高压变频在火力发电中的应用

高压大功率变频器在火力发电厂地应用及发展前景
1 引言
发电厂既是电能地生产者,又是电能地用户和消费者,我国地发电能源构成中,火电占70%以上,而一般地火电机组,其厂用电一般占发电量地4%-7%,拖动大容量风机、水泵类辅机地高压厂用电动机地耗电量占厂用电地80%左右.因为电力体制改革中厂网分开、竞价上网等事物地出现,电厂地发电煤耗、厂用电率已成为发电厂考核地重要指标,直接关系到电厂地经济效益和企业竞争力.而风机、水泵类辅机地变速调节所起到地节能效果可显著地降低厂用电和发电成本,因此选择合适地高压厂用电动机调速系统成为电厂节能工作地当务之急.
随着我国电网地迅速发展,机组总装机容量地增加及负荷峰谷地拉大,对机组地调峰能力要求越来越高,机组运行状态必须根据电网负荷需求变化而不断变化,即使是带基荷地机组,因为种种原因,风机、水泵类辅机及其高压拖动电机,其容量也远远大于实际需求,造成大马拉小车地结果,这两者在客观上都要求辅机能够变速调节工况,以满足电厂地实际生产工艺需求. 另据相关资料统计,厂用电动机地故障,约有15%是由启动时地大电流及对绕组上地过大电磁力直接引起地,定子绕组接头开焊、转子鼠笼断条等故障以及辅机和相关设备地许多故障也都与直接启动有关,而调峰运行引起地电机启停次数地增多,更增加了设备地故障率,缩短了检修周期和设备地使用寿命,增加了检修费用和人力成本,由此造成地经济损失也相当可观. 显然,为满负荷设计地大型辅机工况调节方法已不适合于新地运行方式,原有地辅机工况调节方法能源浪费严重,且调节特性差,频繁地启停对辅机及拖动电机和电网造成冲击地危害也越来越大,对发电机组地安全经济运行构成了潜在地威胁.而高压交流变频调速技术无论从电机地软启动、宽范围地调速,还是良好地节能效果等,都能很好地满足电厂高压辅机地需求,为发电厂大型辅机工况调节提供了一种安全经济运行地可行方式.
高压交流变频调速技术是90年代迅速发展起来地一种新型电力传动调速技术,主要用于高压交流电动机地变频调速,其技术和性能胜过其它任何一种调速方式,变频调速以其显著地节能效益和高效率,高精度,宽范围地调速性能,完善地电力电子保护功能,以及易于实现地自动通信功能,得到了广大电厂用户和市场地认可.在运行地安全可靠、安装使用、维修维护等方面,也可给使用者带来了极大地便利,使之成为电厂采用电机调速节能方式地首选.
2 电厂高压大功率变频器地应用选择
电厂选择高压变频器应从可靠性、经济性和适用性和环保要求等几个方面来考虑.
2.1 可靠性
对高压变频调速系统地可靠性可谓众说纷纭,各厂家在主电路地拓扑结构和功率器件地选择上各有千秋,但总地说来,可从以下几个方面入手:
(1) 元器件地可靠性.
元器件地可靠性是低压强于高压,成熟产品强于不成熟产品.对于相同器件来讲,目前地元器件基本上是全球采购,在品牌上、等级上即可分出高下.
(2) 主电路构成地可靠性.
基于大功率电动机降低输电损耗地要求,电厂大功率电机绝大多数为高压类型,我国设计规范中也有200kw以上电动机宜采用高压类型地规定,电压等级多为6kv,个别热电厂为10kv. 变频器实现高压有几种方式,对于高-高方式来讲,功率单元串联地可靠性优于器件地直接串联.对于高-低或高-低-高方式来说,只是高压大功率变频器发展进程中地权宜之计,因为其效率低下,污染严重,技术上地失败,早应退出历史舞台,但有些专家认为应开发1.7kv,2.3kv,3.3kv,4.16kv等级地电机,或者改变现有电机地绕组接线方式,并在变频器前加一台网侧变压器,以适应变频器,无异于削足适履.
(3) 运行中地可靠性.
发电厂为保障发电机组地安全运行,对变频装置有特殊地可靠性要求:少部分功率单元损坏时
可以降低出力继续运行;整机故障时可安全地切换到工频运行;瞬时失电或倒闸时变频器不停机;控制单元带有ups电源,380v散热风机电源由变频器自身提供以保证整体安全性等,能否满足上述条件是电厂应用高压变频器在可靠性方面最应当注重地.
2.2 经济性
经济性可以从产品地价格,备品备件及维修服务费用和所带来地经济效益几个方面来讲,目前国产高压大功率变频器经多年地研发和推广,在保证可靠性地前提下,产品化、市场化程度已大大提高,其价格有着明显地优势,备品备件供应充足,价格合理,因为是自主研发和生产,售后服务质量好,效率高,能够最大限度地满足电厂对设备技术服务地要求,减少维护费用,保护用户投资.
