1、HARSVERT-A高壓變頻器助力華能邯峰電廠節(jié)能增效北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 鄭家海、呂澤玉、黃桂英摘要：邯峰電廠是國(guó)家“九五”期間河北省最大的中外合資項(xiàng)目，其先后建成2臺(tái)660MW燃煤發(fā)電機(jī)組是華北地區(qū)單機(jī)容量最大的發(fā)電機(jī)組，此次其凝泵變頻改造是國(guó)內(nèi)660MW機(jī)組的首次成功應(yīng)用，為今后600MW以上機(jī)組應(yīng)用國(guó)產(chǎn)高壓變頻器進(jìn)行改造提供了良好的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：660MW燃煤發(fā)電機(jī)組 凝結(jié)泵 變頻調(diào)速改造一、概況邯峰電廠一期工程為2臺(tái)66萬(wàn)千瓦機(jī)組，該工程由中德雙方共同設(shè)計(jì)，是國(guó)家“九五”期間河北省最大的中外合資項(xiàng)目。該廠位于河北省邯鄲市，廠區(qū)占地73.54公頃，規(guī)劃容量2400MW，

2、一期工程于2001年3月26日、9月1日先后建成2臺(tái)660MW燃煤發(fā)電機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，是華北地區(qū)單機(jī)容量最大的發(fā)電企業(yè)。邯峰發(fā)電廠主設(shè)備代表著上世紀(jì)90年代末期的國(guó)際先進(jìn)水平。該廠汽輪發(fā)電機(jī)、電氣儀控系統(tǒng)采用德國(guó)西門子設(shè)計(jì)制造的設(shè)備。輔機(jī)主要有2臺(tái)全容量凝結(jié)水泵，2臺(tái)半容量汽動(dòng)給水泵，1臺(tái)35%容量電動(dòng)給水泵，3臺(tái)半容量循環(huán)水泵。 凝結(jié)泵是汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)中的主要輔機(jī)設(shè)備之一，它的作用是把凝汽水箱的凝結(jié)水經(jīng)低壓加熱器加熱后送入除氧器內(nèi)維持除氧器水位平衡。系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的配置，凝結(jié)水通過(guò)凝結(jié)水泵升壓后，經(jīng)過(guò)軸封加熱器、4臺(tái)低壓加熱器后送入除氧器。維持凝結(jié)水泵連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行是保持電廠安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的

3、一個(gè)重要方面。凝結(jié)水系統(tǒng)的工藝簡(jiǎn)圖如圖1所示。圖1：凝結(jié)水系統(tǒng)的工藝簡(jiǎn)圖機(jī)組在滿負(fù)荷情況下，凝結(jié)泵出口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度都在4060之間運(yùn)行，50%負(fù)荷至100%負(fù)荷間壓差較大，閥門一直處在節(jié)流狀態(tài)下工作，節(jié)流損失大。由于機(jī)組參與調(diào)峰，凝泵主輔機(jī)設(shè)備具有較大的調(diào)整空間，在低負(fù)荷時(shí)，凝泵出力不變，造成很大浪費(fèi)。利用高壓變頻器對(duì)凝結(jié)泵進(jìn)行變頻控制，實(shí)現(xiàn)凝泵給水流量的變負(fù)荷調(diào)節(jié)。這樣，不僅改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)，而且提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；降低了機(jī)組的補(bǔ)水量，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約能源，為降低電廠廠用電率提供了良好的途徑。 二、控制系統(tǒng)方案1凝結(jié)泵的運(yùn)行工況 凝結(jié)泵電機(jī)使用德國(guó)西門子立式電機(jī)，2600kW/6kV，

4、每臺(tái)機(jī)組配備2臺(tái)凝結(jié)泵，運(yùn)行方式為一用一備。調(diào)節(jié)凝汽器內(nèi)的水位是凝結(jié)泵運(yùn)行中的一項(xiàng)主要工作。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，凝汽器內(nèi)的水位不能過(guò)高或過(guò)低。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升高時(shí)，凝結(jié)水量增加，凝汽器內(nèi)的水位相應(yīng)上升。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低時(shí)，凝汽器內(nèi)水位相應(yīng)降低。沒(méi)有使用變頻器之前，凝汽器內(nèi)的水位調(diào)整是通過(guò)改變凝結(jié)水泵出口閥門的開(kāi)度進(jìn)行的，調(diào)節(jié)線性度差，大量能量在閥門上損耗。同時(shí)由于頻繁的對(duì)閥門進(jìn)行操作，導(dǎo)致閥門的可靠性下降，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。使用高壓變頻器后，凝結(jié)水泵出口閥門不需要頻繁調(diào)整，閥門開(kāi)度保持在一個(gè)比較大的范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)出口流量的目的，滿足運(yùn)行工況的要求。2、系統(tǒng)運(yùn)

