国产高压变频器在600MW机组凝结水泵的应用

摘要：本文介绍了ZINVERT系列高压变频器在河北省西柏坡第二发电有限责任公司2×600MW机组的凝结水泵的节能改造应用，从提高高压变频器设备环境适应性等运行稳定可靠性方面出发，提出现场的相应技术性能要求与针对性的应用技术。

1、项目的概况

　　河北省西柏坡第二发电有限责任公司隶属于西柏坡发电厂，坐落于河北省红色革命根据地－－平山县；目前投运机组分三期建成，达240万千瓦的发电规模。一、二期分别装机2X300MW，三期装机为2X600MW的超临界燃煤火力发电机组；为河北南网最大电厂之一。该厂作为“全国质量效益型先进企业”；国家电力公司命名为 “一流火力发电企业”和“双文明单位”一贯重视节能降耗工作，已对2X300MW机组的部分辅机采用国内某高压变频器厂家产品进行了变频调速节能改造，取得了一定的节电经济效益，但由于设备对环境温度及灰尘的影响，在运行过程中多次出现过温保护现象，目前夏季基本处于退出运行、工频旁路运行。

　　2007年，西柏坡电厂对三期2×600MW机组的凝结泵进行变频改造，凝泵电机采用湘潭电机厂产品，额定功率为2300KW。高压变频器的安装位置在凝结泵附近，安装方式为敞开式安装，环境温度相对较高、环境湿度相对较大，对高压变频调速系统提出了更高的质量要求。经过对国产高压变频器产品的技术特点的比较及实际现场考察和竞标，广州智光公司的Zinvert系列智能高压变频调速系统以其较宽的电压波动范围、专利SCP抗短路技术、独有的“STT”核心技术、完善的内置保护功能及较大的设计裕度、环境适应能力强等特点，成为此次凝泵高压变频调速节能改造项目的中标设备，型号ZINVERT－A8H2800/06Y。

　　根据现场安装条件，设备安装于机组零米层的凝结水泵附近空位，开放空间，系统的散热采用辅助风机加强对流。高压变频器采用进出线电缆的上进上出系统，在双方工程技术人员的努力配合下，经过一周时间的安装(图1为现场安装图)、调试，用户现场一次性投运成功。

图1：＃5机凝结水泵变频ZINVERT－A8H2800/06Y的现场安装图

2、凝结水泵变频控制改造

2.1发电厂凝结水泵的作用与重要性：

　　凝结泵是汽轮机热力系统中主要的辅机设备，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，维持除氧器水位稳定；在正常运行状态下，凝汽器内的水位主要根据机组负荷变化进行调整，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；凝结水系统的工艺简图如图2所示。

图2：凝结水系统的工艺图

2.1.1凝泵变频改造前的阀门调节的弊端

　　在大型火电机组中，一般凝结水泵均采一用一备的配备，运行中采用阀门调节，机组在满负荷情况下，凝结泵出口调节阀开度在45％～65％之间，阀门一直处在节流状态下工作，特别是在较低负荷或机组参与调峰时，阀门开度更小，节流损耗大，凝泵效率也迅速降低，能耗增大；再者采用阀门调节时，精度差，水位波动大；阀门长期处于较高压差下运行，磨损较大，同时频繁操作易导致阀门可靠性下降，影响了机组的稳定运行。

2.1.2凝泵采用变频调速改造后的优势

　　对凝泵进行变频改造后，通过变频调节凝泵的转速来调节除氧器的水位；变频调节具有平滑性好，精度高的特点，使水位波动小，利于机组的稳定运行；同时根据泵的运行特性曲线，运行功率与转速的立方成正比关系，转速下降后，节能效果明显；同时采用变频调节后，原调节阀门全开，减少了阀门损耗，也减少了阀门的维护工作量。

2.2凝结水泵变频改造后的控制说明

2.2.1  两台凝泵的运行方式：

　　此次改造分别对5＃机、6＃机的一台凝泵进行了变频改造，配置一台手动工频旁路高压变频系统。以5＃机的凝泵改造为例：5B凝结水泵，通过改变定子频率调节除氧器水位，5A泵仍为工频方式，以调节除氧器水位主辅调节阀控制除氧器水位。正常运行为5B泵变频运行，为保证5A泵及控制部分的有效性，每月15日开启5A泵，并操作控制主辅调节阀，运行5－10分钟后关闭5A主辅控制阀，停运5A泵；在开启与关闭5A泵过程中，5B泵可以投入自动也和投入手动，通过调整频率或5B主辅阀保持除氧器水位的稳定。

 2.2.2 两台凝泵的联锁保护

　　5A、5B泵为一用一备方式，5B变频改造后，禁止5B泵做为备用泵使用，5A、5B原联锁保护不变；但压力低联泵值改为2.3MPa，当凝结水母管压力低至2.3MPa时，5A工频泵自动联起。

　　在变频运行方式下，5B泵主辅阀门通过变频器运行频率及停机信号控制，在变频启动时当转速升至1402rpm，才输出信号打开主辅阀门，在变频器停运或故障跳闸联时，输出信号关闭主辅阀门。

3、凝结水泵改造效益分析

　　2×600MW机组的凝结水泵的变频改造分两期进行，分别利用机组小修期间进行安装调试，并在小修结束后一次性投运成功，设备自投运以来安全稳定运行，节能效果显著。电厂生计部统计数据如下：