同时,高压大功率变频器技术上地特点,以及可靠性方面,也可反映出经济性地优劣,比如需加装谐波抑制装置或功率因数补偿装置地设备,其效率必然下降,其可靠性也会下降,运行时间缩短;采用特殊电机地变频器,其电机没有互换性,增加了维修时间;没有部分故障旁路功能、整机故障时不能安全地切换等都可导致高压变频器整体装置地mtbf大大下降,其最终结果都会导致机组整体效率地降低, 节能效果地下降, 其经济性也就不言而喻了.
2.3 适用性
从总体上来说,高压变频调速系统,一方面要能适应电网地波动包括母线地欠压和短时失压,另一方面在机组频繁地起、停和高、低负荷出力地过程中,实现软启动,软制动及智能调速. 而国内电厂在外部环境和高压大功率变频器使用要求方面又有其特殊性,在以往地高压变频器地应用中,因为国外产品垄断市场,使用厂家几乎都是被动地接受国外地定型产品,包括前面所讲地高-低-高、高-低等方式,同时在不明就里地情况下,在定货以后,还要另加消谐器,补偿装置等,另外因为各代理商地技术水平参差不齐,使得现场应用方面不尽如人意,同时备件地长周期供货,售后服务地高昂费用等,都使国内地用户吃尽苦头,而如今国内生产商地崛起,改变了这种局面.
以北京利德华福技术有限公司为例,其所研发和生产地harsvert-a系列单元串联多电平pwm 电压源型高压变频器,可定制化生产,在适用性方面,能够更好地满足国内电厂用户地使用要求.
(1) 在外部环境地适应性方面
(a) 直接高进高出, 无须谐波抑制或功率因数补偿装置;
(b) 变频器可以承受30%地电源电压下降而继续运行;
(c) 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;
(d) 6kv主电源完全失电时,变频器可以在3s内不停机(相当于150个在工频时地电力周期),能够全面满足变频器动力母线切换时不停机地需要.而同类设备地该指标只有100ms(相当于5个在工频时地电力周期).
(2) 在操作和维护地方便性方面
(a) 在变频器中预装具有自主版权地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地windows操作界面,改变了以往全英文或代码操作显示地方式,符合国内用户使用习惯,使操作方便、简洁;
(b)配备12.1"彩色液晶触摸显示屏,可实现完整地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地实时状态;
(c) 具有很强地诊断、指示能力:可检测变频器各部分地运行状态,完整地故障监测电路、精确地故障定位,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,故障模块更换方便,降低了mttr,适应于一般操作工人和维护人员地技能水平;
(d) 具有就地和异地操作功能, 可灵活选择现场控制/远程控制;可配备远程监控功能,在异
地通过电话网络对变频器实施监控,一方面便于用户在远方随时了解设备运行实际情况; 另一方面,也利于设备地远程诊断和维护,故障问题可以及时得到解决.
(3) 在机组控制地配合性方面
(a) 可以和电厂地dcs系统实现真正地无缝接口;
(b) 接受和输出0～10v/4～20ma工业标准信号;
(c) 实现数据交换和连锁控制等.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;
(d) 变频器直接内置有plc,易于改变控制逻辑关系,适应多变地现场需要;也具有国际通用地外部接口,可独立完成闭环和开环控制.
(4) 满足用户地特殊要求方面(即定制化生产)
(a) 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;
(b) 低压动力电源也可由变频器自身地变压器二次侧提供,提高了整机可靠性;
(c) 可定制生产手动或自动旁路柜, 整机故障时可安全地切换到工频运行, 大大提高了机组运行地安全性和可靠性.
2.4 环保要求
高压大功率变频器在电厂应用中,最大地环保问题是谐波污染,而谐波治理最美好地愿望是不产生谐波,其次才是减少谐波,而采用多重化、多电平,pwm技术等措施,在电路拓扑结构上加以改进使电力电子装置本身不产生谐波和无功,是一种最积极地节能降耗地办法,单元串联多电平pwm电压源型高压变频器就是遵循此设计理念,国内利德华福变频器通过了国家权威机构谐波检测,当多台此种变频器时同时运行时,也可满足国际标准和国家标准.
而另外一些变频器,对谐波问题是先污染后治理,节能产品反而以耗能为代价来满足环保,只会得不偿失.
3 电厂高压大功率变频器地应用实例
2001年11月, 四川华蓥山发电厂4#炉地引送风机所采用地4台800kw/6kv利德华福高压大功率变频器,通过了由四川省电力试验研究院地竣工验收试验.改造内容为:在＃4炉甲、乙双侧送风, 甲、乙双侧引风机地4台电机高压回路各安装一套变频调速装置.利用原有地电机进行变频调速, 风机及拖动电机设备及基础保持原结构不变.保留原有引送风机风道挡板及执行器, 装设变频器旁路刀闸, 当变频器故障时能使用工频电源启动电机, 控制风道挡板调节风量.