5、行狀態(tài)的控制在正常工況下，DCS優(yōu)先選擇#11凝結(jié)水泵投入運(yùn)行，并根據(jù)凝汽器水位進(jìn)行變頻調(diào)速控制，調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵。此時(shí)主凝結(jié)水調(diào)整門處于全開(kāi)狀態(tài)。如果#12泵開(kāi)關(guān)一旦合閘（不管其他條件），主凝結(jié)水調(diào)門可根據(jù)負(fù)荷大小分別調(diào)600MW時(shí)調(diào)整至40%，300MW時(shí)調(diào)整至30%，其它負(fù)荷按此直線斜率確定調(diào)門位置，到位后且11凝泵6kV開(kāi)關(guān)跳閘，主凝結(jié)水調(diào)門自動(dòng)投入。在凝汽器、除氧器水位平穩(wěn)后，將12泵出口電動(dòng)門由30%逐漸開(kāi)展。為保證主凝結(jié)水母管壓力不低于0.6MPa，#11凝泵最低頻率設(shè)定為30Hz（900轉(zhuǎn)/分）。 #11泵運(yùn)行有兩種運(yùn)行方式，即工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行。如變頻器正常，#11泵通過(guò)變頻調(diào)節(jié)

6、（旁路斷開(kāi)），操作順序?yàn)椋合群仙?11凝結(jié)水泵6kV開(kāi)關(guān)，再啟動(dòng)變頻器；如變頻器有故障，則需隔離變頻器、通過(guò)旁路工頻運(yùn)行，并通過(guò)主凝結(jié)水調(diào)門自動(dòng)來(lái)控制水位，操作順序?yàn)椋簩?11凝泵電源切換為旁路工頻狀態(tài)，合上#11凝結(jié)水泵6kV開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)11凝泵工頻運(yùn)行。#12泵退出備用。#12泵控制方式保持不變，#11泵此時(shí)需隔離變頻器，旁路在連通位置，處于工頻備用位置。如#12泵故障跳閘或母管壓力低，引起#11泵自投，這時(shí)#11泵在工頻狀態(tài)下運(yùn)行，并通過(guò)主凝結(jié)水調(diào)門來(lái)控制水位。如變頻器正常，#11泵通過(guò)變頻調(diào)節(jié)（旁路斷開(kāi)）；如變頻器有故障，#11泵隔離變頻器、通過(guò)旁路工頻運(yùn)行，并通過(guò)主凝結(jié)水調(diào)門來(lái)控制水

7、位。#11凝工頻運(yùn)行時(shí)，如#11凝泵6kV開(kāi)關(guān)跳閘，就應(yīng)聯(lián)動(dòng)#12泵；變頻運(yùn)行時(shí)不僅#11凝泵6kV開(kāi)關(guān)跳閘應(yīng)聯(lián)動(dòng)#12凝泵，而且如因變頻器跳閘也應(yīng)聯(lián)動(dòng)#12泵。 3、系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)凝結(jié)泵變頻改造后，設(shè)備增加，故障點(diǎn)增加，但系統(tǒng)通過(guò)以下安全措施能有效排除。動(dòng)力系統(tǒng)評(píng)價(jià):雖然增加了變頻設(shè)備，但保護(hù)沒(méi)有減少，分級(jí)保護(hù)仍然存在，動(dòng)力系統(tǒng)變頻改造設(shè)計(jì)初期就充分考慮了安全方面因素。當(dāng)變頻器故障或單臺(tái)泵跳閘時(shí)原有保護(hù)功能依然有效聯(lián)起備用，保證機(jī)組正常運(yùn)行，不會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行造成威脅?？刂葡到y(tǒng)評(píng)價(jià)：為了保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，采取了一套完善的保護(hù)措施Ø 流量保護(hù):設(shè)置最低轉(zhuǎn)速防止控制過(guò)程中電機(jī)不出水（防汽蝕）