600MW机组凝结水泵变频器节能效果

注：工频/变频运行电流均为6kV开关柜进线的电流，母线电压6.3kV左右。

　　由于机组调峰关系，机组的负荷时有变化，由记录数据看，机组负荷越低，输入电流降得越多，凝结水泵电机的从电网输入的功率越低，节电效果越明显，根据该厂的负荷情况，综合节电率可达28%以上。

4、提高高压变频器可靠性的设备选型技术要点

　　目前由于元件耐压、技术成熟等方面的实际情况，目前国内高压变频主回路拓扑一般采用单元级联式，但是各家具有自主研发能力的厂家的产品在控制技术、散热技术等方面又有不同技术，正是由于这些专业化厂家的推动，高压变频技术日趋成熟，特别是一些针对性的技术，大大提高了变频系统的稳定、可靠性；对于类似凝结水泵这类电厂锅炉重要辅机采用高压变频器，建议用户在进行设备选型时需要特别关注以下几个方面：

（1）转速追踪技术：

　　在此技术未推出之前以往高压变频调速系统只能在电机静态下方可启动的情况，在运行过程中若出现保护、干扰等就导致系统停机，且恢复时间较长；此技术可确保电机在调速范围内的任何转速下，无需停车即可直接无冲击启动变频调速系统，从而提高设备的适应性，大大降低了干扰或非系统故障的停机的概率，有效提高了变频系统的稳定、可靠性与设备的利用率。

（2）输出短路保护：

　　高压变频系统的主回路一般采用IGBT元件，其仅能够承受10uS时间的短路电流，若输出电缆或电机发生相间短路，很容易造成变频系统的损坏；近年来随着绝缘材料的发展，电缆电机发生相间短路的可能性越来越小，但相比高压变频器的投入成本，具备输出短路保护功能，可有效降低投资风险。

（3）系统无高压单元监视与调试控制技术：

　　具备此功能的变频调速系统可在无高压输入的情况下，可实现包括功率单元在内的控制系统完全状态监视和无高压条件下完成控制系统调试的功能；功能调试完毕，在短时间内接入生产系统，可大大缩短整个生产系统的改造周期，特别是对于一些特别重要不能停机的负载。

（4）单元直流电压检测与输出电压优化控制技术：

　　对于高压变频调速系统，其单元直流电压采集相对有些困难，但若采用有效的技术手段把单元直流电压采集至控制系统进行电压闭环，可实现对输出电压的优化控制，降低输出电压的谐波含量，保证输出电压的精度，提升系统控制性能，并保证运行维护人员全面掌握功率单元的运行状况。

（5）  单元直流电容老化检测技术：

　　电压源变频系统内部使用电容做为滤波环节，电容的老化不仅与时间有关，还与运行的环境、运行的负载情况等相关，若仅靠使用年限判断，可能造成较大浪费；此技术实现对单元电解电容器进行检测，并与出厂时电解电容器的特性进行比较，可得出对电解电容器寿命的预测，提前预知电解电容器是否可继续运行，避免由于电容器运行出现非预期的系统故障。

（6）单元软充电设计：

　　对于电压源式变频器，上电瞬间滤波电容处于短路状态，对系统、单元整流器件、电解电容器均产生较大的冲击电流；具有预充电功能的系统可避免较大充电电流，避免整流桥、电解电容器受冲击而影响可靠性预使用寿命；同时对于系统母线也避免系统上电时变压器励磁涌流与充电电流同时导致进线电流过大，超过原开关工频运行配置的电动机保护速断保护的误动，从而避免更改整定值或保护切换、加装保护装置等。

（7）合理的结构设计：

　　高压变频的功率器件、移相变压器在运行中的损耗占4％左右，发热量较大，若结构设计不合理，当环境温度较高时系统就可能因过温保护停机，减少了设备利用率，因此采用合理的结构设计、降低对环境的要求可提高设备改造的投资。

（8）综合保护功能：

　　变频器不仅需要具备对本体的保护配置，特别是需要更灵敏的移相变压器的保护，并替代原工频电动机配置的保护功能，保证变频及外围设备组成系统的长期的安全可靠运行。

5、总结

　　通过此次在西柏坡2×600MW机组凝结水泵的变频节能的成功改造，保证了5#机组调峰即灵活又安全可靠，进一步证明国产高压变频调速技术的成熟，国内发电机组的辅机存在着相当的节能降耗空间；经过该厂1期、2期变频改造设备选型与运行情况比较，建议工业企业在选用高压变频调速系统进行节能改造时的选型更加关注产品的技术性能、设备运行稳定性与可靠性，在实际设备运行维护中加强管理，为国产大功率高压变频器进一步的推广应用提供了良好的参考经验，从而为国家节能降耗、环境友好型社会作出贡献。

参考资料

1. 凝泵变频改造汽机运行操作说明及试验措施，2007，河北西柏坡发电有限责任公司

2. ZINVERT系列高压变频调速系统培训教材，2006，广州智光电机有限公司

作者简介

    赖界刚（1980－），男，四川人，现任职广州智光电机有限公司技术服务部，从事高压变频调速节能技术应用工作。