應用于電廠增壓泵的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)設計

本文介紹了高壓變頻器在火力發(fā)電廠循環(huán)水泵上的應用，分析改造之后的控制策略以及對變頻改造效果做了描述。

1. 項目背景

某發(fā)電廠建設規(guī)模為2×12MW抽凝式供熱發(fā)電機組，配3×75t/h循環(huán)流化床鍋爐，總投資1.86億元，第一臺機組于2001年11月投產(chǎn)，第二臺機組于2002年1月投入運行?？晒┎膳娣e180萬平方米。工程于2003年9月23日開工，建設規(guī)模為2×200MW供熱發(fā)電機組，總投資15.1962億元，第一臺機組計劃2005年6月5日投產(chǎn)，第二臺機組于2005年7月31日投產(chǎn)，建成后新增集中供熱面積650萬平方米。

發(fā)電廠共有3臺循環(huán)水泵。以下為現(xiàn)場設備參數(shù)表1：

現(xiàn)場主要存在以下問題：

（1）因循環(huán)水泵自身負載較重，起動轉矩大，采用全壓直接起動方式，啟動電流達到了額定電流的4～6倍，啟動時對整個電氣系統(tǒng)的沖擊比較大，對電氣系統(tǒng)的平穩(wěn)運行帶來不利影響；

（2）為保證管網(wǎng)中的壓力和流量在不同的用水條件下滿足生產(chǎn)，需要開三臺泵，但是流量是有富裕的，為了保證管網(wǎng)壓力和流量的穩(wěn)定，不得不指派專職生產(chǎn)操作人員巡查管網(wǎng)的壓力，并隨時調(diào)整閥門的開度及泄壓溷排水，不僅造成生產(chǎn)操作人員的勞動強度大，而且浪費了大量寶貴的水資源，不符合我國節(jié)約用水的理念；

（3）在用水需量較小的時候，電機也必須全壓、全轉速運轉，造成“大馬拉小車”現(xiàn)象，產(chǎn)生大量的電能浪費，同時，導致功率因數(shù)降低；

（4）電機一直處于全轉速運轉狀態(tài)，造成電機軸承極易出現(xiàn)發(fā)熱和磨損的現(xiàn)象，夏天時，電機軸承溫度最高可達到85℃，加速了軸承潤滑脂的破壞，磨損的軸承必須及時更換，加速了電機的維護保養(yǎng)速度，大大地增加了系統(tǒng)的運營成本；

（5）電機軸承的磨損，還造成整個系統(tǒng)運行的噪音增大，對員工的身體健康產(chǎn)生不利影響。

2.方案介紹

為解決以上問題，在隨后的技術改造中，技術人員為該高壓電機配備高壓變頻控制系統(tǒng)。在循環(huán)水管網(wǎng)上裝設壓力變送器，將循環(huán)水管網(wǎng)的壓力轉化為4—20mA的信號送^變頻器，變頻器將這個信號與設置的壓力給定值比較后自動調(diào)整變頻器的輸出轉速，從而實現(xiàn)恒壓供水的自動閉環(huán)控制。通過變頻器控制轉速，避免了閥門控制下因壓頭的升高和管阻增大所帶來的能量損失。

在流量減小時，轉速控制使壓頭反而大幅度降低，所以它只需要—個比閥門控制小得多的、得以充分利用的功率。根據(jù)泵的揚程特性曲線H—Q，隨著轉速的降低，泵的高效率區(qū)段將向左方移動。這說明，轉速控制方式在低速小流量時，仍可使機泵高效率運行。此系統(tǒng)在啟動時逐漸提升電機速度，減少啟動時的沖擊，又能在正常運轉過程中根據(jù)裝設于循環(huán)水管網(wǎng)上的壓力和流量調(diào)節(jié)控制電機轉速，使循環(huán)水的壓力和流量始終滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的需求，既節(jié)約了人力又降低了電耗。變頻裝置的主要技術參數(shù)如下表：在保證供應壓力的同時減少循環(huán)水浪費、節(jié)約電耗即改造的要求。現(xiàn)場工藝如圖1所示。

圖1 熱電廠工藝流程圖

圖 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)示意圖

2.1改造控制方式

改造前控制方式：通過高壓真空接觸器直接啟動。

改造后控制運行方式：

改造后要求實現(xiàn)手動啟動和自動變頻運行兩種方式?？刂品绞綖橐煌弦?，一次回路由進線柜（旁路柜）、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過程中或變頻器出現(xiàn)故障時，將電機自動投入到工頻電網(wǎng)運行，保證生產(chǎn)不受影響。變頻運行時，變頻器為電機提供全面的保護。

變頻器運行方式為開環(huán)運行，對運行中的循環(huán)水壓力實現(xiàn)跟蹤控制。

2.2變頻控制自動旁路柜

改造后提供的旁路方案如下：

根據(jù)與用戶方初步溝通，按照用戶的使用要求推薦采用一拖一手動旁路，其主接線方式如下圖所示：

變頻調(diào)速系統(tǒng)由用戶開關、手動切換旁路柜、GD5000系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)、高壓電機組成。

