西门子高压变频器在凝结水系统的应用2010-11-08

1西门子高压变频器在凝结水系统的应用SiemensHigh-voltageInverterinCondensateSystemApplication李宁（华能宁夏大坝发电有限责任公司，宁夏回族自治区青铜峡市）摘要：介绍了华能宁夏大坝发电有限责任公司为改善设备利用率、降低发电成本、提高控制精度，采用西门子罗宾康高压变频装置对#3机组凝结水泵高压电机进行调速控制；试运行结果显示变频改造后电机节能显著，并能大大改善电机运行工况，降低厂用电率。关键词：凝结水泵高压变频器节能Abstract：ThispaperIntroducedSiemensRobiconhigh-voltageinverterappliesinHuanengNingxiaDamelectricitygenerationLtd.3#condensatepumpmotorspeedcontrol.Itimprovesequipmentutilization,reducegeneratingcostandenhancingthecontrolaccuracy,High-pressuretestshowesthattheenergy-savingandthemotor‘soperationareallsignificantlyimproved,andthepowerconsumptionratereducedgreatly.KeyWords：CondensatepumpHigh-voltageinverterEnergy-saving1.引言华能宁夏大坝发电有限责任公司总装机容量为4×300MW国产凝汽式汽轮发电机组，每台机组配置两台互为备用的凝结水泵，流量调节采用传统的阀门调节方式。因而存在以下弊端：1）节流损失大，能量浪费严重；机组调峰时凝泵运行效率大幅度降低；2）调节频繁易导致阀门和执行机构损坏，设备维护量大；3）电机经常处于高速运转造成各部件磨损发热；4）电机工频起动对电网和电机造成较大冲击；5)自动化程度低、控制精度差。为进一步提高设备利用率，节能降耗，降低厂用电率，公司决定将#3机组凝结水泵进行变频改造，从而省去由于阀门、挡板节流等带来的功率损失，达到节能的目的，提高了发电企业的经济效益。2．变频器性能的选择利用变频调节技术无疑要在原有的回路中加装一套变频调节设备，也就是说如该产品性能不好，将增加一个设备故障点,影响机组的安全稳定运行，为此变频调节器的性能选择至关重2要。我们在选择时除了考虑一些常规的性能指标外，还着重注意了以下几点：设计上是否相对有其特点，选用的元件是否稳定、成熟；产生的谐波分量是否符合有关标准；电源短时中断恢复时对其影响程度；个别元件故障时能保持短时间的运行等功能。目前，市场上高压变频器产品较多，变频调节类型也有多种。在改造前，我们收集、了解了国内外一些调节装置的资料，并进行了比较，最后选择了西门子（上海）电气传动设备公司制造的空冷型完美无谐波NBH系列高压变频器，其主要特点有：1）该装置由移相变压器、功率单元和控制器组成。变压器的18个二次绕组，采用延变三角形联结，分成6个不同的相位组，互差10度电角度，形成36脉波的二极管整流电路结构，输入谐波在不用滤波器情况下一般在2%以内，远远小于规定的标准，不会对电网产生影响2）该装置采用电压源型，直流环节为电容，电机需要的无功电流由电容提供，而不需要和电网交换，变频器输入功率因数大于0.95，在整个速度范围段内基本保持不变3）该装置由于采用了36脉冲整流方式，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，输出的波形与正弦波非常相近，而且dv/dt幅值小，不必设置输出滤波器，就可以使用原有的普通旧国产异步电机。