户外型ZINVERT系列智能高压变频调速系统的应用

1、用户工艺情况介绍
　　 广州明珠电力（集团）有限公司发电C厂现有#5，#6两台51.2MW燃油机组，#7一台36MW汽轮机组。#5，#6两台燃机的余热分别提供#1，#2锅炉，驱动＃7汽轮发电机。#1，#2锅炉的#1，#2汽包的给水由＃1，＃2，＃3三台给水泵按母管方式供水。
　　三台给水泵的参数相同，为沈阳水泵厂生产DG80-120x9，额定转速2980rpm，效率82％，供水80m3/h改造为120m3/h，扬程1080m。拖动给水泵的三台6kV电动机Y4002-1型电机，额定参数500kW，6kV/57.2A，cosΦ=0.87，转速2972rpm，F级绝缘，绕组Y接，1998年8月南洋防爆电机厂生产。

如图1为明珠C厂＃7汽轮发电机给水泵回路原理示意图，该设计最初的设计思想是“两工作一备用”，当任意一台出现故障时随即启动备用电动机，保证机组的正常运行。给水母管到两个锅炉汽包都分别有主路、中路、旁路三个阀门控制给水流量，其中主路为调节阀最大流量100％，中路调节阀最大流量约70％，旁路电动阀流量约50％。
　　 但水泵经过叶片技术改造，现在的实际运行工况是：在目前负荷情况下，一台泵的出水量已够两台锅炉的运行，在两台燃机运行，#1与#2两个汽包供汽（二拖一工况）、总负荷为67MVA左右时，汽包压力6.4Mpa左右，额定蒸发量64t/h，运行1＃泵，此时电机电流为51A左右，功率因数为0.86，实际给水量约125t/h，泵头出口压力为8.3~8.9MPa左右，此时泵已工作到极限。在谷期负荷较低时，只运行其中一台燃机，一个汽包供汽（一拖一工况），汽包压力3.5Mpa左右，此时保持运行#2泵，电机电流为41A左右，电机功率因数为0.85，泵头出口压力为9.2~9.8Mpa左右，实际给水量约63t/h。
　　
　　2 广州明珠C厂＃1给水泵改造前的运行情况
　　
　　 2.1 改造前的给水泵的系统运行数据

通过上述数据可得出如下结论：
　　 a、日间二拖一时，一台泵运行时，水泵给水量约120m3/h，从水泵的性能曲线可知，在该点运行时水泵效率较低，为53％，而该水泵最佳效率点为62％（对应额定流量为80m3/h）。
　　 b、日间二拖一时，电机消耗总功率530kVA，其中有功功率为456kW，在该运行情况下电机已基本满负荷运行，但是电机无功电流为26A。
　　 c、峰期一拖一时，电机消耗总功率为426kVA，其中有功功率为360kW。
　　 d、谷期运行时，在水压为9.8Mpa的情况下，水泵给水为105m3/h，锅炉供水为633/h，回流循环阀回流42m3/h，存在很大的节能空间。
　　 2.2 广州明珠C厂＃1给水泵变频改造方案
　　 2.2.1 设计要求及目标
　　 a) 变频改造后的控制系统独立于现有的DCS系统，本系统有独立的检测、控制、显示、数据处理系统，在中控室也能监视供水系统状态、实时监视系统运行状态，可记录系统运行数据。
　　 b) 实现远程控制性能，能够实现在中控室进行远程命令控制及系统控制目标参数修改。
　　 c) 能实现与其他水泵的切换互补运行，并实现完善的故障处理功能，故障停机后自动启动其他水泵，保障供水系统安全运行。
　　 d) 由于没有空余的户内空间，要求该变频装置安装于户外汽机旁，厂区周边有煤厂，因此装置设计时应充分注意防尘；南方气候湿热，夏天地表最高温度可达45度以上，湿度可达100％，要求装置具有较好的防湿功能，并具备抗高温的能力。
　　 2.2.2 设计方案：
　　 经过调研与比较，我厂给水泵变频改造选用了广州智光电机有限公司的ZINVERT-A6H630/06Y高压变频调速装置，取得了满意的运行效果。
　　 a）系统介绍

