HARSVERT-A型高压变频器在600MW超超临界机组凝结水泵上的应用

摘要：超超临界燃煤发电机组具有煤耗低、技术含量高、环保性能好、节约资源的特点，必将是今后我国火电机组的发展方向。本文着重介绍HARSVERT-A多电平型高压变频器助力华能营口电厂600MW超超临界机组凝结水泵变频节能增效情况，结果表明，采用HARSVERT-A多电平型高压变频器对凝结水泵进行调速节能改造，具有投资省、见效快等特点。

一、引言

　　华能营口电厂位于辽宁营口经济技术开发区，电厂北边紧邻勃海，西南与营口港仅一墙之隔，为北方典型的海滨港口电厂。电厂二期工程为哈尔滨汽轮机厂两台600MW超超临界燃煤发电机组，分别于2007年8月31日和2008年10月14日移交生产。自投产以来，机组各项运行指标良好。

　　3#机组600MW汽轮机配置2台100%容量的立式双吸多级离心式凝泵，由定速电动机驱动。运行方式为一台运行，一台备用。采用凝结泵定速运行，系统存在以下问题：

1.阀门调整节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低，造成能源的浪费。

2.当流量降低，阀位开度减小时，调整阀前后压差增加，工作安全特性变坏，压力损失严重，造成能耗增加。

3.长期40～70％低阀门开度，加速阀体自身磨损，导致阀门控制特性变差。

4.管网压力过高威胁系统设备密封性能，严重时导致阀门泄漏，不能关严等情况发生。

5.设备使用寿命短、日常维护量大，维修成本高，造成各种资源的极大浪费。

　　解决上述问题的重要手段之一是采用变频调速控制技术，利用高压变频器对凝结泵电机进行变频控制，实现供除氧器水流量的变负荷调节。这样，不仅解决了控制阀调节线性度差、纯滞延大等难以控制的缺点，而且提高了系统运行的可靠性；更重要的是减小了因调节阀门孔口变化造成的压流损失，减轻了控制阀的磨损，降低了系统对管路密封性能的破坏，延长了设备使用寿命，减少了维护量，改善了系统的经济性，节约能源，为降低厂用电率提供了良好的途径。

　　随着国家节能减排、建设节约型社会的重要国策深入贯彻实施，以及国产高压变频调速技术的日益成熟，结合华能营口电厂“千家企业节能行动”，将凝结水泵由工频运行改为变频控制已势在必行。汽轮机和凝泵参数见表1-2。

表1：汽轮机规范

表2：凝泵规范

二、动力系统方案

　　经到兄弟电厂调研，结合我厂实际情况，最终确定我厂凝结水系统变频改造采用一拖二手动旁路方案，选用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A型高压变频器。即配备一台高压变频器，通过切换高压隔离开关把高压变频器切换到要运行的凝结水泵上去。高压变频器可以拖动A凝结泵电动机实现变频运行，也可以通过切换拖动B凝结泵电动机实现变频运行。两侧凝结泵电动机均具备工频旁路功能，可实现任意一台电动机的变频运行，另外一台处于工频备用，当高压变频器故障时，系统可联锁另一台工频电机运行。系统原理如图1所示：

图1：凝结水系统变频改造原理图

　　系统基本原理：它是由六个高压隔离开关QS1～QS6组成（见图1）。其中QS2和QS3，QS5和QS6有电气互锁；QS1和QS5，QS4和QS6安装机械互锁装置；QS2和QS5，QS3和QS6有电气联锁。如果两路电源同时供电，A凝泵工作在变频状态，B凝泵工作在工频状态时，QS1和QS3、QS6分闸，QS2、QS4和QS5处于合闸状态；B凝泵工作在变频状态，A凝泵工作在工频状态时，QS2和QS4、QS5分闸，QS1、QS3和QS6处于合闸状态；如果检修变频器，QS1和QS4可以处于合闸状态，其它隔离开关都分闸，两台负载可以同时工频运行；当一路电源检修时，可以通过分合隔离开关使任一电机变频运行。

　　当A凝结泵变频运行故障跳闸时，系统联锁起动B凝结泵，QF2开关工频运行。当B凝结泵变频运行故障跳闸时，系统联锁起动A凝结泵，QF1开关工频运行。

三、控制系统方案

1.改造原则

　　凝结水泵变频改造要在保证除氧器水位调节品质不变，并可以在工作泵跳闸、低水压等特殊工况发生时保证机组正常运行前提下进行变频改造。改造利用现有的设备与系统，原来两个水位调节门全开以减小节流损失，当高压变频器跳闸后，备用凝结水泵以工频方式立即启动，将凝结水打至出口母管，以保证在变频器跳闸时除氧器上水的稳定。两个调整门的开度由当前实际负荷计算得出，而且在10秒钟时间内迅速关到指定位置，最低程度减小系统扰动，维持除氧器水位在正常范围内，保证机组运行。

