高壓變頻技術在火電廠凝結水系統中的應用

韓丹

摘要：結合某公司5號機組凝結水泵高壓變頻改造項目，介紹了變頻技術的節能原理以及變頻器的控制系統組成，分析了變頻技術的優勢。采用變頻技術后，不但可以延長設備使用壽命，也取得可觀的經濟效益。

關鍵詞：凝結水泵；變頻調速；節能

凝結水泵是汽輪機組凝結水系統的重要動力設備，其作用是將凝汽器中的凝結水打入低壓加熱器加熱后送入除氧器內。凝結水泵電機實際運行時會不同程度上偏離經濟運行工況，機組調峰運行時偏離更遠，電能浪費嚴重。使用變頻調速裝置可以提高運行效率，達到節能的目的。某公司5號機組（200MW）1、3號凝結水泵原來采用6kV高壓電動機拖動，通過技術改造，使用了高壓變頻器，獲得了良好的經濟效益，并積累了一定的經驗。

1 變頻技術原理

異步電動機的定子主磁通和轉子電流相互作用產生電磁轉矩。磁場以順時針方向旋轉，轉速為n0，轉子繞組通過切割磁力線，產生轉子電流；通電的轉子繞組相對于磁場進行運動，產生電磁力；電磁力使得轉子繞組以轉速n旋轉，旋轉的方向與磁場旋轉方向一致。

轉子的轉速計算公式如下：n=60f（1-s）/p

上式中：p是旋轉磁場的磁極對數，f是輸入電流的頻率。當異步電動機的極對數p不變時，電動機轉子轉速與定子輸入電源的頻率f成正比。因此，通過連續改變供電系統電源的輸入頻率，就能夠連續平滑的調節電動機的轉速。進行電動機調速需要考慮的一個重要因素是必須要保證電機中每極磁通量為額定值，并在整個過程中一直保持不變。如果通過電動機的磁通太弱，即電動機如果出現欠勵磁，將會影響電動機的輸出轉矩。

電磁轉矩的計算公式如下：TM=KTFMI2COSj2

上式中：TM是電磁轉矩，KT是比例系數，FM是主磁通，I2是轉子電流，COSj2是轉子回路功率因數。如果電機磁通的減小，將會導致電機電磁轉矩的減小。電動機在設計初期磁通常處于接近飽和值，如果進一步增大磁通，將使電機鐵芯出現飽和甚至過飽和，從而導致電機中通過很大的勵磁電流，這將會增大電機的銅損和鐵損，嚴重時會導致繞組過熱而損壞電機絕緣。在改變電動機的頻率f時，也應對電動機的電壓U進行協調控制，以維持電動機磁通的恒定。用于交流電氣傳動中的變頻器實際上也是變壓變頻器，通常也把這種變頻器叫作VVVF裝置。

2 變頻技術改造

2.1 改造前系統

某公司5號機為國產200MW超高壓中間再熱三缸雙抽兩排汽單軸凝汽式熱電聯產機組，配置3臺6kV電壓等級的高壓凝結水泵電機，額定功率為220kW。水泵均為立式多級離心泵。3臺凝結水泵在改造前均屬于定速運行方式。機組運行時凝結水流量由DCS系統根據除氧器水位自動控制調節閥的開度進行控制，節流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統效率低下。

機組調峰運行時負荷低，相應調節閥的開度小，造成系統管網的阻力增大，導致節流損失明顯增加，浪費大量電能。由于控制閥門為電動機械調整結構，線性度不好、調節品質差、自動投入率低。頻繁的開關調節，容易出現各種故障，使現場維護量增加，造成各種資源的浪費。因此，有必要對凝結水泵進行技術改造、以降低能耗，提高設備運行的可靠性。

2.2 變頻器介紹

5號機凝結水泵采用DHVECTOL-DI系列高壓變頻器，主要由旁通柜、變壓器柜、功率單元柜、控制柜組成。高壓變頻器的工作原理為：變頻運行時，QF1和KM1處于合通狀態，QF2處于分斷狀態，當人工給定切換指令或者系統出現重故障時，變頻器自動分斷QF1和KM1，然后合通QF2，電動機進入工頻運行狀態。當需要變頻器重新投入使用時，人工給出切換指令，變頻器先合通QF1，變頻器進入預充電狀態，變頻器充電就緒以后自動運行并斷開QF2，當確認QF2斷開后合KM1，變頻器檢測電動機的狀態，并以檢測到的轉速開始將電動機帶回50Hz運行工況。供電方式如下圖。

2.3 改造后操作規范

2.3.1 變頻啟動

DCS中“變頻器啟動允許”光字牌亮后，在DCS中按下“變頻器復位”按鈕，對變頻器進行復位。按下“變頻器運行”按鈕發出啟動指令，變頻器開始充電（充電時間40S），待充電結束后自動合上6kV高壓開關，變頻器自動運行到設定的運行轉速可根據生產負荷需要，改變變頻器的給定轉速，并注意及時確認否則無效。

2.3.2 變頻停止

在DCS中按下“變頻器停止”按鈕發出停機指令，或就地按下“停機”按鈕，并及時確認，變頻器自動進入停機程序，直至運行頻率為“0Hz”。變頻器運行頻率為“0Hz”后自動將6kV高壓分斷，系統自動進入待機狀態發出“請求運行”。

3 效果分析

3.1 節能效果明顯

采用變頻器調速技術的凝結水泵流量、揚程和效率均達到其生產廠家規定值。根據改造前后日耗電量的對比計算結果可知，凝結水泵的耗電量低于同等容量的定速凝結水泵，節能效果非常明顯。凝結水泵運行平穩，變頻器安全可靠，調速性能優越，完全能夠滿足5號機組任何負荷及各種運行方式下凝結水流量和真空等參數要求。

3.2 延長設備壽命

采用高壓變頻調速技術后，凝結水泵運行時，介質對水泵的葉輪、風機冷卻風扇和調門的磨損，特別是沒有應力負載作用于軸承上，使軸承的磨損、密封的損壞都大大降低，減少了維修工作量和維護成本，同時也延長了電動機和水泵等的使用壽命，延長了設備大修周期。此外，采用變頻調速運行的電動機振動值和產生的噪音也大幅度降低，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的缺陷。

3.3 自動化水平高

高壓變頻器依靠電廠集控中心的DCS控制系統進行控制，能夠實現高精度、寬幅度的無級調速，滿足各類運行工況的需要，特別針對200MW熱電聯產調峰機組，能夠提高生產效率和機組自動化水平。

3.4 減少電機啟動時的沖擊

大功率電動機在啟動時，由于啟動電流很大，在啟動瞬間6kV廠用電電壓會大幅下降，影響其它用電設備的正常運行。采用變頻調速可以實現電機軟啟動，使電機轉速慢慢升高，啟動時最大電流可按需要限制在一定范圍內，使得對廠用電源的沖擊和機械負載的沖擊都大大減小，減小了電機啟動損壞幾率。

4 結論

采用高壓變頻器的調速的電動機運行相對平穩，啟動性能好，對廠用電系統用的沖擊和機械負載的沖擊都明顯減小，同時延長了電動機和機械部分的使用壽命。變頻裝置安全可靠，調速性能優越，完全能滿足機組任何負荷及各種運行方式下的要求，變頻調速技術節電效果顯著。

采用高壓變頻調速技術的給水泵雖然初期投資較多，但由于其節能效果顯著，投資回收還是比較快的，具有很好的應用價值。200MW汽輪發電機組凝結水泵推廣使用變頻技術，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。