摘要：為了降低廠用電率和提高系統自動化水平,龍山發電廠在#1號機組凝結水泵的控制系統中加裝了高壓變頻裝置。本文介紹了高壓變頻器理論上的節能效果,并總結了凝結水泵電機控制采用變頻裝置的優勢。

關鍵詞：高壓變頻器；凝結水泵；調速；節能。

概述：

國電龍山電廠是由中國國電集團公司和河北省建設投資公司共同投資建設的大型火力發電企業，一期工程建設2×600MW國產亞臨界燃煤直接空冷機組。   
    機組中凝結泵變頻改造前運行中存在的問題：1、凝汽器內的水位調整是通過改變凝結泵出口閥門的開度進行的，調節線性度差，大量能量在閥門上損耗。2、由于頻繁的對閥門進行操作，導致閥門的可*性下降，影響機組的穩定運行。3、汽水系統設計參數偏大，使凝結泵的出口壓力偏大，流量偏高；4、凝結泵出口壓力偏大， 超出了化學精處理系統的壓力， 對化學設備造成一些損害；5、凝升泵壓力、流量偏高， 對加熱器系統造成一定損害， 同時給除氧器水位的調整帶來一定困難。6、泵用電機啟動電流大，不僅對同一母線上的電機或其他設備正常工作造成極大的影響，而且對電機本身沖擊應力很大，軸承應力加大，同時對電機絕緣造成損傷，電機壽命縮短。

因此綜合以上多個角度，對凝結泵進行變頻調速改造是相當必要的。

現對#1機組凝結泵電動機安裝高壓變頻器調速裝置，凝結泵電動機型號及其參數如下表：

龍山電廠結合自身電機參數以及我公司產品優勢，選用我公司型號SH-HVF-Y10K/2900高壓變頻調速裝置。

1、凝結泵的工作流程

圖1 凝結水系統的工作流程

凝結水系統如圖1所示。從混合式凝汽器來的水97％-98％返回空冷塔，2％-3％參加熱力循環。凝結泵吸取凝汽器的水升壓后經過化學精處理， 經過低壓加熱器到除氧器， 除氧器除氧后進入給水泵升壓， 再經高壓加熱器到鍋爐， 最后經省煤器進入汽包， 從而完成熱力循環。維持凝結泵連續、穩定運行是保持電廠安全、經濟生產地一個重要方面。

當機組負荷升高時，凝結水量增加，凝汽器內的水位相應上升。當機組負荷降低時，凝汽器內水位相應降低。在正常運行狀態下，凝汽器內的水位不能過高或過低。監視、調整凝汽器內的水位是凝結泵運行中的一項主要工作�！　�

龍山電廠所需凝結泵電機為10kV/2300kW的電機，每臺機組配備二臺凝結泵，一臺變頻運行，一臺工頻備用。

2、變頻調速改造的凝結泵電氣接線圖

圖2 凝結泵電機及其備用泵電機主電路接線圖

從主回路改造方案看出：對兩臺凝結泵的一臺進行變頻改造，另一臺工頻備用。當變頻器發生故障時，解決方案一，通過旁路柜將#1凝結泵連接到工頻運行。方案二，工頻啟動運行#2凝結泵，停止運行#1凝結泵。當#1號凝結泵發生故障時，解決方案是直接工頻啟動運行#2凝結泵。以上冗余備用保證了整個電廠生產正常。當故障設備恢復后，變頻啟動運行#1凝結泵，然后停止運行#2凝結泵。

對于變頻調速的#1凝結泵，高壓電源經用戶開關柜高壓開關QF1到刀閘柜，經輸入刀閘QS1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經出線刀閘QS2送至電動機；10kV電源還可經旁路刀閘QS3直接起動電動機。進出線刀閘QS2和旁路刀閘QS3的作用是：一旦變頻裝置出現故障，即可馬上斷開進出線刀閘QS2，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘QS3，在工頻電源下啟動電機運行。QF1保留用戶原斷路器，QS1、QS2、QS3安裝在一個刀閘柜中與變頻裝置配套供貨。QS2與QS3之間通過機械閉鎖，防止誤操作。