4）该装置主回路结构简单明了，没有附加的输入滤波器、输出滤波器、功率因素补偿器、缓冲电路、升压变压器等附加电路；采用广泛使用、驱动简单可靠的IGBT功率器件；内部采用绝缘等级极高的干式变压器，绝缘等级为H级，有功率单元旁路手段，在功率单元出现故障时系统能继续工作，不用停机，所以可靠性极高。2.高压变频器节能原理简介对于水泵，由流体动力学理论可以知道，流量与转速的一次方成正比；扭矩与转速二次方成正比；而泵的功率则与转速的三次方成正比。用n、N分别表示转速和功率，脚标“0”均表示额定工况参数。当流量由额定值Q0降至Q时，与额定功率N0比较，采用转速调节的电机的功耗为：当流量由100％降到70％，则转速相应降到70％，而电机的功耗降到34.3％，即节约电能65.7％。扣除阀门调节时的功耗与额定功耗的差、转速下降引起电机的效率下降等因素，节电效果也是非常显著的。3.变频调速改造的凝结泵电气接线图3华能宁夏大坝发电有限责任公司#3机组凝结水泵电机参数为：额定电压6kV、额定功率1000kW、额定转速1486r／min，设计时有一定裕量，机组配备二台凝结水泵，一台运行，一台备用。通过对机组凝结水系统和凝结水泵运行方式、动力系统结构的研究分析，提出一拖二工/变频切换控制方案。由于凝结水泵属一用一备运行方式，因此采用一拖二方案可以提高变频设备的利用率，保证系统具有良好的节能效果。具体系统结构原理如图1所示：图1:系统结构原理图从主回路改造方案看出：对于变频调速的凝结泵，高压电源经用户开关柜高压开关QF1(QF2)到刀闸柜，经输入刀闸QS1A(B)到高压变频装置，变频装置输出经出线刀闸QS2A(B)送至电动机；6kV电源还可经旁路刀闸QS3A(B)直接起动电动机。进出线刀闸QS1A(B)和旁路刀闸QSA2(B)的作用是：一旦变频装置出现故障，即可马上断开进出线刀闸QS1A(B)、QS2A(B)，将变频装置隔离，手动合旁路刀闸QS3A(B)，在工频电源下启动电机运行。QS1A(B)、QS2A(B)、QS3A(B)安装在一个刀闸柜中与变频装置配套供货。QS2A(B)与QS3A(B)之间通过机械闭锁，防止误操作。4.凝结水泵的运行工况在汽轮机低压缸内做功的蒸汽在冷却凝结之后，集中在凝结水箱中，凝结水系统的作用是通过凝结水泵及时的把凝结水送至除氧器中，维持除氧器水位平衡。保证凝结水泵连续、稳定运行是保障电厂发电机组安全、经济生产的重要环节之一，凝结水系统如图2所示。4图2凝结水系统的工作流程凝结水泵变频改造前，除氧器水位是通过改变凝结水泵出口调整门的开度进行的，调节线性度差，调整门存在较大的节流损失。同时由于频繁的对调整门进行操作，导致阀门的可靠性下降，影响机组的稳定运行（我公司4台机组曾发生过多次调整门机械故障）。改造为高压变频器后，凝结水泵出口阀门处于全开位置（同时根据现场实际情况可将旁路门打开，可进一步降低凝结水系统的节流损失），仅在倒泵过程中由凝结水母管调整门来控制除氧器水位，正常运行时通过调节变频器的输出频率改变凝结水泵转速，达到调节出口流量控制除氧器水位的目的，满足运行工况的要求。图3凝结水控制系统图5在图3中，采用双回路控制，主要是考虑调整门调节特性与变频器存在较大差异，单一控制回路的调节效果不好；通过变频运行后的实际效果，这种控制回路设计调节特性很好，两套回路切换平稳。5.改造中遇到的问题和解决的办法1）高压变频调速凝结水泵运行时上水调整门打开，利用改变凝结水泵的转速调节除氧器水位造成凝结水压力较低，最大不超过1.6MPa。运行中凝结水压力随负荷降低而下降，为了保证其它设备所需凝结水的压力，设定变频调速系统的最低转速为30Hz，对应凝结水泵的出口压力为1.2Mpa，修改减温水压力低保护关低旁逻辑。2）由于变频凝结水泵用改变转速调节使得凝结水压力低，而定速凝结水泵仍为上水门调整、凝结水压力很高，运行一旦发生变频凝结水泵跳闸备用定速凝结水泵启动后凝结水压力、流量突然增大对除氧器水位造成很大的影响。