国产高压变频器在水渣系统上的应用

[摘要] 文中介绍嘉兴发电厂为了节能降耗，对水力排渣系统的高压水泵进行变频改造。阐述高压变频器的具体方案、选型和变频原理，并分析应用高压变频调速产生的经济效益。
[关键词] 水渣系统 变频 应用

1、前言
　　浙江嘉兴发电厂拥有两台装机容量各为300兆瓦的机组和四台600兆瓦的机组，总装机为6000兆瓦。其300兆瓦机组配置1025t/h燃煤锅炉，2000年将锅炉干式排渣系统改造为水力排渣系统。
　　交流电动机变频调速是在现代微电子技术基础上发展起来的新技术，它不但比传统的直流电机调速优越，而且也比调压调速、变极调速、串级调速等调速方式优越。它的特点是调速平滑、调速范围宽、效率高特性好、结构简单、机械特性硬、保护功能齐全，运行平稳安全可靠，在生产过程中能获得最佳速度参数，是理想的调速方式是国家重点推广的节电新技术。在2005年，为节能降耗，对水力排渣系统的高压水泵进行变频改造。

2、高压水泵的运行工况
　　水力排渣系统由底渣斗、石子煤排渣系统、排渣供水系统及脱水仓系统组成。水力排渣的主要任务是将炉膛内的底渣经冷却、裂化，以高压水作动力源，将管道中的渣水混合物送至中转仓。在中转仓出口，由渣浆泵把渣浆送至1km以外的脱水仓，将滤出的干渣用车装外运，水由高压水泵回收利用。由于国内水力排渣计算方法有缺陷，不能满足系统水再循环利用要求，需开高压水泵维持循环最小流量。在发电机组负荷变化时，锅炉产生的灰渣也会随之发生变化，高压水的用量也会不同。因而，高压水泵每天约有15小时不需要满负荷出力，处于大马拉小车状态下运行（今后炉底摄像头投用正常后，不冲洗时间将由15小时增到18小时），增加了发电成本。因此，根据本公司实际应用情况，我们通过改进高压水泵控制方式，使水力排渣系统运行更加合理、可靠。将高压水泵的电机控制改为高压变频器控制，通过调节水泵转速来平衡水力系统，保证水力资源的利用充分，减少二次污染；提供平滑、无级的电动加速，减少因离心泵突然启、停时产生液流喘振，对保证机组出渣和节能均有重要意义。

3、具体方案的选择及选型
3.1具体方案的选择
　　在选择调速方案时，我们从节省投资的角度曾考虑过使用调速型液力偶合器，但由于液力耦合器使用中维护工作量大，安装施工周期长，将影响正常生产，我们放弃了该方案。通过详细的调研，考虑到技术的先进性和产品的成熟度，最终决定采用高压变频调速器对高压水泵进行调速改造。面对当今国内外的众多高压变频产品（如：罗宾康、利德华福、AB、西门子等），专业人员对这一新技术进行了全面慎重的考察论证，最后决定采用国产高电压、大功率变频调速装置，原因如下：
　　1、目前国产高压大功率变频器已具备和国外产品相抗衡的技术水平；
　　2、性价比高于国外同类产品。
　　我公司最终选用了国内实力雄厚的北京利德华福电气技术有限公司生产的6kV 高压变频器。

