高压变频器在电厂循环水泵上的应用

　　1前言

　　广西信发铝电有限公司氧化铝厂和电解铝厂属于耗电大户，需要大量的用电，如果仅用国家电网的电的话，一个是成本高，另一个时电力紧张时生产受到限制，另外电厂的二次蒸汽又是氧化铝厂需要大量使用，所以铝电基地一般都有自己的自备电厂。

　　公司电厂有3台155MW发电机组(汽机)，4台520t/h 锅炉(3用1备)，厂区如图1所示。每一台汽机都具有2台循环水泵(甲、乙循环泵)，整个电厂有6台循环水泵。汽机正常情况下，甲、乙循环泵只开一台，另一台作为备用，循环水泵每3个月倒换一次。循环水泵电机有两个抽头，高速495rpm，功率1600kW;低速425rpm，功率1250kW/1120kW。调速办法，夏季供水量大，使用电机高速;冬季供水量小时，使用电机低速。

　　在循环水系统中，是由循环水泵实现水资源的循环利用的，凝汽器出口的热水进入冷却水塔，循环水的热量传递给大气温度降低后，再经循环水泵提升有压力后进入凝汽器进行冷却低压缸排汽，由于系统水位基本是稳定的，故循环水泵的扬程也基本稳定，也就是说循环水量的大小决定了循环水泵的耗电量。

　　由于机组负荷及外部环境不断变化，真空也在不断变化，因此需要及时调整循环水量，保证机组的安全、经济运行。在冬季正常运行时，一台循环水泵低速运行足以满足机组的冷却需要，但在温差大的季节、负荷变化大以及春、秋季等的时候，循环水泵虽然高、低速双速调节方式，但是不能保证机组在经济运行的方式下运行，致使厂用电率高，发电成本高，因此有必要对循环水泵进行变频改造。

　　利用高压变频器根据实际需要对循环水泵电机进行调速，进而调节水泵的冷却水量大小，既可以降低电动机的功耗，又达到最有利真空的控制目的，从而达到了既保证和改善发电机组运行工况，又可达到节能降耗的目的和效果。

　　为了降低厂用电率，减少发电成本，公司电厂领导决定在1#、2#、3#发电机组6台循环水泵上采用山东新风光电子科技发展有限公司生产的3套1600kW /6 kV高压变频器对3台发电机组循环水泵分别进行改造。

　　2 改造设备现场参数

　　1#、2#机组4台循环水泵型号相同，以1#机组甲循环水泵为例说明，设备现场如图2所示。

　　3 风光JD-BP37系列高压变频系统技术参数

　　山东新风光电子公司生产的风光牌JD-BP37系列高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，其谐波指标远小于IEE519-1992的谐波国家标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器;不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。2007年9月，风光牌JD-BP37系列高压变频器荣获“中国名牌”称号。

　　JD-BP37-1600F高压变频器技术参数如表3所示。

　　4 循环水泵变频控制原理

　　由汽轮机的运行原理可以知道，运行中的凝汽器压力主要取决于蒸汽负荷、冷却水入口温度和冷却水量，冷却水温主要取决于自然条件，因此，在蒸汽负荷一定的情况下就只有靠增加冷却水量来提高凝汽器的真空。但是凝汽器的真空并不是提高的越高越好，只有当由于真空提高汽轮机多发电量与为增加循环水量所多消耗电量差值最大时为最经济。当变频循环水泵运行时，由机组DCS系统确定机组的最佳真空去调节循环水泵的运行转速，即控制循环水量使机组的真空维持治安最佳状态下运行，保证机组在经济状态下运行。

　　5变频改造控制方案

　　5.1方案介绍

　　变频调速系统操作方面，有远程控制和本地控制两种控制的方式，这两种控制方式可提高系统的安全性能。通过目前电厂已有的DCS对高压变频器运行状态进行监控，通过远控和本地对变频器进行控制。

