300MW火力發電機組的凝結水泵改造成變頻調速運行，技術可行，節能效果明顯。并且合理設計變頻系統，謹慎選擇變頻器生產廠家能夠保證在不降低機組可靠性的同時，用最少的投資，實現最大的節能效果。我公司的是采用北京利德華福電器技術有限公司的HARSVERT-A變頻器。
關鍵詞：凝泵 變頻   改造   
凝結水泵是凝結水系統的重要動力設備，它的作用是把凝汽器中的凝結水打入低壓加熱器加熱后送入除氧器內，是變頻拖動對象。在電廠應用中，凝結水泵工頻實際運行時均偏離經濟運行工況，機組帶部分負荷時偏離更遠，電動機電能浪費嚴重。變頻調速裝置可以使凝結水泵處于最佳運行狀態，大大提高運行效率，達到節能的目的。我國已對變頻調速技術進行了一定的研究，主要用于中、小型設備上，如給煤機、給粉機、中、小型風機、水泵及其它領域等，并得到了廣泛的推廣和應用。目前高電壓大功率電動機的變頻調速裝置也在推廣之中。我公司的300MW機組凝結水泵，通過技術改造,大膽使用了高壓變頻器,獲得了很好的經濟效益,并取得了一定的經驗。
     1　變頻器節能原理
     異步感應電動機的轉速n與電源頻率f、轉差率s、電機極對數p三個參數有如下關系：
     改變f、s、p其中任何一個參數都可以實現轉速的改變。變頻器是通過改變電源頻率f的方式來改變電動機轉速的。在異步感應電動機的設計制造完成后,雖然在帶負載運行過程中由于負載變化，滑差率會略有變化，但是由于凝結水泵對轉速精度要求不高，因此可以近似認為水泵轉速與其拖動電機定子頻率成線性關系。正是因為變頻器優良的調速性能，變頻調速成為當今調速應用的生力軍。隨著科學技術的不斷發展, 高電壓大功率半導體器件和高速度控制芯片的出現，高壓變頻器應運而生，使發電廠大型輔機的調速運行成為現實。從而省過去由于閥門、擋板節流等帶來的功率損失，達到節能的目的,提高了發電企業的經濟效益。
對于水泵,由流體動力學理論可以知道，流量與轉速的一次方成正比;扭矩與轉速二次方成正比;而泵的功率則與轉速的三次方成正比。用n、 N分別表示轉速和功率,腳標"0"均表示額定工況參數。當流量由額定值Q0降至Q時，與額定功率N0比較，采用轉速調節的電機的功耗為：
即當流量由100%降到70%，則轉速相應降到70%，而電機的功耗降到額定功耗的34.3% ，也就是節約電能65.7%。扣除閥門調節時的功耗與額定功耗的差、轉速下降引起電機的效率下降等因素，節電效果也是非常顯著的，實際運行節能統計接近理論計算值。
     2　HARSVERT-A變頻器原理及性能
     我公司變頻改造凝結水泵功率為1000KW，采用變頻器型號為HARSVERT-A06/130變頻器,系統結構見圖1,由移相變壓器、功率單元和控制器組成。

圖1  6kV變頻器系統結構圖

      移相變壓器將6kV廠用電降壓后向各功率單元供電，副邊繞組分成三組，采用多級移相疊加的42脈沖整流方式，使6kV廠用電側（輸入側）的電流波形大大改善，在負載情況下輸入側的功率因數接近于1，可以減少無功功率引起的廠用電系統的電能損耗。
功率單元為模塊化結構，電路結構見圖2。每個功率模塊結構及電氣性能完全一致，可以互換。整流側為二極管三相全橋，控制IGBT（絕緣門控雙級晶體管）逆變橋正弦輸出PWM（脈沖寬度調制）波形,輸出凝結水泵所需頻率的單相交流電，其波形見圖3。

圖2  功率單元電路結構                 圖3  單元輸出的PWM波形

      三串（即三相）各串聯七個額定電壓為460V的功率單元Y型接法輸出0～6kV變頻電壓向凝結水泵電動機供電。同一相各串聯功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，且載波之間互相錯開一定電角度，實現多電平PWM，使輸出電壓和電流接近正弦波（見圖4與圖5）。因此，dv/dt很小，總的諧波電流失真低于4%，可直接用于普通異步電動機。每個功率單元產生1/7的相電壓，輸出電動機所需的電流和1/21的電功率。當某個單元發生故障時，系統可自動將該單元和其他兩相對應的單元旁路，使變頻器降輸出電壓運行。采用變頻調速后，凝結水泵電動機消耗的電功率至少比電動機的額定功率低38%，因此旁路兩級功率模塊降電壓運行也完全能滿足輸送凝結水的要求，提高了凝結水泵輸水的可靠性。

 

