%～30%。

(2)变频调速水泵系统随负荷变化，也有明显的节能效果。负荷越低时，节能效果越明显。

改造后用4 mA～20 mA信号控制变频输出调整闭式冷却水泵电机转速，从而达到改变闭式冷却水泵出口流量满足机组运行要求的目的。该系统消除了因阀门开度变化造成的压流损失，自身耗电大幅度下降，且调节方便，节能效果明显。

4.4 试验方法

所取工况基本稳定，闭式冷却水泵运行方式固定、流量保持稳定，无较大波动。选取闭式冷却水泵在工频和变频两种工况时间段，分别记录耗电量、耗电率。

DCS中各参数经校验指示准确，主要辅机电度表经校验，运行可靠。通过对DCS的现有历史数据能进行有效统计，准确核定闭式冷却泵的节能功率。

4.5 试验数据结果

试验数据见表2、表3。

表2 试验数据结果

表3 1号机闭式冷却水泵改造变频前后耗电率统计

4.6 节能效果评估

1、2机组闭式冷却水泵变频改造节能效果见表4。

闭式冷却水泵未改变频前1、2号机平均每小时耗电429.665 kW·h，改造变频后平均每小时耗电87.225 kW·h，每小时节电量342.44 kW·h，按每年冬季7个月时间计算利用小时数为7×30×24＝5040 h，厂用电按0.3927元/ kW·h，全年发电量为294417万kW·h。

表4 1、2号机组闭式冷却水泵变频改造节能统计

两台机闭式冷却水泵可节电收益

=利用小时数×台数×节电量×0.3927

=5040×2×342.44×0.3927

=1356826元

年节电量

＝利用小时数×台数×节电量

＝5040×2×342.77

＝345.512万 kW ·h

变频改造后降低厂用电量率

＝年节电量/年发电量

＝345.512/294417

= 0.12%

从上述统计数据来看：采用变频装置后,闭式冷却水泵月平均电流仅占电动机额定电流的约20%，减少了约80%。这说明在机组平均负荷率一般为70%～80%左右时，闭式冷却水泵经常处于轻、中载运行，电动机的输入功率减小很多，从而测出闭式冷却水泵的平均节电率为80%。

此次两台机闭式冷却水泵变频控制改造费用为110万元，主要费用见表5。

表5 两台机闭式冷却水泵变频控制改造费用

改造后实现合计年收益：135.68万元，总年节电量：345.512万kW·h，可见当年即可收回投资，还有盈余，节能效果是非常可观的。

4.7 运行效果评估

(1)闭式冷却水泵变频投运后，在启动闭式冷却水泵时消除了电机大电流启动时的冲击力矩对闭式冷却水泵、电机的损坏。同时消除了大电动机启动时对电网电压的波动影响。

(2)变频投运后可随机组负荷环境温度变化及时调节冷却水出力，达到降低厂用电的目的。

(3)在春秋冬季，变频运行可避免闭式水母管压力过高引起的管道漏泄、冷油器冷却水压力高于油压造成油中进水的安全隐患。也可避免闭式水母管压力过高各用户因阀门开度过小引致的压流损失，提高了系统效率，且延长了阀门的使用寿命。

(4)由于变频器对电动机的软起动和保护等功能，降低了闭式冷却水泵的运行噪音，可以有效地减轻机械叶轮和轴承的磨损，延长设备使用寿命，减少了设备维护量。

(5)变频投运时运行人员可以非常平滑、稳定地调节冷却水量，对系统的调整控制更为稳定自如，改善了调节品质。

5 结语

综上所述，350 MW机组单元制闭合大回路闭式水系统中，其闭式冷却水泵电机应用变频技术后节能及经济效益显著,变频设备投资回收期短,运行稳定性高。除了闭式水系统，变频技术还可应用到电厂中的其他辅机中，在提高自动调节品质的同时，很好地达到节能降耗的目的。

[1]徐甫荣．发电厂辅机电动机节能改造技术方案分析[J]．变频器世界，2002，(4)．

[2]王意兴．变频技术在火电厂凝结水泵的应用[C]//全国火电100 MW～200 MW级机组技术协作会2008年年会论文集，2008．