3.2产品选型
　　（1） 适用于高压水泵的电机为6kV，容量为450kW，选用高－高变频器调速方案。
　　由于运行方式不同时，变频器容量的计算方式和选择方法不同。选择变频器容量时，变频器的额定电流是一个关键量。变频器的容量按异步电动机的额定电流和运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。此时，变频器应同时满足以下三个条件：
　　上述式中：PM、η、cosφ、UM、IM分别为电动机输出功率、效率（取0.85）、功率因数（取0.75）、电压（V）、电流（A）。K：电流波形的修正系数（PWM方式取1.05～1.1）。PCN：变频器的额定容量（KVA）。ICN：变频器的额定电流（A）。
　　（2） 一次接线方案：采用“一拖一”带工频旁路方案。
　　为了充分保证系统的可靠性，为变频器同时加装工频旁路装置，变频器异常时，变频器停止运行，电机可以直接手动切换到工频下运行。工频旁路由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成（见图，其中QF为甲方原有高压开关）。要求QS2不能与QS3同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。为了实现变频器故障的保护，变频器对6KV开关QF进行联锁，一旦变频器故障，变频器跳开QF，要求对QF的合分闸电路进行适当改造。工频旁路时，变频器应允许QF合闸，撤消对QF的跳闸信号，使电机能正常通过QF合闸工频启动。
　　（3） 控制原理：用PLC实现压力PI调节控制，保证管道压力恒定。经控制系统处理，输出4-20mA的速度给定信号给变频器，实现泵转速的自动调节。变频调速系统配置上位机，上位机可安装在控制室，通过上位机可以对变频器进行启动、停机、调速等控制，并可在上位机上显示变频器的运行数据和当前状态。为了保障调速系统的可靠性，在操作台配置对变频器的控制按钮，也可以对变频器实施启动、停机、加速和减速控制。
　　（4） 隔离开关、泵出、入口阀门、泵故障等联锁保护。
　　（5） 设置过流保护，泵低速保护。
　　（6） 保护行为：用PLC实现，为了提高系统的可靠性，尽可能减少对变频器停送电次数。　　

