高压变频器一拖二自动旁路系统在凝结水泵上的应用

1 引言

　　随着现代电力电子技术、自动控制技术和微电子技术的不断进步和控制手段的日趋完善，高压变频技术逐渐成熟，变频器的应用方式和应用范围也不断扩大。火电厂拥有大量不同应用场合和不同运行工况的大功率辅机设备，且主要是风机和水泵负载；由于变频调速技术带来的巨大的节能效果和操作的方便性，因此电动机的变频调速改造也显得尤为重要和迫切。

　　国电江苏谏壁发电有限公司位于江苏省镇江市谏壁镇，是个有着近50年建厂历史的大型火力发电厂，目前全厂装机容量为3×100mw＋6×330mw。由于小容量机组的发电量少，而且本身机组的能耗又比较大，因此电厂已经停运并决定拆除100mw以下的3台机组，在原来机组的基础上重新建造1台1000mw的机组，提高电厂总的发电量和发电效率。在现在运行的6台机组中，有大小功率的高压辅机设备几十台，尤其是引风机和凝结水泵，生产过程中都是通过调节风门、闸阀来调节风量和水量来满足生产要求，效率往往都低于70%。因此为了提高电动机的工作效率，达到节能降耗的目的，电厂决定先对#10机组甲乙凝结水泵进行变频改造，然后依次再对送、引风机等大功率辅机设备进行大规模改造。经过反复比较，

　　决定选用由广东明阳龙源电力电子有限公司生产的mlvert-d06/1120.a大功率高压变频器。

2 一拖二自动旁路系统介绍

　　2.1 凝结水泵的作用

　　#10机组甲乙凝结水泵的作用是把凝汽器热井中的凝结水经低压加热器打入除氧器，既维持凝汽器热井水位稳定又保证除氧器中的水量，既要满足生产工艺要求又不造成电能的浪费，因此保持凝结水泵的安全可靠运行显得至关重要。

　　2.2 凝结水泵电气一次系统

　　变频改造前：1台发电机组一般配有2台凝结水泵，正常发电时1台凝结水泵运行，另一台备用；一旦运行水泵发生故障，系统就会自动连启备用泵，从而保证系统的连续运行。同时考虑到凝结水泵长期运行的可靠性，2台水泵一般按月交替使用，以便定期检修。

　　变频改造后：保证原来凝结水泵工频一次系统不变，变频电源与甲凝结水泵的工频电源来自同一段母线，在变频电源与变频器之间加入输入真空开关（qf2），变频器输出通过两个相互互锁的开关（qf4与qf5）进行切换便能实现两台泵的正常运行，如附图所示。

　　2.3 安全工作方式

　　（1） 凝泵甲工频开关（qf1）与凝泵甲变频开关（qf4）互锁；凝泵乙工频开关（qf3）与凝泵乙变频开关（qf5）互锁；凝泵甲变频开关（qf4）和凝泵乙变频开关（qf5）互锁，从而保证旁路系统的安全运行和切换。

　　（2） 凝泵甲工频开关（qf1）和凝泵乙工频开关（qf3）两个开关与变频电源开关（qf2）不用互锁。

　　（3） 变频器正常或故障停机后变频器先断开qf2，然后连跳qf4和qf5；qf4或者qf5发生故障后dcs发信号连跳qf2。

　　（4） 变频器故障发生后，系统自动连对侧泵工频运行，如果联动失败，则强行合对侧泵电源开关。

2.4 凝结水泵运行方式

　　（1） 凝泵甲变频调速运行，凝泵乙工频备用状态

　　正常运行时，变频器电源开关（qf2）和凝泵甲变频开关（qf4）合上，其它开关断开，凝泵甲通过变频器调速运行，凝泵乙处于工频备用状态。当凝泵甲运行到最大转速还不能满足工况要求时，自动以工频方式启动凝泵乙，调节凝泵阀门，稳定后凝泵甲可以转入调速运行。当凝泵甲调速运行有故障时，可以通过故障信号自动将凝泵乙以工频方式启动，调节凝泵阀门。

　　（2） 凝泵乙变频调速运行，凝泵甲工频备用状态该种运行方式与（1）所述的运行方式类似。

3 现场独特的安装方式

　　由于凝结水泵改造采用一拖二自动旁路方案，因此甲乙凝结水泵系统除了保持原有的工频进线开关外，另外在乙凝结水泵母线与变频器之间增加变频进线开关和自动旁路切换开关。工频进线柜保持改造之前的柜体，进线断路器也由用户提供；而自动旁路切换柜就连同变频器本体安装在一起。现场高压变频装置各个柜体具体布置从左至右依次是自动旁路切换柜、变压器柜、模块柜和控制柜。整个柜体安装在单独的密闭房间内，底部跟槽钢底座相连，保持柜体良好的安全接地。

　　高压变频器是新型的电力电子产品，正常运行过程中会产生大量的热量。这部分热量主要包括变压器传送电能产生的损耗和模块中主要功率器件igbt、晶闸管和整流二极管的开关损耗。

