【摘 要】 介绍了Allen-Bradley高压变频器的原理、特点，阐述了高压变频器在凝结水泵上应用中遇到的问题，重点分析了对高压变频器在凝结水泵上的节能应用情况。
【关键词】 高压 变频器 凝结水泵 应用
Abstract：This paper introduces the principle and characteristic of high voltage frequency converter. It analyzes the problem in the condensate system in Weihai power plant. It introduces the measures dealt with the problems in the commissioning stage and the operational process.
Key Words：high voltage frequency converter saving energy application
　　　山东东部某电厂现有2台300MW凝汽式发电机机组运行，随着电网内大机组的相继投产,该厂的调峰任务越来越重,峰谷差日益增大,根据现场运行资料统计,300MW机组每日的负荷一般在200MW左右。而目前在已投运的大型火电机组中，凝结水泵大多采用110%容量、一用一备的配备运行模式。由于除氧器水位一般依靠出口水位调节阀开度进行控制，所以节流损失很大。随着高压变频调速装置可靠性的提高，应用领域不断扩大，对凝结水泵进行变频改造成为现实。在实际改造中，凝结水泵的控制方案比风机变频复杂的多，本文试图对凝结水泵变频改造中可能出现的问题作一番探讨。
　　　1 凝结水泵改造前的运行工况
　　　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。山东东部某电厂300MW配两台9LDTNA-4型凝结水泵，额定流量870m3/h，扬程270m，泵效率81%，轴功率790kW，转速1480r/min；配套电动机型号YLS560-4,电压6kV,电流114A,功率1000kW, 功率因数0.87，转速1486r/min，效率95.3%。
　　　凝结水主要用户包括汽轮机低压轴封减温水、凝汽器喷水、真空泵补充水、定子冷却水补充水、高压加热器疏水扩容器减温水、低压旁路减温水等。凝结水系统如图1所示。变频前凝结水系统运行过程中存在如下问题：
　　　（1）除氧器水位是通过改变除氧器上水调整门开度进行的，因出口压力较高、扬程的富裕量大，造成节流损失大。
　　　（2）除氧器上水调整门前后的压损大，易使阀门受到严重冲刷而泄漏，造成更换频繁。
　　　（3）机组负荷发生变化时，只能靠调整阀门来调节，控制比较困难。
　　　（4）阀门调节线性度差，调节品质差，同时由于频繁的对上水调整门进行操作，导致阀门的可靠性下降。
　　　（5）机组负荷低，凝结水泵电动机出现大马拉小车现象，浪费大量电能。
　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1　 凝结水系统图
　　　2 变频器结构与原理　
　　　变频调速装置可以使电动机根据机组运行需要，调节其转速，使电动机消耗功率大幅度下降，因此该厂选用加拿大罗克韦尔自动化公司（ALLEN-BRADLEY）生产的6kV变频器进行凝结水系统改造，凝结水系统电气一次接线图见图2。变频器型号AB-1557 PWM DRIVE高压变频器，输入频率50Hz±3%，输入电压6000V±10%，输出电流0～120A，输出电压0～6000V，输出频率0～75Hz，输出功率1000kVA， 输出谐波分量小于5%，满载满速度时的效率大于98%。
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 电气一次接线图
　　　AB高压变频器，采用了可关断晶闸管（GTO）功率半导体和脉宽调制方式，如图3所示（为了抑制谐波分量，可采用12脉冲整流或18脉冲整流，此图是6脉冲整流）。AB变频器是电流源型变频器，该装置中无低压变频模块，不需降压/升压变压器，采用了高压元件，功率结构简单，6.5kV功率器件（GTO、SCR）的使用及独特的功率模块设计，导致了极少数器件数量，因此系统简单，可靠性高。无dv/dt冲击，不会影响到电动机绝缘。采用12或18脉冲整流器，可以使电流谐波大大减小。逆变器采用可关断晶闸管GTO，易于通断，实行PWM控制。电动机端的电容器可以用来消除电动机在高频运行时的主要谐波成分。该变频器无需任何额外投资即可实现四象限运行（正反旋转方向和再生制动）；由于电流型变频器固有的限流特性，因而具有可靠的短路电流保护。变频装置设有过负荷即过流保护、过压、低压、缺相等保护，灵敏度很高，可以对变频器内部的以及电机故障进行自动监测，保护电机的安全运行。