该高压变频调速系统具有强大的自动控制和通信功能，主控制器具有RS-485通信接口，采用标准MODBUS通讯协议为方便运行人员控制，在中控室安装有监控PC计算机，由其与N(N=1~31)台变频调速装置进行通信。允许系统连接1~31个高压变频调速器，最大1200m的通讯距离。系统总体框图如2图所示。
　　在我厂给水泵的变频改造系统中，先选用一台500kW/6kV高压变频调速装置。在该系统中上位PC机作为主机，高压变频调速装置作为从机。该系统特点是成本较低、信号传输距离远、抗干扰能力强，尤其适合中远距离控制系统。采用该方案，可直接在中控室调节与控制现场高压变频调速系统的运行。
　　上位机采用PC计算机，在Windows 图形化系统平台上实现友好的人机界面，用文字、表格、图象等显示的运行状态、报警、事件记录及其它信息，可实现数据查看、运行控制、目标参数调节等功能，操作方便、显示直观，方便现场运行和维护。
　　 b) 控制系统构成
　　 变频改造时所有的信号检测、驱动机构要完全独立于现有的DCS控制系统，调节可采用定频运行阀门控制，将来DCS改造后也可采用阀门定开度控制频率运行，满足运行需要的汽包蒸发量、给水流量及汽包液位要求。
　　 c) 可靠性措施方案
　　 由于发电机组运行可靠性的要求，系统考虑到变频调速系统退出运行后，不影响生产，确保给水系统正常运行，结合实际运行状况设计二种故障处理方案，当变频调速系统出现故障时，可将电机投切到工频下运行，恢复到原有系统运行方式。
　　 高压变频系统配备旁路柜，当高压变频调速系统出现故障后，高压变频调速系统控制器跳开DL1，连锁关闭出水阀门，同时连锁启动备用水泵。可将电机转切至工频运行，进行检修原理如图5所示。

图3中DL1为现有电机用高压断路器，K1、K2、K3为高压隔离刀闸，当变频调速系统故障时，自动断开DL1，操作切换打开K1、K2，闭合K3将电机转为工频。此时变频调速系统从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。
　　 2.2.3 高压变频调速系统的选型使用情况：
　　 由于高压变频调速系统对环境（温度、灰尘）要求较高，一般现有进口、国产高压变频调速装置都要求建造专用房间或利用室内闲置位置用于安装高压变频调速系统，并要作外围空气冷却与防尘处理，这时现场工作量较大且要求有相应专业技术。我厂由于安装场地局限，变频改造的Zinvert系列高压变频调速系统不能安装在现有高压厂房内，另建高压室也有困难， 智光公司的产品已充分考虑了防尘与冷却问题，最后采用一体化箱式安装方式，在现场只建设一简单的基础，使现场的改造基建投资大大削减，且整个系统的箱式外壳在完全满足防护和抗干扰要求前提下，兼顾了美观性和实用性，直接安装在机组0米层给水泵现场附近。除其安装方便外，对于智光公司的高压变频产品，我们还主要看重其以下一些特点：
　　 （1）采用先进的多级H桥单元模块结构，通过高速光纤数字通信技术，实现高压主回路与控制系统的隔离，抗电磁干扰，可靠性高，现场安装位置距离我厂升压主变不到10米，经受强电磁干扰的考验，运行稳定。
　　 （2）运行无电网污染，电网侧功率因数高达0.96以上，输入电流大大减小，无需功率因数补偿及谐波抑制装置。
　　 （3）该高压变频调速系统采用技术解决了电机未停车即可直接启动高压变频的瓶颈问题，无需任何电机测速装置，启动时无电流冲击，确保电机持续运行可靠性，该功能为国内高压变频产品领域的首创。
　　 （4）该高压变频调速系统采用该公司自有专利技术，主回路设计中充分考虑了电机或是连接电机的高压电缆可能发生的相间短路而设计了三重短路保护，可有效保护变频调速系统免受巨大相间短路故障电流而造成的损坏，从而进一步延长产品寿命和提升产品运行可靠性。该产品已通过输出相间短路功能的测试。
　　 （5）输入高压瞬时掉电后系统不停机，当高压掉电或者高压输入跌落至65％以下时间较长导致系统停机时，若在设定时间内（最长可至30秒）高压恢复则可自行无冲击启动高压电机。符合省中调在某火电机组辅机采用国外高压变频造成事故后，在今年5月下发的有关“火电重要辅机高压变频需具有断电捕捉再启动功能模块”的要求，可有效避免传统高压变频调速系统因系统故障、母线切换或大负荷启动时母线电压瞬态跌落或较长时间情况下所导致的不必要停机现象，保证生产持续进行。
　　 （6）耐电网波动能力强：网侧电压在65％额定值至120％额定值内不停机，保证电机持续运行。电网输入侧电压在+15%～-15%范围内波动时，通过电压波动补偿算法来自动补偿输出， 可维持输出电压和带载能力保持不变。
　　 （7）为保证系统的可靠性，控制电源采用交、直流输入，多达4路供电，各控制电源互为备用，无扰切换，确保控制系统工作的可靠性。
　　
　　3 我厂＃1给水泵高压变频改造后的运行情况介绍：
　　
　　 由于该公司产品在出厂前已经过直接高压满负荷试验，因此现场安装、调试、投运工作很顺利，自2004年投运以来运行稳定，节能效果显著，且厂家技术培训、服务十分到位。
　　 3.1 高压变频改造后的给水泵的系统运行数据：