3、變頻調速改造的直接經濟效益和間接投資效益分析

（1）節能

異步感應電動機的轉速n與電壓頻率f、轉差率s、電機極對數p三個參數有如下關系:n=60f(1-s)/p。改變電壓頻率f可以改變電動機轉速。由于凝結泵對轉速精度要求不是非常高,在異步感應電動機的設計制造完成后,在帶負載運行過程中由于負載變化,轉差率會略有變化,但變化極小，因此可以近似認為電機轉速與變頻器輸出電壓頻率成線性關系。所以將頻率不變的工網電壓變換為不同的頻率電壓時，電機轉速也會隨之改變。

           圖3  水泵類負載工作特性曲線

 在進行變頻調速改造前，凝結泵電機始終處于100%工作負荷狀態下，調節凝結器和除氧器中的水位即凝結泵的出水量完全依賴調節出口閥門開度改變管路的阻力來實現。當水量減小時，電機功率并沒有明顯下降。如圖所示，當需要減小流量時，減小閥門開度，凝結泵工作點從A點移到D點，忽略泵機和電機效率變化，電機功率由變化到，變化不明顯。當采用變頻調速后，節能效果是明顯的，但一些變頻器廠家技術人員沒能掌握正確的節能算法，錯誤的應用公式，夸大了變頻調速節能效果，使計算值誤差很大，遠大于實際節能效果，給用戶產生了一定的誤導。具體分析如下：

比例定律：以離心式水泵為例,當驅動電機的轉速由改變為時,若輸送的液體不變,則在不同轉速下相似工況點的對應參數與轉速之間有下列關系:

……….….(1)

………. (2)

………… (3)

式中　、—液體的流量，、—揚程。

上述比例公式應用的條件是在水泵工作在相似的工況點，所謂相似工況點是指兩臺泵在幾何相似、運動相似和動力相似的情況下運行參數。

幾何相似就是說他們的形狀完全相同，只是大小不同，其中一臺泵相當于另一臺泵按一定比例的放大或縮小。舉個形象的例子，兩張比例尺不同的中國地圖，它是幾何相似的，但大小相差一定的倍數。應當指出的是，這里提到的兩泵幾何相似是指流通部分的幾何相似，而不是要求泵之間的輪廓外形相似。

運動相似是指兩臺幾何相似泵流通部分各對應點的速度三角形相似。顯然，只有當兩臺泵的流通部分幾何相似，才有可能運動相似，但滿足幾何相似的條件不一定滿足運動相似，只有當兩臺幾何相似泵都在相似工況點運行時（例如：都運行在最高效率工況點），才是運動相似，所以運動相似又稱工況相似。

動力相似是指作用于兩臺泵內各對應點上的方向相同，大小成比例。作用于泵內流體的力主要是慣性力和粘性力的總壓力。因此，為使泵中的動力相似，必須對應點上的慣性力和彈性力（或壓力和密度）之比相等，慣性力和粘性力之比相等。

由上所述，比率定律轉速與流量成正比關系應用條件是非�？量痰�。

下面以水泵從流量變為時采用變頻調速節能效果分析（以下均不考慮電機和水泵效率）。

圖3中,曲線1為管路阻力曲線, 曲線2為轉速恒定時水泵的Ｈ-Ｑ曲線,曲線3為B點相似工況曲線。曲線4為水泵Q-η曲線

如圖，當流量從Q1降到Q3時，根據管路阻力曲線1得知水泵的工作點將從A（，）變為B（，），求出B點的相似工況曲線3，得出曲線3和曲線1的交點C（，），C點即為B點在額定轉速下的相似工況點。