2.实际改造实施情况

　　变频器的启停通过闭合、断开变频方式下凝结水泵的6kV开关来自动完成，也就是说运行人员在凝泵操作面板上按下“启动”和“停止”按钮，即可完成6kV开关的闭合、断开及变频器的启停控制。由于是一台变频器控制两台凝泵，所以同时只能有一台泵在变频方式下，另一台泵在工频方式，在逻辑中设计了凝泵的变频运行方式和工频运行方式，同时在原系统中分别增加了一套保护和一套联锁，即变频器重故障凝结水泵跳闸保护，变频器重故障备用泵联锁启动。

　　正常运行时一台凝结水泵变频运行，另外一台凝结水泵工频备用，当变频运行且投入自动，除氧器水位调节门按照一定的速率（减小扰动）强制开到95%的位置，变频器通过输出频率的改变来调整凝结水泵的转速，从而通过控制凝结水泵到除氧器的上水量，保证除氧器水位稳定在运行人员的设定值范围内。当水位发生波动时，通过DCS组态中以凝结水流量、主给水流量、除氧器水位三个参数构成的串级回路，输出转速指令至变频器，调整凝结水泵的上水量，以稳定除氧器水位。

　　当就地设备发生故障，例如变频器发“重故障报警”或者凝结水泵突然跳闸等故障时，当前凝结水泵的高压合闸开关断开，并闭合另外一台工频备用凝结水泵高压合闸开关，备用泵工频启动。变频器自动切换到“手动”方式，两个调节门自动切换到“自动”方式，当工频泵启动的瞬间，除氧器上水调整门开度仍然在95%位置，凝结水上水量会因此猛增，为防止除氧器水位超过规定值，两个调节门必须在最短的时间内关到合适的位置，所以逻辑设计了在变频器“自动”方式时调门开度实时跟踪实际负荷的变化，一旦变频器由自动切手动，调门在10秒钟时间内强制关到当前负荷要求的开度且投入到“自动”方式运行。这个开度也是工频正常运行时调整门的理想开度值。当调整门关到负荷计算值位置并且稳定后，从而完成整个凝结水变频故障的无扰切换。

四、冷却系统方案

　　由于变频器本体在运行过程中有一定的热量散失，为保证变频器具有良好的运行环境，需要为变频器配备独立的冷却系统。根据现场的实际情况，综合冷却系统的投资和运营成本、设备维护量、无故障运行时间，针对实际安装位置、发热总量、运营成本、施工费用等因素，此次变频改造采用了强制密闭式冷却方案。

　　为保障变频设备处于安全运行，避免环境温度和粉尘对设备的不利影响，在变频器功率柜侧独立增加密闭式强制冷却系统。该系统作为变频功率柜外的附属装置，能够保证变频功率柜始终处于25～35℃运行环境，大幅度延长滤网更换周期，减少现场维护量。不需要为变频器再独立建筑房屋，变压器柜采用开放式冷却，强制冷却装置与变频器功率柜一体化设计，附着于功率柜顶部，制冷压缩机组安装于变频器柜附近。强制密闭式冷却系统如图2所示：

图2：强制密闭式冷却系统

　　通过实际运行，强制密闭式冷却装置能够满足高压变频器运行过程中的散热需要，设备安装简便、快捷，热交换效率高。

五、节能效果分析

　　在不同工况下，凝结水系统改造前后，凝结水泵及电机的实际运行参数如表3：

表3：凝结水泵及电机的实际运行参数

经计算，各负荷点下的节电率如图3所示：

图3：各负荷点下的节电率

　　以#3机组08年7月平均发电情况来测算，机组月运行小时数为744小时，发电量为3.2809亿kW·h，平均负荷为440.9MW，负荷率为73.5%。从表3中可以查到每小时可节约电流63.3A。折合电量为:P= UICOSΦ=1.732×6×63.3×0.93=611.77kW·h。

　　按上网电价0.393元/kW·h计算， 每小时节约电费合人民币240.43元，按年运行时间8348小时计算，每台机组全年节约电费200.73万元。随着电力市场供求关系的变化，机组的利用小时和负荷率在下降，根据表3与图3中的数据可以看出，负荷率越低，节能效果越显著。

六、结论

　　此次600MW超超临界机组凝结水系统高压变频改造，新增变频设备安装布置在凝结水泵就近位置，节省了高压电缆和土建费用。冷却系统均采用密闭冷却结构设计，风路循环使用，粉尘小、环境稳定，受外界环境因素影响小，大大降低维修、维护人员的工作强度。

　　凝结水系统投入运行后各项测试性能指标良好，两个调整门截流噪音及震动明显减小，凝结水泵电机最大节电率可达50%，平均节电率为34.6%。除氧器上水压力由3.7MPa下降到1.2MPa，特别是低负荷的时候，凝结水泵电流由原来的200A最低降低到60A左右，节能效果十分明显，改造非常成功。

作者简介：朱东升，男，高级工程师，华能营口电厂生产部，主要从事电气专业技术管理工作。