针对此问题将控制逻辑修改为当变频泵或者变频泵高压开关事故跳闸，且发出联启定速泵的指令时，程序发出一个与汽轮机调速级压力具有函数关系的预置指令加到除氧器上水调整门，立即将上水调整门关至一定位置并且程序强制将调整门投入“自动”进行调节除氧器水位，图4为A凝结水泵变频跳闸后，B备用工频凝结水泵联锁启动后水位与除氧器水位调整门的变化趋势图，在切换过程中，除氧器水位波动在正负20mm以内。图4：切换过程中水位与阀门动作趋势3）运行变频凝结水泵跳闸备用定速凝结水泵联锁启动后凝结水压力突然升高对凝结水供其它辅助设备影响很大，特别是给水泵机械密封冷却水系统，由于给水泵机械密封冷却水差压6一般维持在0.1MPa。针对此问题在给水泵机械密封冷却水调整门上预置一个与汽轮机调速级压力具有函数关系的指令，当备用工频凝结水泵联锁启动后将该指令输出至给水泵机械密封冷却水调整门，延时一段时间后系统切换至给水泵机械密封水差压自动调整回路。4）凝结水泵再循环调整门是为了保证凝结水系统在低流量时凝结水泵在安全工作区内运行的，该控制回路的被调量是凝结水泵出口母管压力，当凝结水泵采用变频调速系统后，转速越低，出口压力越低，为了保证凝结水泵的安全，防止泵体汽蚀，在再循环调整门的控制指令输出上叠加一个与除氧器水位调整门具有函数关系的指令，当在变频运行时，控制再循环调整门开度。6.节能效果（变频器运行后检测）1）节约厂用电效果显著现场截取变频改造前后的#3机组实际运行数据记录，对改造前后的电流、功率进行比较，由表1数据分析可得经粗略估算，原工频运行时相同工况下#3机组凝结水泵一天耗电约20000kW·h，变频改造后#3机组凝结水泵所耗电量减少至10000kW·h。，变频改造后节能效果显著，实际运行状况性能对比表1参数名称测试及计算结果机组负荷MW170200250290工频运行电流（A）9398100102工频运行功率（kW）840885903921变频运行电流（A）2735.1454.4367.37变频运行功率（kW）266347537664节能效果（%）686040282）减少电机启动时的电流冲击电机直接启动时的最大启动电流为额定电流的7倍；星角启动为4－5倍；电机软启动器也要达到2.5倍。观察变频器启动的负荷曲线，可以发现它启动时基本没有冲击，电流从零开始，仅是随着转速增加而上升，不管怎样都不会超过额定电流。因此凝泵变频运行解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低日常的维护保养费用，图5为凝结水泵变频启动电流趋势图。7图5凝结水泵变频启动电流趋势图3）延长设备寿命使用变频器可使电机转速变化沿凝泵的加减速特性曲线变化，没有应力负载作用于轴承上，延长了轴承的寿命。同时有关数据说明，机械寿命与转速的倒数成正比，降低凝泵转速可成倍地提高凝泵寿命，凝泵维护费用自然就降低了。4）降低噪音我公司凝结水泵改用变频器后，降低水泵转速运行的同时，噪音将大幅度地降低，当转速降低50％时，噪音可减少十几个绝对分贝。同时消除了停车和启动时的打滑和尖啸声，克服了由于调门线性度不好，调节品质差，引起管道锤击和共振，造成给水系统上水管道强烈震动的缺陷，凝结水泵变频运行后，噪音、振动都大为减少，运行工况得到明显改善。7.总结由于西门子完美无谐波NBH系列高压变频器具有输入谐波在2%以内、输入功率因数大于0.95、系统总体效率达到97%且可靠性极高等优点，从试运行结果来看，变频器运行稳定，各项性能指标优良。修改后的控制系统，逻辑通顺明了，过程操作简单，总体状况达到期望目标。充分说明在火电厂发电机组主辅机设备中采用高压变频调速技术具有广阔的应用前景和拓展空间，对提高企业竞争力、降低发电成本具有积极意义。参考文献：[1]李遵基．变频控制原理及应用[M]．北京：华北电力大学出版社,2001．[2]韩安荣．通用变频器及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2000．[3]西门子空冷型完美无谐波NBH系列高压变频器用户手册