       控制器由高速單片機、工控PC和PLC共同構成。高壓主回路與控制器之間為光纖連接，并設有精確的故障報警保護，具有電力電子保護和工業電氣保護功能，保證變頻器和電動機安全可靠的運行。
     3　凝結水泵變頻改造方案

 

      我公司300MW機組配備2臺100%容量的凝結水泵, 型號9LDTN-7，額定流量 1000m3/h，揚程240m，轉速1480rpm，配用1000KW的異步電動機,閥門調節。現增設HARSVERT-A06/130高壓變頻器，實現0～50Hz無級調速，功耗隨機組負荷變化而變化，進而提高設備利用率，達到最佳經濟運行模式的目的。改造遵循"最小改動，最大可靠性，最優經濟性"的原則。變頻器選型及參數：
系統改造方案如圖6。為了充分保證系統的可靠性，為變頻器同時加裝工頻旁路裝置，變頻器異常時，變頻器停止運行，電機可以直接手動切換到工頻運行狀態下運行。工頻旁路由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成（見左圖，其中QF為甲方原高壓開關柜內的斷路器）。要求QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。
       為了實現變頻器故障的保護，變頻器對用戶開關QF進行連鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF，要求用戶對QF的合分閘電路進行適當改造。并且兩臺凝結水泵是一備一用，當變頻泵跳閘時，聯啟工頻備用泵，不會影響凝結水系統正常工作。變頻泵工頻旁路時，變頻器始終允許QF合閘，撤消對QF的跳閘信號，使電機能正常通過QF合閘工頻啟動。

圖6

      當凝結水泵變頻運行后，改造前調節凝結水流量的調節閥門完全打開，凝結水再循環系統關閉，并由變頻器或DCS系統控制凝結水泵的電動閥門，實現變頻水泵與電動閥門的聯動。聯動邏輯關系為：
      變頻水泵啟動前，閥門應關嚴；DCS向變頻器發出啟動指令后，水泵轉速逐漸加快，泵口水壓相應升高，當泵口水壓大于閥外側管網水壓時，變頻器發出開閥指令，閥門打開；當閥門開全后向變頻器返回閥門開全信號，變頻器進入正常運行狀態。當變頻水泵停機時，有兩種狀態，一種是變頻器正常停機，一種是事故急停，正常停機時，DCS向變頻器發出停機指令，變頻器收到停機指令后先發出關閥指令，閥門開始關閉，當閥門關嚴后向變頻器發出閥門關嚴信號，變頻器接到閥門關嚴信號后再開始停機，直到變頻水泵轉速降為零；變頻器事故停機時，同時向閥門發出關閥指令。
     4　使用變頻器的效益分析
      由于凝結泵采用定速運行，出口流量只能由控制閥門調節，節流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統效率低，且經常發生泄漏，造成能源浪費。而且由于控制閥門為電動機械調整結構，線性度不好、調節品質差、自動投入率低；頻繁的開關調節，容易出現各種故障，使現場維護量增加，造成各種資源的浪費。
     4.1　節約電能效果顯著
      下面是對本機改造前后的電流做縱向比較的部分運行數據，可以發現電流減小許多。
      下面是某月的電能統計，做一個同類機組的橫向比較，可以看出凝泵用電減少許多。

      以每臺機組年發電量20億千瓦時計算，使用變頻器可節約廠用電261萬千瓦時，以平均電價0.22元/KWH計算每臺可節約57.42萬元。
     4.2　減少電機啟動時的電流沖擊
     電機直接啟動時的最大啟動電流為額定電流的7倍；星角啟動為4~.5倍；電機軟啟動器也要達到2.5倍。觀察變頻器起動的負荷曲線，可以發現它啟動時基本沒有沖擊，電流從零開始，僅是隨著轉速增加而上升，不管怎樣都不會超過額定電流。因此凝泵變頻運行解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養費用。
     4.3　延長設備壽命
使用變頻器可使電機轉速變化沿凝泵的加減速特性曲線變化，沒有應力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。同時有關數據說明，機械壽命與轉速的倒數成正比，降低凝泵轉速可成倍地提高凝泵壽命，凝泵使用費用自然就降低了。
     4.4　降低噪音
     我廠凝結水泵改用變頻器后，降低水泵轉速運行的同時，噪音將大幅度地降低，當轉速降低50%時，噪音可減少十幾個絕對分貝。同時消除了停車和啟動時的打滑和尖嘯聲，克服了由于調門線性度不好，調節品質差，引起管道錘擊和共振，造成給水系統上水管道強烈震動的缺陷，凝結水泵變頻運行后，噪音、振動都大為減少，變化相當可觀。
總之，300MW汽輪發電機組凝泵推廣使用變頻調速器，可以大幅度降低廠用電率，減少發電成本，提高競價上網的競爭能力。