HARSVERT—A高压变频器助力华能邯峰电厂节能增效

摘要：邯峰电厂是国家“九五”期间河北省最大的中外合资项目，其先后建成2台660MW燃煤发电机组是华北地区单机容量最大的发电机组，此次其凝泵变频改造是国内660MW机组的首次成功应用，为今后600MW以上机组应用国产高压变频器进行改造提供了良好的成功应用经验。

关键词：660MW燃煤发电机组 凝结泵 变频调速改造

一、概况

邯峰电厂一期工程为2台66万千瓦机组，该工程由中德双方共同设计，是国家“九五”期间河北省最大的中外合资项目。该厂位于河北省邯郸市，厂区占地73.54公顷，规划容量2400MW，一期工程于2001年3月26日、9月1日先后建成2台660MW燃煤发电机组投入商业运营，是华北地区单机容量最大的发电企业。邯峰发电厂主设备代表着上世纪90年代末期的国际先进水平。该厂汽轮发电机、电气仪控系统采用德国西门子设计制造的设备。辅机主要有2台全容量凝结水泵，2台半容量汽动给水泵，1台35%容量电动给水泵，3台半容量循环水泵。

凝结泵是汽轮机热力系统中的主要辅机设备之一，它的作用是把凝汽水箱的凝结水经低压加热器加热后送入除氧器内维持除氧器水位平衡。系统采用传统的配置，凝结水通过凝结水泵升压后，经过轴封加热器、4台低压加热器后送入除氧器。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。

图1：凝结水系统的工艺简图

机组在满负荷情况下，凝结泵出口调节阀开度都在40％～60％之间运行，50%负荷至100%负荷间压差较大，阀门一直处在节流状态下工作，节流损失大。由于机组参与调峰，凝泵主辅机设备具有较大的调整空间，在低负荷时，凝泵出力不变，造成很大浪费。利用高压变频器对凝结泵进行变频控制，实现凝泵给水流量的变负荷调节。这样，不仅改善了调节品质，而且提高系统运行的可靠性；降低了机组的补水量，改善了系统的经济性，节约能源，为降低电厂厂用电率提供了良好的途径。

二、控制系统方案

1．凝结泵的运行工况

凝结泵电机使用德国西门子立式电机，2600kW/6kV，每台机组配备2台凝结泵，运行方式为一用一备。

调节凝汽器内的水位是凝结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。

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，凝结水泵出口阀门不需要频繁调整，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。

2、系统运行状态的控制

在正常工况下，DCS优先选择#11凝结水泵投入运行，并根据凝汽器水位进行变频调速控制，调节凝结水泵。此时主凝结水调整门处于全开状态。如果#12泵开关一旦合闸（不管其他条件），主凝结水调门可根据负荷大小分别调600MW时调整至40%，300MW时调整至30%，其它负荷按此直线斜率确定调门位置，到位后且＃11凝泵6kV开关跳闸，主凝结水调门自动投入。在凝汽器、除氧器水位平稳后，将＃12泵出口电动门由30%逐渐开展。为保证主凝结水母管压力不低于0.6MPa，#11凝泵最低频率设定为30Hz（900转/分）。

#11泵运行有两种运行方式，即工频运行和变频运行。如变频器正常，#11泵通过变频调节（旁路断开），操作顺序为：先合上#11凝结水泵6kV开关，再启动变频器；如变频器有故障，则需隔离变频器、通过旁路工频运行，并通过主凝结水调门自动来控制水位，操作顺序为：将#11凝泵电源切换为旁路工频状态，合上#11凝结水泵6kV开关即可实现＃11凝泵工频运行。#12泵退出备用。#12泵控制方式保持不变，#11泵此时需隔离变频器，旁路在连通位置，处于工频备用位置。如#12泵故障跳闸或母管压力低，引起#11泵自投，这时#11泵在工频状态下运行，并通过主凝结水调门来控制水位。

如变频器正常，#11泵通过变频调节（旁路断开）；如变频器有故障，#11泵隔离变频器、通过旁路工频运行，并通过主凝结水调门来控制水位。#11凝工频运行时，如#11凝泵6kV开关跳闸，就应联动#12泵；变频运行时不仅#11凝泵6kV开关跳闸应联动#12凝泵，而且如因变频器跳闸也应联动#12泵。