　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 高压变频器主回路　
　　　3 变频改造方案
　　　9LDTNA-4型凝结水泵设计时有一定裕量，1台机组配备2台凝结水泵，1台运行，1台备用。通过对机组凝结水系统和凝结水泵运行方式、动力系统结构的分析认为，凝结水泵属一用一备运行方式，因此采用一拖二方案既无必要，也浪费一台开关，因此提出一拖一工/变频手动切换控制方案，即只将互为备用的2台凝结水泵中的2号凝结水泵M2）改造为变频调节。凝结水泵变频改造系统如图4所示。
　　　改造为高压变频器后，凝结水泵变频运行时，凝结水至除氧器副调节阀保持全开，主调节阀全关，1号凝结水泵工频备用，仅在倒泵过程中由上水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。
　　　正常运行方式是：变频器控制2号凝结水泵，保持变频运行。1号凝结水泵控制回路不变，仍为工频备用。当2号凝结水泵变频器发生故障，立即联锁启动1号凝结水泵工频运行，使用原来的水位调节方式。
　　　改造时，增加了3把刀闸，以及刀闸之间的电气闭锁。运行中变频器故障紧急跳闸变频器6kV开关（2QF）。
　　　变频运行时，D₁刀闸在“分”位，合上转换刀闸柜上的D₂、D₃刀闸，相应变频运行指示灯燃亮；工频运行时，转换刀闸柜上D₂、D₃刀闸在“分”位，合上转换刀闸柜上的D₁刀闸，此时变频器将被完全隔离，相应工频运行指示灯燃亮。
　　　刀闸柜内D₁、D₂、D₃刀闸通过机构连杆实现连锁。即：工频运行刀闸D1在“合”位时，变频刀闸D₂、D₃刀闸不能合闸；而变频刀闸D₂、D₃刀闸在“合”位时，工频运行刀闸D₁不能合闸。
　　　刀闸与柜门间通过柜门锁闭锁，并引入变频器闭锁回路。工作状态，柜门无法正常打开，更不允许强行打开。工频、变频刀闸切换时，通过“变频运行”、“工频运行”信号灯监视刀闸操作是否到位。
　　　工频、变频刀闸柜内刀闸切换操作，必须在电源开关停电情况下进行切换操作，严禁6kV开关在“工作”位置时切换刀闸。
　　　刀闸闭锁功能仅闭锁防止误合操作，不能防止误分操作，为此运行中严禁操作刀闸，防止带负荷拉刀闸。
　　　2号凝结水泵变频器电源侧开关设有变频器故障联跳2QF开关出口压板，即变频器投运前，投入“变频器联跳2QF开关”出口压板；由“变频”改“工频” 运行前，解除“变频器联跳2QF开关”出口压板。
　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　图4 凝结水泵变频改造系统图

　　　4 改造中应注意的一些技术问题
　　　（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2.8MPa。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，所以凝结水母管压力低联锁值应重新整定，但不能太低。例如设定变频调速系统的最低转速为30Hz（变频器最低转速设为750r/min）。
　　　（2）变频凝结水泵变频运行时，凝结水至除氧器副调节阀全开，主调节阀全关，所以凝结水母管压力最低低至0.85MPa。为了保证定速凝结水泵低水压不动作（工频运行时定值为1.8 MPa），将定值修改为低于0.6MPa，联动备用泵，母管压力0.7 MPa时热控光字牌报警。变频器跳闸，系统发出12s脉冲信号，将除氧器水位总手操指令由50％减至20％，对应副调节阀开度约在43％左右，其它热控保护不变。
　　　（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）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，因此在由变频切到工频运行时应适当关小除氧器水位调节的两个调节门的开度，以免除氧器水位过高。