8、,當(dāng)流量小于96kg/s,大于580kg/s，延時(shí)28秒停機(jī)。Ø 水位保護(hù):當(dāng)凝汽器水位小于400MM,A1低加,A2低加小于12600MM,A3低加小于1190MM,A4低加小于715MM,除氧器水位大于3070MM,延時(shí)20秒停機(jī)。Ø 溫度保護(hù):當(dāng)泵和電機(jī)軸承溫度超過(guò)100度也會(huì)跳機(jī)保護(hù)。Ø 轉(zhuǎn)速進(jìn)行高、低速設(shè)置，具備快加快減功能，在負(fù)荷突變或單臺(tái)泵調(diào)閘情況下提高系統(tǒng)反應(yīng)速度，降低水位變化速率，避免水位高、低值報(bào)警。Ø 在工頻泵運(yùn)行變頻泵恢復(fù)時(shí)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)并泵、退泵，避免工頻泵壓頭過(guò)高變頻不出水。實(shí)現(xiàn)變頻器向上調(diào)整的平穩(wěn)過(guò)渡。通過(guò)上述安全措施，再結(jié)合機(jī)組

9、本身特點(diǎn)及凝泵系統(tǒng)特點(diǎn)達(dá)到節(jié)能效果，同時(shí)對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行不構(gòu)成影響。三高壓大功率變頻器的技術(shù)特點(diǎn)1、技術(shù)參數(shù)配置凝結(jié)水泵數(shù)量：2臺(tái)（1用1備）凝結(jié)泵參數(shù)：水泵型號(hào)WKTA350/3額定流量（Qv,max）1920m3/h額定揚(yáng)程（H）3.17MPa額定功率（Pdn）2600kW配套電機(jī)參數(shù)：電動(dòng)機(jī)型號(hào)IRQ45604XZ64-Z額定電壓（U0）6kV額定功率（Pdn）2600kW額定電流（I0）285A轉(zhuǎn) 速（n0）1488r/min功率因數(shù)0.9HARSVERTA06/300參數(shù)如下表：額定容量3250KVA額定電流300A額定電壓6000V輸出頻率050Hz電機(jī)功率2600kW加減速時(shí)間0

10、3200s過(guò)載能力120%，1分鐘保護(hù)功能過(guò)壓保護(hù)，欠壓保護(hù)，過(guò)電流保護(hù)等2、HARSVERT-A高壓變頻器特點(diǎn)HARSVERT-A高壓變頻器屬于電壓型高-高變頻器，不需要另外加設(shè)輸出變壓器，只要將變頻器輸入端直接接在6kV的電網(wǎng)上，輸出端直接接到高壓電動(dòng)機(jī)上，連接簡(jiǎn)單方便。HARSVERT-A高壓變頻器整流電路采用36脈沖整流，逆變回路采用獨(dú)特的單相多電平PWM控制技術(shù)，從而構(gòu)成了對(duì)電源和電動(dòng)機(jī)都十分友好的雙完美系統(tǒng)，電源一側(cè)為完美無(wú)諧波輸入，電動(dòng)機(jī)一側(cè)輸出為完美的正弦波，直接連接原有凝泵電動(dòng)機(jī)，不需要大的改造，不需要增加輸出濾波器。 圖2：22Hz輸出波形 圖3：30Hz輸出波形通過(guò)對(duì)變頻

11、器輸出PWM波形（圖2、圖3）測(cè)量可以看出，這種波形正弦度好，dv/dt小，大大減少對(duì)電機(jī)和電纜的絕緣損壞，同時(shí)消除機(jī)械震動(dòng)帶來(lái)的軸承的損壞。HARSVERT-A高壓變頻器綜合運(yùn)行效率高、功率因數(shù)高。由于采用多級(jí)移相干式變壓器使電網(wǎng)側(cè)電流諧波大大減小，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，每個(gè)功率單元等效為一臺(tái)單相低壓變頻器。利用這種常規(guī)低壓變頻器的成熟技術(shù)，使可靠性提高，由于IGBT開(kāi)關(guān)頻率降低，使損耗減小，加之采用獨(dú)特的控制技術(shù)，變頻器綜合效率高達(dá)97%以上。由于電源輸入側(cè)36脈沖整流，功率因數(shù)超過(guò)0.95。HARSVERT-A高壓變頻器控制系統(tǒng)采用嵌入式一體化工控機(jī)