　　为了保证发电机组安全运行，在变频运行工作模式下，变频器、水泵发生故障跳开高压断路器时，需要将备用的循环水泵自动投入运行。

　　变频调速系统接入发电机组现有的DCS系统。DCS根据机组的负荷情况，按设定程序实现对锅炉循环水泵转速的自动控制。变频器需要提供给DCS的开关量输出包括故障报警、就绪指示、运行指示、高压合闸允许、联跳高压信号、水泵旁路开关合闸信号、变频KM1合闸信号;DCS需要提供给变频器的开关量包括：变频启动(干节点，闭合时有效)、变频停止(干节点，闭合时有效)、变频急停(干节点，闭合时有效);DCS需要提供给变频器的模拟量有：2路4～20mA的电流源输出，一个信号是循环水泵频率给定，作为变频器的转速给定值，另一个信号是循环水泵母管压力给定;用于变频器需要提供给DCS的模拟量有：2路4～20mA的电流源输出，模拟输出对应的物理量为输出频率和输出电流;现场提供给变频器的模拟量有：1路4～20mA的电流源输出，表示变频泵的出口压力。

　　变频器具有手动/自动控制方式。选择手动控制方式时，变频器调速不通过PID控制器，由本地和远控调速按钮进行调速，从而改变水泵的流量，达到手动调节凝汽器真空的目的。选择自动控制方式时，通过循环水泵调速由操作人员通过DCS系统的CRT上的模拟操作器，设置凝汽器真空给定值，安装在凝汽器上的真空变送器其测量值作为过程控制变量的反馈值，与给定值进行比较。当真空变送器测量值小于给定值时，PID控制器的输出使变频器速度增大，水泵流量增大冷却加速。反之，PID控制器的输出使变频器速度减小，水泵流量减少冷却减速，直到测量值与给定值相等时，电机转速稳定在某一值不变。实现循环水泵转速的自动控制，从而达到水泵调节的目的。

　　5.2现场有关信号对接

　　1#、2#、3#循环水泵由于距离高压断路器太远，而且经过的地方全部是水泥路面，所以无法直接铺设高压变频器与现场高压断路器的联锁控制信号线。

　　高压断路器与高压变频器的联锁信号有3个，第一个高压合闸位信号(即断路器常开辅助)，第二个高压允许合闸信号(指工、变频高压允许合闸信号，即工、变频回路未具备合闸条件，不允许合高压断路器)，第三个联跳高压开关信号(当变频器出现重故障，无法正常运行，或设备出现紧急情况需要急停时，分开断路器，保护变频器和设备)。为了达到二者联锁控制的要求，我们决定通过DCS控制系统进行中转来达到相同的控制目的。

　　第一个信号：DCS采集到断路器的合闸位信号经过DCS处理以后，传输到高压变频器。以甲循环泵高压合闸位信号采集过程为例说明，若高压合闸位接线如图3(a)所示，这中间存在一个问题。DCS输出的干接点信号是不允许220VAC进入的，否则容易烧毁DCS的模块卡件，我们做了一个处理加了一个24VDC中间继电器进行隔离。如图3(b)所示。这样做把220VAC隔离出来不进入DCS系统，又实现了功能。

　　第二个信号：高压允许合闸信号，J4为甲循环泵变频回路允许合闸继电器常开触点(PLC输出，允许常闭，不允许常开，干接点)，与工频回路QS13高压隔离开关辅助触点并联，为QF1合闸允许线圈得电条件，接入DCS，经过DCS中转后，控制QF1合闸允许线圈是否得电。接线如图4(a)所示。同理，乙循环泵高压允许合闸信号接线与甲循环泵一样，接线如图4(b)所示。

　　第三个信号：联跳高压开关信号，J3为甲循环泵联跳高压动作继电器常开触点(联跳动作常闭，不联跳常开，干接点)，属于PLC输出，与QS11、QS12辅助常开触点串联后，直接与DCS对接，DCS采集到动作信号后，实现高压断路器分闸动作逻辑，保护高压变频器，接线如图5(a)所示。同理，乙循环泵联跳高压开关信号接线与甲循环泵一样，具体接线如图5(b)所示。

　　6 变频改造主回路介绍

　　电厂循环水泵系统变频改造采用1#、2#、3#机组的2台循环水泵分别共用一套高压变频器。高压变频器采用一拖二手动旁路方案，即配备三台高压变频器。

　　6.1变频改造主回路控制原理

　　以1#机组甲、乙循环水泵为例说明其控制过程，其一次系统接线图路如图6所示，通过切换高压隔离开关把高压变频器连接到要运行的水泵上去。高压变频器即可以拖动甲循环水泵电动机变频运行，也可以通过切换拖动乙循环水泵电动机变频运行。两台水泵电动机均具备工频旁路功能。