3、系统安全评价

凝结泵变频改造后，设备增加，故障点增加，但系统通过以下安全措施能有效排除。

动力系统评价:

虽然增加了变频设备，但保护没有减少，分级保护仍然存在，动力系统变频改造设计初期就充分考虑了安全方面因素。当变频器故障或单台泵跳闸时原有保护功能依然有效联起备用，保证机组正常运行，不会对机组运行造成威胁。

控制系统评价：

为了保证设备稳定运行，采取了一套完善的保护措施

Ø 流量保护:设置最低转速防止控制过程中电机不出水（防汽蚀）,当流量小于96kg/s,大于580kg/s，延时28秒停机。

Ø 水位保护:当凝汽器水位小于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,延时20秒停机。

Ø 温度保护:当泵和电机轴承温度超过100度也会跳机保护。

Ø 转速进行高、低速设置，具备快加快减功能，在负荷突变或单台泵调闸情况下提高系统反应速度，降低水位变化速率，避免水位高、低值报警。

Ø 在工频泵运行变频泵恢复时实现平稳并泵、退泵，避免工频泵压头过高变频不出水。实现变频器向上调整的平稳过渡。

通过上述安全措施，再结合机组本身特点及凝泵系统特点达到节能效果，同时对机组的安全运行不构成影响。

三．高压大功率变频器的技术特点

1、技术参数

配置凝结水泵数量：2台（1用1备）

2、HARSVERT-A高压变频器特点

HARSVERT-A高压变频器属于电压型高-高变频器，不需要另外加设输出变压器，只要将变频器输入端直接接在6kV的电网上，输出端直接接到高压电动机上，连接简单方便。

HARSVERT-A高压变频器整流电路采用36脉冲整流，逆变回路采用独特的单相多电平PWM控制技术，从而构成了对电源和电动机都十分友好的双完美系统，电源一侧为完美无谐波输入，电动机一侧输出为完美的正弦波，直接连接原有凝泵电动机，不需要大的改造，不需要增加输出滤波器。

通过对变频器输出PWM波形（图2、图3）测量可以看出，这种波形正弦度好，dv/dt小，大大减少对电机和电缆的绝缘损坏，同时消除机械震动带来的轴承的损坏。

HARSVERT-A高压变频器综合运行效率高、功率因数高。由于采用多级移相干式变压器使电网侧电流谐波大大减小，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，每个功率单元等效为一台单相低压变频器。利用这种常规低压变频器的成熟技术，使可靠性提高，由于IGBT开关频率降低，使损耗减小，加之采用独特的控制技术，变频器综合效率高达97%以上。由于电源输入侧36脉冲整流，功率因数超过0.95。

HARSVERT-A高压变频器控制系统采用嵌入式一体化工控机和PLC共同构成，人机界面非常友好，实现多电平PWM控制和附加简易矢量运算功能的V/f控制，控制响应快、精度高。采用了光电隔离技术，使低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。

3、HARSVERT-A高压变频器的外部接口如图4所示：

图4：HARSVERT-A高压变频器的外部接口图

4．600MW凝泵高压变频器的特殊设计

Ø 功率模块的N+1冗余设计

HARSVERT-A高压变频器采用6级串联结构形式，变压器为36脉冲输入，每个功率单元的输出电压能力仍然为700V，在正常运行模式下，由PWM调节每个功率单元的输出电压，功率单元的输出电压不用达到额定电压700V，即可保证电机运行的需要。当某个功率单元发生故障被旁路时，由于系统具有N＋1备份的功能，由PWM调节提高其余功率单元的输出电压，系统仍旧可以输出6kV的电压，满足电机运行的需要。

新一代HARSVERT-A系列高压变频器采用单个单元模块旁路控制方式（我公司已申请专利），当一个功率单元故障时，此模块自动切换到旁路运行，系统调节其它功率单元的输出，维持输出线电压的平衡，对电机无任何影响。采用这种技术，可以最大程度的发挥系统的电压输出能力；当某一相有两个功率单元出现故障的情况下，系统仍旧可以输出6kV的电压。而早期的技术，当A相有一个功率单元出现故障，还需要旁路B相、C相一个完好的功率单元，来维持系统输出电压的平衡，这样，当某一相有两个功率单元出现故障时，系统的电压输出能力将无法达到6kV。