12、和PLC共同構(gòu)成，人機(jī)界面非常友好，實(shí)現(xiàn)多電平PWM控制和附加簡(jiǎn)易矢量運(yùn)算功能的V/f控制，控制響應(yīng)快、精度高。采用了光電隔離技術(shù)，使低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能。3、HARSVERT-A高壓變頻器的外部接口如圖4所示：圖4：HARSVERT-A高壓變頻器的外部接口圖4600MW凝泵高壓變頻器的特殊設(shè)計(jì)Ø 功率模塊的N+1冗余設(shè)計(jì)HARSVERT-A高壓變頻器采用6級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，變壓器為36脈沖輸入，每個(gè)功率單元的輸出電壓能力仍然為700V，在正常運(yùn)行模式下，由PWM調(diào)節(jié)每個(gè)功率單元的輸出電壓，功率單元的輸出電壓不用達(dá)到額定電壓

13、700V，即可保證電機(jī)運(yùn)行的需要。當(dāng)某個(gè)功率單元發(fā)生故障被旁路時(shí)，由于系統(tǒng)具有N1備份的功能，由PWM調(diào)節(jié)提高其余功率單元的輸出電壓，系統(tǒng)仍舊可以輸出6kV的電壓，滿足電機(jī)運(yùn)行的需要。新一代HARSVERT-A系列高壓變頻器采用單個(gè)單元模塊旁路控制方式（我公司已申請(qǐng)專利），當(dāng)一個(gè)功率單元故障時(shí)，此模塊自動(dòng)切換到旁路運(yùn)行，系統(tǒng)調(diào)節(jié)其它功率單元的輸出，維持輸出線電壓的平衡，對(duì)電機(jī)無(wú)任何影響。采用這種技術(shù)，可以最大程度的發(fā)揮系統(tǒng)的電壓輸出能力；當(dāng)某一相有兩個(gè)功率單元出現(xiàn)故障的情況下，系統(tǒng)仍舊可以輸出6kV的電壓。而早期的技術(shù)，當(dāng)A相有一個(gè)功率單元出現(xiàn)故障，還需要旁路B相、C相一個(gè)完好的功率單元，來(lái)維

14、持系統(tǒng)輸出電壓的平衡，這樣，當(dāng)某一相有兩個(gè)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)的電壓輸出能力將無(wú)法達(dá)到6kV。采用這種N+1備份方式，出現(xiàn)單元旁路時(shí)，不影響高壓變頻器對(duì)電機(jī)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。但是對(duì)輸入側(cè)（即電網(wǎng)）的電能品質(zhì)有一定的影響。當(dāng)有一個(gè)功率單元退出運(yùn)行時(shí)，變壓器的36脈沖構(gòu)成不再成立，由于總共有18個(gè)功率單元，因此將有1/18的電流諧波無(wú)法消除，由于變壓器的移相角度無(wú)法在線改變，這樣的缺憾在技術(shù)上是無(wú)法避免的。但是，這畢竟是一種非正常的運(yùn)行方式，而且1/18的諧波增加仍舊滿足一般標(biāo)準(zhǔn)對(duì)諧波的要求，因此能夠得到用戶的諒解。如果不是采用單個(gè)單元模塊旁路技術(shù)，由于一次要旁路三個(gè)功率單元，將有3/18=1/6的

15、諧波無(wú)法消除，對(duì)電網(wǎng)的諧波影響將較大。HARSVERT-A高壓變頻器針對(duì)邯峰電廠要求功率單元采用冗余設(shè)計(jì)，用700V功率單元做成6 級(jí)，采用了特殊的主控程序（N+1 備份的專用版本）所有功率單元正常時(shí)，電壓調(diào)制系數(shù)比正常的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備略低，當(dāng)有單元出現(xiàn)故障旁路時(shí)，則自動(dòng)提升調(diào)制系數(shù)，旁路一級(jí)時(shí)仍然能達(dá)到滿電壓輸出。當(dāng)12泵、11泵變頻泵切換時(shí)，利用變頻器的快速啟動(dòng)模式，20s內(nèi)快速啟動(dòng)到50Hz，同時(shí)凝結(jié)水調(diào)門切手動(dòng)，運(yùn)行人員手動(dòng)逐漸開(kāi)展主凝結(jié)水調(diào)門，降#11泵轉(zhuǎn)速，手動(dòng)調(diào)整水位正常后，再投入變頻自動(dòng)運(yùn)行。Ø 20s快速啟動(dòng)功能根據(jù)凝結(jié)水泵的工藝要求，兩臺(tái)水泵要真正實(shí)現(xiàn)互為備用，變頻水泵