进行变频改造后，按锅炉需水量供水，一拖一工况给水压力平均4.8MPa变频运行供水63 m3/h，二拖一工况给水压力平均7.2MPa变频运行供水125 m3/h。
　　 3.2 高压变频改造前后给水泵运行数据比较

从表3的数据可见，＃1给水泵经过高压变频改造后，其给水系统的管网压力、消耗功率都大大减小，尤其在一拖一运行方式下，其管网压力50％左右、消耗功率降低降低60％；即使在二拖一运行方式下，其管网压力降低9％、消耗功率降低10％，有相当大的经济效益。
　　
　　4、给水泵高压变频改造的效果评价
　　
　　 （1）节能效益：#1给水泵改造后，在一拖一运行方式下，功率损耗降低60％；在二拖一运行方式下，功率损耗降低10％，具有相当大的经济效益，变频改造后每年节省消耗电费约40万元，给水泵节省厂用电可达20％。
　　 （2）其它效益：
　　首先采用高压变频器后网侧功率因数提高： 原电机直接由工频驱动时，功率因数为0.8~0.86之间。采用高压变频调节系统后，电源侧的功率因数可提高到0.97以上，可进一步节约上游设备的运行费用。
　　 其次，给水泵采用变频调节后，由于通过降低电机水泵转速实现节能，电机、水泵转速降低，管网压力降低，辅助设备如轴承、阀门等磨损大大减轻，设备运行与维护费用下降，维护周期可加长，设备运行寿命延长。
　　 另外采用高压变频调速装置后，可对电机实现软启动，启动时电流不超过电机运行额定电流的1.2倍，避免全压启动对电网和电动机的冲击，降低电动机的故障率延长电动机使用寿命，维护周期增长，电机检修费用可大幅降低。
　　 由于机组运行现状是单泵给水运行模式，考虑到机组改造后锅炉蒸发量会增大，发电量增加时，一台泵已无法满足供水需求，到时必需增开一泵，即用两台泵供水，但两台工频泵供水明显过多，因此届时可以采取一台泵工频运行，而另一台泵变频运行，这种工况下所实现的节能效益将有更大的体现。
　　
　　5 结束语
　　
　　 明珠C厂＃1给水泵在采用广州智光公司的智能高压变频调速系统进行变频技术改造实施后，取得了明显的节电效果，并获得很好的经济效益和社会效益，为电厂高压电机的节能改造积累了丰富的经验。
　　 高压变频调速在厂用电系统的大面积的采用将大大促进电厂厂用电率的降低，成为电力企业节能降耗的亮点。现阶段，我国电力供应缺口很大，供需矛盾突出，在加快电力建设速度的同时，国家电力价格放开，竞价上网成为各个电厂必需面临的电力市场局面。在这种形势下，各个电厂应该积极依靠科技进步，加大节能降耗工作力度，对于降低厂用电率，增强电厂竞争力具有不可忽视的作用。