　　QF1和QF2分别为1#机组甲、乙循环水泵电源高压断路器;

　　QS11和QS21分别为1#机组甲、乙循环水泵变频电源高压隔离开关;

　　QS12、QS22、QS13、QS23为变频器旁路开关柜高压隔离开关;

　　变频器为风光JD-BP37系列高压变频器。

　　变频器控制电机为一拖二控制，旁路开关柜用于工/变频切换。QS11和QS21为2个高压隔离开关，变频器运行时，要求QS11和QS21同时闭合。QS12闭合，QS22断开，QS13断开，甲循环水泵变频运行;QS12断开，QS13闭合，甲循环水泵工频运行;QS22闭合，QS12断开，QS23断开，乙循环水泵变频运行;QS22断开，QS23闭合，乙循环水泵工频运行;其中，QS12与Q13、QS22实现电气互锁，QS22与Q23、QS12实现电气互锁;将控制柜“远控/本控”开关打至“远控”位置，将相应水泵断路器“就地/远方”开关打至“远方”位置，可实现水泵的远控操作。

　　6.2水泵变频运行故障时控制过程

　　以1#机组甲、乙循环水泵为例说明其控制过程，当甲循环泵变频运行时，乙循环泵处于工频热备状态。如图7所示，QF1、QS11、KM1、QS12、QS23均为闭合状态，当甲循环泵出现故障(变频故障、电机故障)，联跳前级的QF1高压断路器，同时控制QF2高压断路器自动合闸，乙循环泵投入工频运行，实现甲、乙循环泵的联锁保护，同时，水泵电磁阀门的控制逻辑按照相应的操作规程进行配合操作。反之，当乙循环泵变频运行时，甲循环泵处于工频热备状态。当乙循环泵出现故障时，切换过程与上述过程同理。

　　7循环水泵变频改造应用效果

　　1#、2#、3#机组循环水泵高压变频器于2011年6月一次正式投入使用，至今运行正常。1#、2#、3#机组循环水泵高压变频器现场运行如图8所示。变频运行后，由机组DCS系统确定机组的最佳真空去控制循环水泵的转速，变频器操作非常方便，深受现场操作工的欢迎。

　　2011年7月厂节能服务中心随机对1#机组甲、乙循环水泵高压变频器进行了测试，记录数据如表4所。

　　2010年7月与2011年7月相比，1#机组平均负荷基本为118MW左右，循环水泵工频运行数据为：电网电压6.2kV，电机电流163A左右，功率因数0.82，管道压力0.2MPa，机组平均真空度为90.5%左右。从运行数据看出，1#机组变频改造后，输入电流明显减小，机组真空度得到了提高，节电效果是明显的。

　　7.1节约标煤

　　2010年7月真空度：90.5%，对应排汽温度查表得44℃;2011年7月真空度：92.8%，对应排汽温度查表得41℃。2011年与2010年同期比较，变频泵启动后排汽温度下降3℃，真空度每提高1%，节约标准煤耗3.1g/kW•h。所以2011年7月较2010年7月真空度提高2.3%，节约煤7.13g/kW•h，全月发电量8781.6万kW•h，因此节约煤：87816000×7.13/1000000×560元/t标煤 =35.06万元。

　　7.2节电

　　变频泵自投运以来，据统计月平均耗电，比运行一台工频泵节省厂用电26.8万kW•h。节省费用：26.8万kW•h×0.2元/kW•h=5.36万元。

　　综上，月平均产生经济效益：35.06+5.36=40.42万元。

　　自循环水泵高压变频器投运以来，循环水系统可调节性能大大增强。不但节约了电能，降低了循环用水量，而且降低了发电煤耗，取得了较好的综合效益。

　　8 结束语

　　在电力行业，越来越多的高压大功率辅机设备采用高压变频调速技术进行调速控制，不仅可以取得显著的综合效益，而且也得到国家产业政策的支持，是电厂节能降耗的一个有效的途径，代表了今后电力行业节能技改的方向。