16、必須能夠在2030s內(nèi)由0速啟動(dòng)到全速，為此針對(duì)凝結(jié)水泵的特殊工況進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，來(lái)滿足2030s內(nèi)將水泵由0啟動(dòng)到全速的要求。主要采取以下手段：選用比標(biāo)準(zhǔn)2600kW/6kV高壓變頻器具有更大電流承載能力的IGBT器件、電解電容和整流橋，提高變頻器的輸出電流能力，從而可以獲得較大的啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，加快電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間；變壓器容量、散熱器容量仍然按2600kW/6kV高壓變頻器設(shè)計(jì)，因?yàn)樽儔浩鞅旧砭哂休^大的短時(shí)過(guò)流能力，短時(shí)的大電流也不會(huì)在變頻器內(nèi)產(chǎn)生大的熱量，散熱器容量也沒(méi)必要加大，這樣可以將高壓變頻器的成本控制在合理范圍內(nèi)；從控制方式上，高壓變頻器啟動(dòng)時(shí)采用飛車啟動(dòng)功能將電機(jī)轉(zhuǎn)速在20s內(nèi)直

17、接升至命令頻率，按照轉(zhuǎn)速時(shí)間曲線進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，使得在一定的電流負(fù)載下，獲得總體較快的加速效果。過(guò)流保護(hù)設(shè)定上，采用不同的標(biāo)準(zhǔn)。在啟動(dòng)時(shí)段，變頻器內(nèi)部會(huì)將過(guò)流保護(hù)設(shè)定得較高，保證電機(jī)能在較大電流下啟動(dòng)。正常運(yùn)行時(shí)，高壓變頻器自動(dòng)將過(guò)流保護(hù)調(diào)整為120%每分鐘，以保證能對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)有效的過(guò)流保護(hù)。5、空水冷運(yùn)行效果由于HARSVERT-A大功率高壓變頻器4的散熱量采用風(fēng)冷卻已不能滿足設(shè)備正常運(yùn)行對(duì)環(huán)境的要求，為此，為用戶提供了一套空水冷方案，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有安裝簡(jiǎn)便、快捷，使用壽命長(zhǎng)、故障率低、免維護(hù)、周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。四節(jié)能效果現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)數(shù)據(jù)：項(xiàng)目單位改前改后改前改后改前改后機(jī)組負(fù)荷MW400400

18、500500660660#11凝泵6kV電流A1825019674218128#11凝泵流量kg/s 294268365335450430#11凝泵出口壓力MPa4.01.43.81.853.72.4主凝結(jié)水調(diào)門后壓力MPa1.21.11.61.552.22.1根據(jù)計(jì)算公式：Pd =×U×I×cos，求得各負(fù)荷點(diǎn)的工頻功耗和變頻功耗，如下表所示：負(fù)荷改前功耗改后功耗節(jié)電率400MW1342.89552.7858.84%500MW1548.04809.5147.71%660MW1903.041385.6427.19%通過(guò)對(duì)比可知各負(fù)荷點(diǎn)節(jié)電率情況如圖5所示圖5：各負(fù)荷點(diǎn)節(jié)電率情況圖如果按照平均負(fù)荷率為75%（500MW），年運(yùn)行時(shí)間為7200小時(shí)，年可節(jié)約電量568.88萬(wàn)kW·h，平均節(jié)電率44.58%。該項(xiàng)目在1-1.5年內(nèi)可收回投資成本。五凝泵調(diào)速后的其它優(yōu)點(diǎn)變頻調(diào)速不僅節(jié)能效益顯著，而且可以明顯改善系統(tǒng)的安全可靠性，有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。Ø 減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的最大啟動(dòng)電流為額定電流的7倍，星角啟動(dòng)為4.5倍，電機(jī)軟啟動(dòng)器也要達(dá)到2.5倍，變頻起動(dòng)時(shí)基本沒(méi)有沖擊。Ø 延長(zhǎng)設(shè)備壽命 采用變頻調(diào)速后，低負(fù)荷時(shí)避免了泵內(nèi)發(fā)生汽蝕，同時(shí)變頻調(diào)速?zèng)]有應(yīng)力負(fù)載作用于軸承上，延長(zhǎng)了軸承的壽命。 Ø