由于相似工作點的特性知揚程和流量的二次方成正比，所以曲線3為，根據工作點B得到。

由比率定律，得到B點的轉速

所以此時電機輸出功率

，式中為工作點C的電機功率。

由上述分析得調速后的電機輸出功率為，而并非。

因為且  所以。

所以節省功率為，而不是。

（2）減少電機啟動時的電流沖擊

電機直接啟動時的最大啟動電流為額定電流的7倍；星角啟動為4.5倍；電機軟啟動器也要達到2.5倍。觀察變頻器起動的負荷曲線，可以發現它啟動時基本沒有沖擊，電流從零開始，僅是隨著轉速增加而上升，不管怎樣都不會超過額定電流。因此凝泵變頻運行解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養費用。

（3）延長設備壽命

使用變頻器可使電機轉速變化沿凝泵的加減速特性曲線變化，沒有應力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。同時有關數據說明，機械壽命與轉速的倒數成正比，降低凝泵轉速可成倍地提高凝泵壽命，凝泵使用費用自然就降低了。

（4）降低噪音

凝結泵改用變頻器后，降低水泵轉速運行的同時，噪音大幅度地降低，當轉速降低50%時，噪音可減少十幾個絕對分貝。同時消除了停車和啟動時的打滑和尖嘯聲，克服了由于調門線性度不好，調節品質差，引起管道錘擊和共振，造成給水系統上水管道強烈震動的缺陷，凝結泵變頻運行后，噪音、振動都大為減少，變化相當可觀。

（5）其他許多變頻調速改造前存在的問題都得到合理的解決。如使用閥門調節少了，精度提高了。出口的壓力變小，對精處理過程的化學設備影響小了等等。

總之，大型汽輪發電機組凝泵推廣使用變頻調速器，可以大幅度降低廠用電率，減少發電成本，提高競價上網的競爭能力。

4、我公司變頻調速裝置的優勢

1功率單元機械式旁路

為了保證變頻器和現場設備的正常運行，SH-HVF系列高壓變頻器為用戶提供了功率單元機械旁路功能，當單元故障時，可自動將輸出清除并同時觸發旁路單元將其旁路，使其不影響整個系統的正常工作，使整個系統由原來的串聯可*性結構變成為并聯可*性結構。典型旁路示意圖如下：

圖4  典型的功率單元機械旁路示意圖

傳統的功率單元電子式旁路設計采用可控硅或IGBT等旁路方式，其設計與功率單元采用一體化設計，其電子旁路能否動作取決于功率單元的故障狀態；而我公司功率單元機械式旁路采用機械式接觸器方式，并且專門為其設計了一套功率單元旁路控制系統，一旦功率單元故障，不管故障多么嚴重，旁路系統均能正確安全的旁路。

2變頻器帶故障運行方式

當有功率單元故障時，變頻器可通過線電壓自動均衡技術，輸出最大的功率而不至于跳機影響生產，用戶可以根據設備的報警自行確定停機維修時間。

3風機選用進口設備

我公司高壓變頻器冷卻風機采用原裝進口EBM風機，其平均無故障連續運行時間大于100000小時。

4諧波指標

輸出電流諧波失真<2%；變頻調速系統產生的諧波滿足并高于中國“GB/T 14549     電能質量 公用電網諧波”及“IEEE519”國際標準的規定。變頻裝置考慮將對電網諧波影響減至最小的措施包括：a、移相變壓器；b、單元串聯技術；c、優化的PWM算法；d、多脈沖整流技術

5線電壓自動均衡技術

變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。

6控制部分雙電源切換

變頻器控制回路采用雙電源切換技術并配置UPS電源，雙電源一路來源于用戶電源，一路來源于變頻器內隔離變壓器二次輸出繞組，其中任意一單元掉電自動切換至另一回路，切換時間約為40ms，切換過程中的電源保證由UPS提供，UPS提供掉電60分鐘輸出。