一拖一手動切換旁路柜是由三個高壓隔離開關QS1～QS3組成。手動旁路柜嚴格按照“五防”聯(lián)鎖要求設計，變頻器輸出QS2和旁路高壓隔離開關QS3機械閉鎖，不能同時閉合，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運行。

圖4 一拖一手動旁路柜（1）電機在變頻運行狀況下時，QS1、QS2閉合，QS3斷開。如需切換至工頻運行時（故障），系統(tǒng)先停止變頻器輸出，斷開用戶開關， 再由機械操作依次斷開QS1、QS2，然后機械操作閉合QS3，使電機切換至工頻側，再合上用戶開關，使電機工頻運行；（2）故障排除后需要切換至電機變頻運行時，系統(tǒng)先斷開用戶開關，由機械操作斷開QS3，然后由機械操作依次閉合QS1、QS2，使電機切換至變頻側，再合上用戶開關， 可設置變頻器自動檢測電機運行相位和頻率，在沒有電流沖擊的情況下，電機投入變頻運行。

2.3方案優(yōu)點

采用上述一拖一手動型式，即可滿足使用要求，也可以節(jié)省一次投資成本，同時保證正?？梢宰冾l運行，大大提高設備使用效率。其次，根據(jù)需求調(diào)節(jié)電機轉速，減小閥門阻力，延長了設備的使用壽命和維護費用。高壓變頻器設備現(xiàn)場運行照片如圖5所示。

3.Goodrive5000系列高壓變頻器特點

●采用多重化移相多單元串聯(lián)正弦脈寬調(diào)制（SPWM）疊壓技術，直接“高-高”式，功率模塊為交-直-交型電壓源變頻調(diào)速器；

●高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是由多個單元串聯(lián)而成，通過將多個低壓功率模塊的輸出疊加起來得到高壓輸出。以10kV為例，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理結構如下圖所示。電網(wǎng)送來的三相10kV交流電，經(jīng)移相變壓器，由其副邊每相的二次線圈電壓逐個移動，供電給8個功率單元，三相共24個功率單元，每個功率單元的額定電壓為710V，相鄰功率單元的輸出聯(lián)接起來，使得變頻器的額定相電壓為5650V，線電壓為10kV，可輸出高壓正弦波給感應電動機，在變頻器運行過程中對電動機的絕緣沒有影響，變頻器的輸出電壓和輸出電流均為正弦波形，變頻裝置對輸出電纜的長度沒有任何要求，能直接拖帶普通高壓電機，并且徹底消除諧波引起的電機發(fā)熱現(xiàn)象；

●鈑金件熱鍍鋅處理，超強抗腐蝕能力

●專業(yè)高抗EMC電路設計--在功率單元模塊設計上，針對不同電流范圍采用獨特進出線設計，抗干擾能力更強；--在結構設計和電氣設計上，全面采用抗電磁干擾措施，最有效保證變頻器的可靠運行；

●三核控制技術--高壓變頻器主控系統(tǒng)采用DSP＋FPGA+ARM三核控制系統(tǒng)巧妙配合，提供中文觸摸式操作界面，控制系統(tǒng)高度集成化，抗干擾能力強、功能更強大、控制更精準，增加了產(chǎn)品的可靠性；

●豐富的控制功能--我司高壓變頻器繼承了其低壓控制的特點，控制功能非常豐富。表現(xiàn)在頻率控制方式非常靈活。分為A頻率控制與B頻率控制，A頻率控制可以有多種控制源（包括PID控制、多段速控制都屬于這方面內(nèi)容）；B頻率控制同樣有多種控制源，用戶可以靈活的選擇采用A頻率控制源，B頻率控制源還是A+B，A、B中最大值。通過這種數(shù)學上的抽象，英威騰的高壓變頻器不僅能滿足簡單場合的工藝控制的要求，還可以滿足特定場合的工藝控制要求。另外，對于命令通道的選擇也同樣是豐富多樣的。可以基本滿足多種多樣的應用場景；

●模塊冗余配置--功率單元采用一定冗余配置。功率開關器件按實際運行參數(shù)的2倍以上配置電流和電壓，如采用1700V高壓IGBT，器件參數(shù)余量大，可靠性較高；

●低諧波設計--額定負載時輸入側的（對電網(wǎng)的影響）諧波＜2％；輸出側的（對電機的影響）諧波＜2％；--DSP控制系統(tǒng)對調(diào)制波形優(yōu)化處理，確保輸出完美無諧波波形；