采用这种N+1备份方式，出现单元旁路时，不影响高压变频器对电机的调节品质。但是对输入侧（即电网）的电能品质有一定的影响。当有一个功率单元退出运行时，变压器的36脉冲构成不再成立，由于总共有18个功率单元，因此将有1/18的电流谐波无法消除，由于变压器的移相角度无法在线改变，这样的缺憾在技术上是无法避免的。但是，这毕竟是一种非正常的运行方式，而且1/18的谐波增加仍旧满足一般标准对谐波的要求，因此能够得到用户的谅解。如果不是采用单个单元模块旁路技术，由于一次要旁路三个功率单元，将有3/18=1/6的谐波无法消除，对电网的谐波影响将较大。

HARSVERT-A高压变频器针对邯峰电厂要求功率单元采用冗余设计，用700V功率单元做成6 级，采用了特殊的主控程序（N+1 备份的专用版本）所有功率单元正常时，电压调制系数比正常的标准设备略低，当有单元出现故障旁路时，则自动提升调制系数，旁路一级时仍然能达到满电压输出。当＃12泵、＃11泵变频泵切换时，利用变频器的快速启动模式，20s内快速启动到50Hz，同时凝结水调门切手动，运行人员手动逐渐开展主凝结水调门，降#11泵转速，手动调整水位正常后，再投入变频自动运行。

Ø 20s快速启动功能

根据凝结水泵的工艺要求，两台水泵要真正实现互为备用，变频水泵必须能够在20—30s内由0速启动到全速，为此针对凝结水泵的特殊工况进行特殊设计，来满足20—30s内将水泵由0启动到全速的要求。主要采取以下手段：①选用比标准2600kW/6kV高压变频器具有更大电流承载能力的IGBT器件、电解电容和整流桥，提高变频器的输出电流能力，从而可以获得较大的启动电流和启动转矩，加快电机启动时间；②变压器容量、散热器容量仍然按2600kW/6kV高压变频器设计，因为变压器本身具有较大的短时过流能力，短时的大电流也不会在变频器内产生大的热量，散热器容量也没必要加大，这样可以将高压变频器的成本控制在合理范围内；③从控制方式上，高压变频器启动时采用飞车启动功能将电机转速在20s内直接升至命令频率，按照转速－时间曲线进行速度调节，使得在一定的电流负载下，获得总体较快的加速效果。④过流保护设定上，采用不同的标准。在启动时段，变频器内部会将过流保护设定得较高，保证电机能在较大电流下启动。正常运行时，高压变频器自动将过流保护调整为120%每分钟，以保证能对电机实现有效的过流保护。

5、空水冷运行效果

由于HARSVERT-A大功率高压变频器4％的散热量采用风冷却已不能满足设备正常运行对环境的要求，为此，为用户提供了一套空－水冷方案，实践证明，该系统具有安装简便、快捷，使用寿命长、故障率低、免维护、周期长等特点。

四．节能效果

图5：各负荷点节电率情况图

如果按照平均负荷率为75%（500MW），年运行时间为7200小时，年可节约电量568.88万kW·h，平均节电率44.58%。该项目在1-1.5年内可收回投资成本。

五．凝泵调速后的其它优点

变频调速不仅节能效益显著，而且可以明显改善系统的安全可靠性，有以下几个方面的优点。

Ø 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7倍，星角启动为4.5倍，电机软启动器也要达到2.5倍，变频起动时基本没有冲击。

Ø 延长设备寿命

采用变频调速后，低负荷时避免了泵内发生汽蚀，同时变频调速没有应力负载作用于轴承上，延长了轴承的寿命。

Ø 提高管系可靠性

变速调速运行时，改善了由于阀门调节时对管系的冲击，这样降低了泵及系统的噪音，改善了运行环境。

六．总结

邯峰电厂凝泵变频改造是国内660M W机组的首次应用，随着大型机组参与调峰的增多，越来越多的辅机需要进行调速改造，以适应竞争的需求。这次邯峰电厂600MW以上大机组首次应用国产大功率高压变频器进行调速改造的成功，为今后600MW以上机组应用国产高压变频器进行改造提供了良好的成功应用经验，为2500kW以上主辅机设备的改造提供了广阔的应用前景，也表明了国产大功率高压变频器的推广及应用已经进入实质性阶段。HARSVERT-A系列国产大功率高压变频器性价比高，不失为用户在大容量机组节能降耗方面的首选产品。