　　　（5）改造前，正常情况下凝结水母管压力为2.5MPa左右。当母管水压低于1.8MPa或运行的水泵发生故障时，备用水泵必须在5s内启动到全速运转，提升到1.0MPa，否则系统联锁保护动作。变频改造后，凝结水泵正常切换时，必须先启动变频泵，水压足够后再关停工频泵。当变频泵故障，2QF跳闸联锁启动工频泵M1，此时，人工断开QS1和QS2，并合上QS3，使M2泵处于工频备用，禁止M2泵变频备用。
　　　5 改造后的运行措施
　　　改造后变频凝结水泵长期运行，定速凝结水泵只作备用。为了保证变频凝结水泵安全的运行，定速凝结水泵处于良好的备用，以及凝结水供给其它辅助设备的安全运行，制定以下运行措施。
　　　（1）正常运行时变频凝结水泵运行、定速凝结水泵投入备用，上水调整门开度控制在90%～97%，利用变频凝结水泵的变频器对除氧器水位进行自动调节。低负荷时可以关小上水调整门维持凝结水压力不低于1.2MPa，凝结水泵转速不低于750r/min，确保变频凝结水泵和凝结水供给其它辅助设备的安全运行。
　　　（2）每月定期对凝结水泵进行切换运行，凝结水泵启动试验时间不少于15min，以保证备用凝结水泵处于良好状态。
　　　（3）机组停机时，负荷达到150MW时应手动调整变频器转速和凝结水至除氧器调整阀，维持凝结水母管压力1.8～2.0MPa，机组停运后维持最低转速运行。
　　　（4）机组启动过程中维持凝结水母管压力1.8～2.0MPa运行，以保证其他辅助设备有足够压力的冷却水，如低压旁路减温水、疏水扩容器减温喷水、低压缸减温喷水等。机组负荷升到150MW后，逐渐开启凝结水至除氧器调整门，恢复M2凝泵变频转速自动运行。
　　　（5）变频器异常信号发出，应及时联系电气检查处理，同时将M2变频倒为M1工频运行。停运变频时，转速到零方可拉开M2凝泵工频开关。
　　　（6）如M1凝泵联动，凝结水至除氧器调整门未联关（至25%），应快速关调整门至负荷对应开度以下，避免凝汽器水位大幅下降，导致保护动作凝泵跳闸。
　　　6 变频节能应用效果
　　　(1)节约厂用电量　
　　　凝结水泵变频改造前后的3号机组试验结果见图5（试验时，当2号凝结水泵变频运行，凝结水至除氧器副调节阀保持全开，主调节阀全关，1号凝结水泵工频备用。2号A凝结水泵在相同负荷时工频、变频运行的实测功率）　
　　　　　
　　　　　　　　　　图5 2号凝结水泵相同负荷时工频、变频运行的实时功率
　　　计算表明，当机组负荷在300～160MW负荷之间变化时，2号凝结水泵变频运行节电率在15%～70%之间，机组负荷率越低，变频器节电效果越明显。当负荷平均运行在210MW时，节电率达到55％。
　　　(2)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6～7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。因此凝泵变频运行延长了电动机和开关的使用寿命：避免了启动电流、启动转矩对电机的冲击，延长电机使用寿命。
　　　(3) 减少设备磨损改频后电动机转速一般工作在40Hz左右，电机转速比较低，减轻了对水泵叶片磨损和轴承的磨损，延长了水泵的使用年限，降低了检修费用。
　　　(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，噪音大幅度地降低，当转速降低60%时，凝结水泵附近1.5m噪音水平测试88dB,比工频运行时的105dB减少17dB。同时克服了由于调整门线性度不好，调节品质差，引起管道锤击和共振，造成凝结水系统上水管道强烈震动的缺陷，凝结水泵的运行工况得到明显改善。
　　　(5)能够实现机组的自动控制
　　　以前机组负荷发生变化，只能靠调整阀门来调节，控制比较困难。变频调速装置配有计算机接口，可以很方便地与DCS系统联接，很容易实现机组自动控制。并且变频调速可以直接通过增减频率来调整，操作非常简单、灵活。　　
　　　7 参考文献
　　　[1] 朱军等. 国产高压变频器在漳山电厂凝结水系统的应用[C].全国火电大机组（300MW级）竞赛第36届年会论文集.2007.8甘肃，兰州：7-12.
　　　[2] 李青、赵继武等.循环水泵高压变频自动控制系统[J].山东电力技术，2001.5：47-48.
　　　[3] 李青、胡竹玲.火力发电厂高压变频调速系统的选择[J].华北电力技术，2002.5：31-34.
　　　[4] 李青，高山，薛彦廷.火力发电厂节能技术及其应用[M].北京：中国电力出版社，2007.8.