●AVR功能--可以根據(jù)母線電壓的波動自動調(diào)節(jié)輸出PWM信號的占空比，從而減輕電網(wǎng)電壓波動對于輸出電壓波動的影響；

●V/F控制的轉矩提升功能--提供低頻轉矩提升功能，其主要是用來解決低頻時定子電阻引起的電壓損失導致磁通不足的問題；

●多種V/F曲線的選擇--提供多種的V/F曲線形式（如：多點V/F曲線，1.3次冪、1.7次冪、2.0次冪V/F曲線），可以滿足各種不同的負載要求；

●內(nèi)置PID控制功能●完善的20種保護功能--功率單元自身多達11種故障保護功能；電氣部分對輸出電壓、輸出電流、輸入電壓、輸入電流都有全面的檢測，對變頻器電源及電機都有過壓、過流、欠壓、溫度等多達20多種超強保護功能；重要保護定值可以根據(jù)現(xiàn)場不同的工況進行參數(shù)設定，內(nèi)置雷擊過流保護裝置，提高了設備的保護功能和系統(tǒng)的保護功能；●寬范圍抗電壓波動能力--寬電壓適應性強，允許網(wǎng)側電壓在10%～-15%之間波動。同時具有AVR功能，能夠根據(jù)母線電壓的波動自動調(diào)整輸出電壓。網(wǎng)側電壓在短時間小于85%～65％額定值或大于110%～120％額定值，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)不停機，保證電機持續(xù)運行；

●超長瞬時掉電不停機，有效避免電網(wǎng)不穩(wěn)定帶來的停機問題--我司高壓變頻器采用更好的瞬停處理方式，可以做到適應電網(wǎng)晃電1S以上，不管是風機，還是水泵，都可以做到該效果。如果風機類負載，最多可以電網(wǎng)晃電5S都沒有問題；

●超低頻轉速追蹤能力，有效保證掉電快速再啟動--具有全頻段的轉速自動跟蹤啟動功能，不論電機掉電多久，不論電機在頻段高低時，都能自動搜索跟蹤電動機轉速，按照設定加減速時間恢復正常運行狀態(tài)，不用顧慮電機的運行狀態(tài)，可以實現(xiàn)高壓電機即時的啟動和停止控制，保證機組安全啟動；

●對稱旁路功能，單元體雙旁路技術，系統(tǒng)可靠性更高--采用的是機械式旁路（外部旁路）與電子旁路（內(nèi)部旁路）可選的策略，其中機械式旁路可在200ms完成功率單元的自動旁路，而電子旁路，因為都是電子元器件控制，其動作時間就會很快，毫秒級就能完成旁路的動作。并且不論是機械式旁路還是電子旁路，都經(jīng)過了嚴格重載，小慣量負載的驗證的，完全可以可靠的旁路；

●雙上電限流電路設計，有效保護系統(tǒng)安全、延長設備壽命--采用了硬件限流以及軟件限流技術，當有效保護了因為負載突變而導致的系統(tǒng)過流故障的問題，提高了產(chǎn)品的可靠性；

●抗輸出短路保護技術--系統(tǒng)在輸出線纜短路的時候，能夠迅速保護，不會造成別的不良后果。

4.節(jié)能效果

循環(huán)水泵變頻節(jié)電改造后，2015年5月26日，正式投入生產(chǎn)，至今運行正常。經(jīng)過廠能源利用監(jiān)測中心測試，系統(tǒng)達到了預期的效果：實施變頻改造后，循環(huán)水泵用電量有明顯下降，設備實現(xiàn)了軟起動，改善了設備的運行工況，極大地減輕了設備起動時對供配電系統(tǒng)的沖擊。通過現(xiàn)場設備運維人員統(tǒng)計數(shù)據(jù)的計算分析可，采用變頻調(diào)速運行后，月節(jié)電大約18000度，節(jié)能效果十分明顯。附加收益：另外循環(huán)水泵變頻節(jié)電改造后，具有軟啟動、軟停止；提高了機組水泵的運行效率；現(xiàn)場噪音大大降低，有效改善現(xiàn)場的運行環(huán)境，運行人員反映良好；便于實現(xiàn)電廠循環(huán)水泵機組控制系統(tǒng)自動化管理。

經(jīng)過改造這個變頻系統(tǒng)就相當于一個自動調(diào)節(jié)閥，用多少，供多少，實現(xiàn)供需平衡，節(jié)約能源。5. 結束語經(jīng)過國內(nèi)變頻器廠家的不斷努力，國內(nèi)變頻器產(chǎn)品水平已達到國際同類產(chǎn)品先進技術水平，國內(nèi)變頻器產(chǎn)品以其性能良好，良好的本地化服務，性價比高，廣泛應用于各行各業(yè)，并且節(jié)能效果顯著，能短期內(nèi)為用戶收回投資。隨著國家目前對節(jié)能減排工作力度空前加大，變頻調(diào)速技術發(fā)展前景十分廣闊，已迎來歷史黃金發(fā)展時期。

編輯：黃飛