国产高压变频器在发电厂凝结水泵上的应用

　【摘  要】
本文介绍了凝结水泵应用高压变频调速的技术和经济分析。

【关键词】
高压变频器   凝结水泵   节  能

【Abstract】
This text introduces to condense the water pump application high voltage frequency conversion adjust soon of technique and economic analysis

【Key words】
High-voltalge inverter  Condense the pump of water  Energy saving

1、前言
　　中国大唐集团公司陡河发电厂位于河北省唐山市，目前拥有八台装机容量总共1550兆瓦的机组，2004年我集团公司决定在陡河电厂、高井电厂对部分水泵采用高压变频器调速装置，我公司在国际上公开招标采购高压变频器。东方日立（成都）电控设备有限公司为国内唯一中标单位，并一举中标6台高压变频器。其中陡河电厂#5、#6、#7、#8机组4台凝结水泵电机上分别加装一套东方日立（成都）电控设备有限公司生产的DFCVERT-MV375/6B高压变频器装置。

2、凝结水泵的运行工况
　　在汽轮机内做完功的蒸汽在凝汽器冷却凝结之后，集中在热水井中，这时凝结水泵的作用是把凝结水及时地送往除氧器中。维持凝结水泵连续、稳定运行是保持电厂安全、经济生产的一个重要方面。监视、调整凝汽器内的水位是凝结水泵运行中的一项主要工作。在正常运行状态下，凝汽器内的水位不能过高或过低。当机组负荷升高时，凝结水量增加，凝汽器内的水位相应上升。当机组负荷降低时，凝汽器内水位相应降低。 #5、#6、#7、#8发电机组(200MW)凝结泵电机为6kV/300KW电机，设计时有一定裕量，每台机组配备二台凝结泵，一台运行，一台备用。

　　没有使用变频器之前，凝汽器内的水位调整是通过改变凝结水泵出口阀门的开度进行的，调节线性度差，大量能量在阀门上损耗。同时由于频繁的对阀门进行操作，导致阀门的可靠性下降，影响机组的稳定运行。

　　使用高压变频器后，凝结水泵出口阀门基本不需要调整，阀门开度保持在一个比较大的范围内，通过调节变频器的输出频率改变电机的转速，达到调节出口流量的目的，满足运行工况的要求。

3、DFCVERT-MV375/6B的原理以及技术特点。

1）DFCVERT-MV375/6B的原理
　　变频装置采用多电平级联技术，6kV系统结构见图1，由移相变压器、功率单元和控制器组成。6kV系列有18个功率单元，每6个功率单元串联构成一相。

　　每个功率单元结构以及电气性能完全一致，可以互换，其电路结构见图2，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图3所示的波形。


　　输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，构成36脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。


　　输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接成星型接法直接给高压电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图4所示的阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。

2）主要技术特点
a. 输入谐波小
　　DFCVERT-MV375/6B变频器使用了“多重化移相整流技术和单元电平串连叠加技术”，符合GB/T14549－2002及IEEE519-1992对电压、电流谐波失真严格的要求。这项技术比之“三电平技术”、“电流源型变频技术”、“串极调速技术”等技术方案有极大的技术优势，输入输出谐波限制指标较大地高于上述技术。使用时，变频器对同一电网上用电的其它电气设备不产生谐波干扰。还能防止与其它变频调速装置之间的“串并联干扰”。因此完全不需要用户另外配置谐波治理装置，从而为用户节省安装谐波滤波装置的费用。

b.高功率因数
　　DFCVERT-MV375/6B变频器在整个调节范围内都可维持高功率因数，标准值达到0.96以上，负载极小时功率因数也可以达到0.9以上（见图1）。

图1. 功率因数变化比较示意图

　　图1曲线比较了DFCVERT-MV375/6B电压源型变频器和调速技术的功率因数情况，从图上我们可以看到，电压源型变频调速技术比电流源型变频调速、串极调速、电磁离合式电机等技术的功率因数高出很多，采用电压型变频器完全不需要增加功率因数补偿设备，而其它技术则需要增加专用的功率因数补偿设备。

c.高效率
　　DFCVERT-MV375/6B变频器具有>95%的高效率(最高可达97.5%)，特别是低转速时的效率比之其它调速技术有非常大的技术优势，远比其它调速技术的效率（30%～80%）高得多。见图2：