4、HARSVERT-A06/130型高压变频器原理及特点
　　Harsvert-A系列高压变频器是由北京利德华福电气技术有限公司生产，该系统为电压源型高压变频器，具有运行稳定、调速范围广、输出波形好、输入电流谐波低、功率因数高、效率高等特点，对电网谐波污染小，总体谐波畸变THD小于4%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，不必采用输入谐波滤波器，功率因数高，不必采用功率因数补偿装置，输出波形好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。
　　Harsvert-A系列高压变频器采用单元串联多电平PWM拓扑结构（简称CSML）。由若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出,高压主回路与控制器之间为光纤连接，安全可靠；
　　电网电压（6kV）经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电机。6kV输出电压每相有7个额定电压为480V的功率单元串联而成，输出相电压3450V，线电压达到6kV左右，每个功率单元承受全部的电机电流，但只提供1/7的相电压和1/21的输出功率。
　　每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的，即使在电动机电流出现不平衡的情况下，也能保证各相位组的电流基本相同，达到理想的谐波抵消效果。对6kV输出电压，给21个功率单元供电的21个二次绕组每3个一组，分为7个不同的相位组，互差60/7度电度角，形成42脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真低于4%，输入功率因数可以达到0.95以上。
　　 逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波。输出电压每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt很小，功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，且输出电平数增加。6kV输出电压输出相电压为15电平，线电压为29电平，输出等效开关频9KHz，电平数和等效开关频率的增加有利于改善输出波形，降低输出谐波，由谐波引起的电机发热、噪音、转矩脉动等都大大降低，可以直接用于普通异步电机，不会产生输出电缆较长时行波反射引起的浪涌电压增加而造成电机绝缘破坏问题。
　　采用功率单元串联，而不是功率器件串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。直接使用低压IGBT功率模块，器件工作在低压状态，不易发生故障；6kv变频器共使用42对1200V低压IGBT，低压IGBT门极驱动功率较低，驱动电路非常简单，开关频率很低，不必采取均压电路和浪涌吸收电路，系统效率高，同时功率单元采用电容滤波的结构，总体技术成熟可靠。
　　变频器可以承受30%的电源电压下降而继续运行，变频器的6KV主电源完全失电时，变频器可以在3秒内不停机，能够全面满足变频器动力母线切换时不停机的需要。另外6KV主电源欠压时可不停机，自动降额，电压正常后再恢复到原来速度。
　　功率单元采用模块化结构，同一变频器内所有功率单元结构上完全一致，可以互换，维修非常方便，更换功率单元只要拆除3个交流输入端子和2个交流输出端子，以及1个光纤插头，就可抽出整个单元。当某一功率模块发生故障时，用户在5分钟内，经过简单的操作就可以用备用功率模块进行更换，保证系统可靠运行，所有功率模块均有两个指示灯，一个是带电指示，另一个是运行指示，模块的运行状态一目了然。
　　功率单元为多极模块串联，某个模块发生故障时自动旁路运行，便于现场采取对应措施；即在每个功率单元输出端之间并联旁路电路，当功率单元故障时，封锁对应功率单元IGBT的触发信号，然后让旁路SCR导通，保证电机电流能通过，仍形成通路。为保证三相输出电压对称，在旁路故障功率单元的同时，另外两相对应的两个功率单元也同时旁路。对于6kv的变频器每相由7个功率单元串联而成，当每相1个单元被旁路后，每相剩下6个功率单元，输出最高电压为额定电压的86%，输出电流仍可达到100%，输出功率仍可达到86%左右，对于水泵负载转速仍可达92%以上，基本能维持生产要求，大大提高了系统运行的可靠性。
　　输入干式变压器免维护，可靠性高。变压器的防护与变频器共同防护为IP21防护外壳，可防止直径大于12mm的固体异物及鼠、蛇、猫、雀等小动物进入，造成短路停电等恶性故障，为带电部分提供安全屏障。
　　高效率（>96%），输入功率因数高（>0.95），电流谐波少（<4%），无须功率因数补偿/谐波抑制装置；输出阶梯正弦PWM波形，无须输出滤波装置，对电缆、电机绝缘无损害，电机谐波少，减少轴承、叶片的机械振动，输出线可以长达1000米；减少配件的损耗，延长设备使用寿命，提高劳动生产效率。
　　高的调速精度和精确的输出频率分辨率（0.01HZ），输出频率0.5Hz—120Hz连续可调，完全可以满足电力机组生产工艺工况的要求；电机可实现软启动、软制动，转速自动控制；启动电流小于电机的额定电流；电机启动时间可连续可调，减少了对电网影响。
　　变频器预装具有自主版权的全中文操作和监控软件，本机及远程启停操作、功能设定、参数设定、故障查询、运行记录查询等均采用全中文操作界面；配备彩色液晶触摸显示屏，可实现完整的通用变频器参数设定功能，可打印输出运行报表；调整触摸式面板，可随时显示电压及电流波形、频率和电机转速，可非常直观地显示电机在任何时间的实时状态；具有很强的诊断、指示能力：可检测变频器各部分的运行状态，完整的故障监测电路、精确的故障定位，所有的功率模块均为智能化设计，当有故障发生时，将故障信息返回到主控单元中，主控单元会及时将主要功率元件IGBT关断，保护主电路，同时在中文人机界面上精确定位显示故障位置、类别，使故障点一目了然，适应于一般操作工人和维护人员的技能水平。
　　变频器直接内置有PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要；与机组的DCS系统实现真正的无缝接口。
　　采用外部模拟信号控制变频器输出频率时（变频器作为DCS的执行机构），如果发生模拟信号掉线或短路时，变频器可以提供报警信号，同时保持原有输出频率不变。
　　变频器控制电源可接收交流220V和直流220V输入，并配备有UPS，在控制电源发生故障时可以继续运行，同时提供报警。

5、效益分析
　　从节电的角度考虑，因节电而直接带来的经济效益与机组的年运行时间、平均负荷率、电费水平等因素有关。假设渣系统的年运行时间为6000小时，平均负荷率80%，厂用电为0.37元每度，高压水泵总耗电在变频改造前后分别占发电量的2.5%和1.4%，则：
　　改造前每年机组发电量为100000×0.8×6000=48000万度，高压水泵总耗电为48000×2.5%=1200万度，改造后高压水泵总耗电为48000×1.4%=672万度，改造前后高压水泵节约用电为1200-672=528万度，折算电费为195万元。
　　实际上，机组采用变频调速改造后，由于对电机实现真正的软启动，对电机、水泵、阀门、高压开关等设备以及电网的启动冲击大大减少，它们的使用寿命得以延长，可以大幅度节省这些设备的维护费用。另外，变频器高精度、宽范围的无级调速功能，不仅全面满足了电厂峰荷动态调节的需要，而且变频器属于高度智能化的新型高科技设备，与电厂以太网系统实现真正的无缝连接，提高了生产效率和机组自动化水平，大大改善了电厂的工作和生产环境。