　　3.1 高压变频器发热量计算

　　（1）凝结水泵现场选用的mlvert-d06/1120.a变频器匹配的进线变压器容量为1175kva，根据凝结水泵实际运行的最大功率为800kw和变压器的效率为97%，可以计算出变压器的功率损耗为p变=800×（1-0.97）=24kw。

　　（2）mlvert-d06/1120.a变频器共有18个功率单元模块。在每个模块中，电流将流过2只整流二极管、1只晶闸管和两只igbt。整流二极管、晶闸管和igbt将分别产生0.7v/只、2.5v/只、2.5v/只的压降，则总的压降为v=0.7×2+2.5+2.5×2=9v；变频器正常运行时最大运行功率为800kw，则最大运行电流i=p/1.732×u×cosφ=800/1.732×6000×0.85=90a。单个模块的损耗为p单=ui=9×90=810w；整个变频器18个模块的损耗为p=810×18=14.6kw。

　　根据上面的数据计算，变频器在运行过程每小时将会产生24kw+14.6kw=38.6kw的热量，加上变频器房本身要有180w/m2的制冷量，因此变频室需要安装制冷量为50kw（2台10匹）的空调进行热量交换才能保证变频器稳定工作。正常工作时变频器功率模块的温度保护值为65℃，而变压器铁心温度保护值为120℃，变压器的过温能力比模块大将近一倍，因此对模块的散热显得尤为重要。

　　3.2 变压器和模块的分别散热

　　考虑到变压器和模块对温升要求的差异，现场对模块控制柜和变压器采取独特的安装方式进行分别散热。

　　（1）在变压器柜和模块柜两者的连接处加上隔热墙，把整个变频室分成两个单独的房间，每个房间分别配上10匹（相当25kw）的空调进行热交换，从而有效地抑制各个发热源之间的相互热传递，保证了各个部件的可靠散热。

　　（2）同时变频器顶部冷却风机出口加装独立的风道，及时把柜内各个热源产生的热量排到变频室外。这样自然风经空调制冷后引入变频器室，然后变频器顶部冷却风机把室内冷却风从变频器后门滤网引入，流经变频器内部，接着把热交换产生的热风经风道引出变频室外。这样就保证了柜内外，室内外有效的冷热交换。

　　变频器改造之后通过半年的实际运行考验，变压器铁心工作温度为28℃左右，比普通的安装方式工作温度降低了近10℃。这样既保证了变频器的可靠运行，同时又降低了整个系统的老化程度，延长了设备的寿命。

4 变频器改造后的节能效果

　　4.1 #10机组与#12机组凝结水泵耗电量统计

　　#10机组甲乙凝结水泵自2007年12月采取一拖二自动旁路变频改造以来，凝结水泵系统工作稳定。由于#10机组与#12机组的发电容量相同，工作方式也完全一样，因此我们采取对比的方法，随机对凝结水泵（#10机凝泵变频运行，#12机凝泵工频运行）的耗电量进行了10h统计，具体参数如表1所示。

　　说明：

　　（1）从表1数据可以看出，在同一负荷工况下，凝泵的运行电流相差较大，尤其负荷在260mw以下时更为明显，从而说明采用变频调速后负荷越低，节能效果越明显。负荷在180mw时每小时节电达360kw·h。

　　（2）由于现场运行人员思维固定，变频改造后还利用调整器来维持压力，没有充分利用调节电机的转速来保持水位的压力。变频改造后可以保持调节器尽可能大的开度，不必截流。

4.2 一天时间内单位发电量下凝泵耗电比较：

　　24h凝泵耗电比较如表2所示。

　　从表2可以看出，凝结水泵使用变频器后耗电量占不使用变频器电量的75%左右（节电率为25％），如果发电量低，节电效果将更加明显。

　　通过表一对#10机组、#12机组凝结水泵的耗电统计，计算#10机组变频改造后每小时的平均节电为p=（195+288+312+384+384+360）/5=321kw·h；

　　日平均节电为p=321×24=9630（kw·h）；

　　考虑到机组正常的停机检修时间，机组按每年300天运行时间计算：

　　年平均节电为p=9630×300=289（万kw·h），按照当地上网电价0.4 元/kw·h计算，变频改造后一年节电费289×0.4=116（万元）。按照现在目前国产变频器的价格以及变频器现场改造施工费用，保守的估计1年的时间就能完全收回投资成本。

5 结束语

　　#10机组凝结水泵通过变频改造后，系统运行十分稳定。系统能够灵活地进行就地/远方控制，提高了生产工艺的自动化水平，减少系统维护工作量；同时电动机变频启动能实现软启动，减少了电机的启动冲击和机械磨损，延长了电机的使用寿命；变频改造后母管压力可以通过改变转速来调节，投入变频后，水泵的阀门处于全开位置，节流损失降到最低；由于节流损失的降低，轻载时实现节能运行，这样既降低了生产成本，又降低了生产设备的故障率，从而产生较大的经济效益和社会、环境效益，提高企业的综合竞争力和发展后劲，因此高压变频技术值得大力推广。