图2. 电压源型变频器与其它调速技术的效率对比图

d.输出脉动转矩小
　　DFCVERT-MV375/6B变频器不需要外部输出滤波器就可提供正弦输出电压，变频器有较低的输出电压失真，不增加电机的运转噪音。我公司变频器大大降低了输出的谐波电流（低于4%），避免了电机发热和转矩脉动。从而减少了设备上的电应力和机械应力。

图6-2 实测出的变频器输出电压与输出电流波形

e.节能效益明显
　　使用DFCVERT-MV375/6B变频器可根据负载特性进行设定，自动调节电机转速与负荷匹配，达到节能的目的。根据流体力学理论以及风机方程，能耗与电机转速成立方关系，采用变频器调节电机转速可以产生明显得节能效果。如果电机转速运行在80%额定转速，其功耗即可降至(0.8)3≈50%。

f.可靠性高，维护方便
　　DFCVERT-MV375/6B变频器采用单元模块化技术方案，便于设备的维护和维修。IGBT模块的驱动和保护采用高可靠性专用驱动模块电路，电子元件和部件均通过高温老化试验。

　　DFCVERT-MV375/6B变频器变频单元组件具有互换性，若出现故障，可在几分钟内用简单工具进行更换维修。

g.电机软启动，无冲击电流
　　DFCVERT-MV375/6B变频器对电机进行软启动，根据电机的现场使用要求，我们可以改变电机的启动时间而得到多条电机启动曲线，使得电机在带上负载后完好地适应负载和工艺要求，并且保证启动过程对电网不会产生冲击电流，可确保电机的安全运行并延长其使用寿命。

h.
　　降低电机磨损,延长电机和轴承使用寿命，节省维护费用使用DFCVERT-MV375/6B变频器降低电动机转速不仅能达到较好的节能目的，而且电动机及其负载的机械磨损也大大降低，延长电机的使用寿命，还可明显为用户节省维护费用。

i．单元旁路功能
　　这种功能是一种快速地、自动地切除出现故障单元而保证系统继续正常运行（或减额运行）的方法。当功率单元出现故障时，故障报警信号经由通讯电路传输给主控系统，主控系统接到故障信号后，经过故障种类判断，对系统的各种信号协调，在条件满足后，用最短的时间将出现故障的功率单元进行旁路切除。主控系统通过改变算法，重新计算输出波形，保持输出电压波形的完整，同时向用户发出报警信号，并且自动对输出功率进行调整，使扰动降至最低，保证系统正常运行。

j. 瞬时停电再启动功能
　　实际现场中，当高压母线进行切换、母线上电动机成组自起动、母线上大电机起动时会造成高压电网瞬间闪动，变频器若不具备瞬停功能，会立即停机，而电机带负载会存在机械惯性，在电源恢复后电动机的速度尚未降到零，等待重新起动又会经过相当长的时间，会给生产造成重大的经济损失。DFCVERT-MV375/6B变频器具备的瞬时停电再起动功能，可以根据电源恢复时电动机自由旋转的实际速度计算出对应的输出频率，以此频率为起始频率使电动机重新起动并加速到停电前的运行状态，以适应不允许停电设备的需要。现场测试瞬时停电再启动的电流波形如下图。



4、改造后的效益
　　根据运行记录，变频器的运行电流最大20A，最小10A，根据负荷大小在10-20A之间。工频运行时电流为29.2A。全年按照8个月计算。
1）最低负荷时，投入一台变频器后，估算年节电量为：158 kW×5760 h=910080 kWh，年至少节省电费：910080 kWh×0.327元/kW.h≈29.8万元；

2）全年满负荷运行时，投入一台变频器后，估算年节电量为：105kW×5760 h=604800 kWh，年至少节省电费：604800 kWh×0.327元/kW.h≈19.8万元；

　　年至少节省电费：604800 kWh×0.327元/kW.h≈19.8万元；不到两年就可收回成本。

5、结束语
　　自去年12月份变频器投入运行以来，变频器运行稳定，高压变频装置由于其节能效果明显，采用变频调速后，实现了电机的软启动，延长电动机的寿命，同时由于不需要反复的开关阀门，减少了阀门的磨损，总之，使用高压变频器后实际产生的效益不仅仅如此，值得大力推荐和应用。

参考文献：
[1]  吴忠智 吴加林   变频器应用手册     机械工业出版社
[2]  用户手册        东方日立（成都）电控设备有限公司
[3]  韩安荣          通用变频器及其应用 机械工业出版社