高壓變頻調速裝置在十里泉電廠補水泵上的應用

摘要：本文從節能及投資回報、運行可靠性等方面對高壓變頻的應用進行評估，介紹了高壓變頻調速在發電廠補水泵上的應用方案、試驗和運行情況，并總結變頻運行的特點。
　　

關鍵詞：高壓變頻、風機和泵、節能、可靠性

　　
前言：

　　發電廠風機和泵類大型電動機均由高壓電動機驅動，它們包括送風機、引風機、一次風機和各種水泵，這些高壓電動機的耗電量占整個廠用電的80％左右。目前，發電廠風機和水泵的設計裕量明顯過大，而且大都采用節流調節，因此風機、水泵以及異步電動機都運行在中低負荷的低效率區，能量損耗相當大，如果機組調峰運行，整個拖動系統效率將更低。
　　
　　 隨著電力電子技術和微處理器技術的發展，到上世紀90 年代，6KV、10KV等級的高壓變頻調速裝置的研制生產成為可能，經過近十年的發展，高壓變頻技術進展非常快，產品穩定性和可靠性達到實用程度，市場趨于成熟，近年來有很多成功應用于發電廠的案例。因此，采用高壓變頻調速裝置對大型用電設備進行改造成為發電廠節能降耗、提高機組自動化程度、提高企業競爭力的重要措施。
　　
　　

1、立項評估

　　1.1、節能及投資回報評估
　　 由風機和泵的變速調節特性可知：流量Q 正比于轉速N，壓頭H 正比與N2，而功率正比于N3。從理論上分析，當流量由100％降至50％，則轉速可從100％降至50％，此時壓頭降低4 倍至25％，而電機的軸功率則可降低8 倍至12.5％。實際上，扣除因轉速下降引起的電動機效率下降、以及變頻調速裝置本身效率等因素，節能效果仍相當顯著，一般可達30％－60％，視發電機組運行的負荷度和風機和泵管路系統而不同。
　　
　　 十里泉發電廠目前由三十公里外的水源地供水，水源地共裝有五臺水泵，均由560KW/6KV 高壓電動機拖動，多數情況下開1－2 臺泵運行就可以滿足發電要求，采用手動節流調節方法控制水流量。如果節流閥開度不大、并且水流量足夠，則停一臺水泵；如果節流閥全開仍不滿足水流量要求，則再開啟一臺水泵，由于管道長達三十公里、且節流閥始終處于調節狀態，如選擇一臺水泵進行變頻調速改造，節流閥全開，實現恒水壓控制，不但具有良好的節能效果，泵站的控制特性也大為改善。
　　
　　 變頻改造后，如變頻泵平均流量降低到80％（與節流閥全開相比），則理論上，功率降低為51.2％，扣除電動機和變頻器功率損失、再扣除節流調節時也具有一定的節能效果，功率可降低到65％以下，平均節能應在35％以上。工頻運行平均負荷按0.95×560KW 計算，每年運行300 日7200 小時，每年節電134萬度，按上網電價算兩年不到收回投資，如按售價算，則一年收回投資。
　　
　　1.2、高壓變頻調速裝置選型
　　 對于6KV 等級，目前主要有三種方式的高壓變頻裝置：單元串聯多電平型、三電平型和電流源型。由于單元串聯多電平方式容易實現冗余運行，在單元故障時能進行旁路而不影響電動機連續運行，并且具有諧波小、dv/dt 低、技術成熟等顯著優點，因此決定采用這種方式的高壓變頻器。
　　
　　 對國內外各廠家的單元串聯多電平型高壓頻裝置進行性能價格比較和運行可靠性評估，選用了上海科達機電控制有限公司和上海發電設備成套設計研究所生產的MAXF700-6000/750 型高壓變頻調速裝置，該類型產品還具有如下特點：
　　功率單元冗余運行、故障時自動快速旁路。
　　可在線更換功率單元，不需停機。
　　采用無極性電力電容代替電解電容，提高裝置壽命和整體可靠性。
　　采用特制散熱器，使功率單元溫升小，裝置體積小。
　　輸出dv/dt 低，電動機絕緣不受損害。
　　電網自動重合閘后繼續運行。
　　
　　1.3、控制方式
　　 變頻改造后，采用裝置內置的PID 控制器實現自動恒水壓控制，壓力變送器安裝在母管上，無論是變頻泵單獨運行，還是工頻泵與變頻泵并列運行，均由變頻泵進行水壓調節。變頻裝置設置運行頻率高限和低限，以防止變頻泵空轉。設壓力過高和壓力過低指示以提示運行人員停止、開啟工頻泵。變頻裝置安裝在高壓柜廠房，采用遠方控制，遠方可顯示壓力當前值和設定值、輸出頻率和輸出功率，可進行自動/手動運行方式切換，自動為恒水壓運行，手動為恒頻率運行。
　　
　　

2、試驗和運行

　　 裝置現場安裝、現場調試以及投入正常運行全過程相當順利，隨后設置了裝置參數、電動機參數、整定了自動恒水壓控制的PID 參數、測量和整定了裝置運行頻率高限和低限，并進行了一系列功能試驗和特殊工況試驗：
　　觀察輸出電壓電流波形，如圖一

圖一：裝置電壓電流波形（電流滯后）

　　單元切換和自動平衡試驗：在額定負荷時，依次切換1－15 功率單元，電動機始終保持連續運行，且單元投切后三相電壓電流保持平衡。
　　
　　自動手動切換試驗：在自動恒水壓控制和手動恒頻率控制之間切換，裝置運行頻率和水壓波動不超過規定值。
　　
　　自動運行時階躍響應試驗：由于變頻泵在運行時，要承受工頻泵的開停沖擊，這相當于約20％的階躍量，因此，試驗時，在自動運行狀態下對設定值施加20％階躍變化，超調量和振蕩次數不超過規定值。
　　
　　變壓器和裝置溫升測定，額定連續運行24 小時，測定輸入移相整流變壓器和各單元溫升。
　　
　　變頻泵運行時，工頻泵投切試驗：自動運行時，升高設定值到裝置給出“壓力過低”報警信號，投入一臺工頻泵，此時變頻泵應自動降低轉速并將母管壓力調節到設定值，超調量和振蕩次數不超過規定值，報警信號自動消失。降低設定值到裝置給出“壓力過高”報警信號，切除一臺工頻泵，此時變頻泵應自動降低轉速并將母管壓力調節到設定值，超調量和振蕩次數不超過規定值，報警信號自動消失。
　　
　　 高壓變頻投入運行后，節流閥全開，采用遠方自動恒水壓控制方式，平時運行人員只需改變壓力設定值（在操作室用按鈕進行升降設定），多數情況下，變頻器運行在40Hz 左右，功率270KW 左右，高壓輸入電流30A 不到，而50Hz定速運行時功率約530KW，高壓輸入電流60A 左右。
　　
　　

3、節能情況

　　 高壓變頻調速裝置用于拖動發電廠大型風機和泵電動機，不僅節能，而且大為改善控制特性和運行特性。目前，高壓變頻技術日趨成熟，其運行可靠性已達到發電廠要求，建議大力推廣使用。