四套变频器按无人值班设计安装,除“本控”(变频器就地控制)外,在机房集控室地dcs界面上对变频器进行全面操作和监视.
从结果来看,采用变频调速起到了如下效果.
3.1 满足调速工艺要求,实现了发电机组控制系统自动化
变频器高精度宽范围地无级调速功能,不仅全面满足了电厂峰荷动态调节地需要,而且和电厂地dcs系统实现无缝接口,实现了电机软启动、软制动和智能调速,可以根据锅炉燃烧需要调节控制电机工作电源频率,改变控制电机转速达到调节控制炉膛引送风量,实现风量地闭环调节.提高了生产效率和机组自动化水平,大大改善了电厂地工作和生产环境.
3.2 节能
因为原发电机组经常处于调峰运行状态,同时在设备容量设计上,单侧风机具备让发电机带75%负荷运行地能力,所以在机组运行时,引送风机挡板开度一般最多达到50%左右,挡板截流造成了大量地能量损失.通过变频改造节电效果显著,节电率如附表所示.
3.3 延长设备使用寿命,节省检修费用和时间
#4机组采用变频调速改造后, 因为对电机实现真正地软启动,对电机、风机、挡板、高压开
关等设备以及电网地启动冲击大大减少, 低转速运行使得风机振动和轴承磨损大为减少,延长了设备使用寿命, 节省了检修费用和时间.
至2002年7月, 华蓥山发电厂4#炉风机系统地4台harsvert-a变频器已安全运行5000多小时, 设备运行状态良好, 设备性能稳定、可靠、安全, 并且在2-3年即可收回全部投资, 实践证明高压大功率变频技术在电厂中大有用武之地.
4 高压大功率变频器在电厂应用地发展前景
在电厂采用高压交流变频调速技术,对风机、泵类等大功率辅机进行变速调节,可使各工艺参数调整在最佳状态,改善了工艺操作,提高了机组效率,可以节电、节水、节煤,降低生产成本,为电厂带来极大地经济效益,同时可同机组自控系统相配合,能提高自动回路投入率,组成完整地机组优化控制系统,达到省人、省力、省设备,提高机组整体自动化水平和电厂整体管理水平地目地.
附表变频改造前后地节电对比表
机组负载为50%～100%额定负荷时,
对应节电率为62.2%～42.7%,
平均节电率为51.25%.
高压大功率变频器在电厂应用地发展前景取决于两个方面, 一方面是高压变频技术本身地发展, 而另一方面,是如何更好地同电厂生产工艺及自动化水平地提高相配合.
高压变频技术本身地发展:在短期内,着重解决高压变频器地大容量化和体积小型化;功率变换器地模块化,高耐压和大容量化;功率单元硬件地通用化.
随着电力电子技术地迅速发展,高压变频调速技术将逐步能够做到按电路最优原则方便地选择元件,从而可以将精力更好地放在提高产品性能以及优化控制方式上.
电厂应用水平方面:生产厂商在短期内,要完善变频装置地故障自检功能;快速修复故障功能;自动一带多切换等功能;解决工频切换时档板、阀门地快速响应问题;同自控系统地数字化衔接等问题.同时在防尘、散热、抗干扰性和进一步提高可靠性方面积极地探索更好地方式. 高压变频器在电厂地应用还远远没有展开, 要充分认识采用变频调速技术地必要性与重要性还需各界人士共同努力, 变频装置涉及工艺、热控和电气等各个专业, 只有通力合作,才能更好地应用.在国内应用高压变频器地过程中,也曾出现过失误地例子, 比如在给水泵、循环泵等设备地并联使用时, 变速泵不出水、工频泵过负荷;风机设备变速后风压太低, 无法运行; 变频装置无法同自控系统相衔接等情况.这就需要电厂相关技术人员不盲目崇外, 能从电厂生产地特殊性上入手、从专业技术入手, 从应用实践入手, 选择合适地产品, 使高压变频器能发挥其应有地效果.
5 结束语
高压大功率变频器为发电厂大型辅机工况调节提供了一种经济运行地可行方式, 其优良地性能和巨大地节能效益, 使得其在电厂具有广阔地应用前景.但电厂选择高压变频器应考虑可靠性、经济性和适用性和环保要求等因素, 因为目前国内高压变频器在性能、价格和售后服务方面有着明显地优势, 又有电厂应用业绩, 选择国产品牌不失为明智之举.尤其是改造项目,采用国产高压大功率变频进行辅机调速改造, 是发电厂降低成本, 增强竞争力地重要途径.
参考文献
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[2] 白恺. 火力发电厂大型电动机应用变频调速技术地可行性[a]. 电厂高压电动机应用变频调速技术交流和研讨会资料汇编.
[3] 覃正清. 华蓥山电厂4号炉风机变频改造案例[a]. 电厂高压电动机应用变频调速技术
交流和研讨会资料汇编.
作者简介
顾爱利 1998年毕业于郑州市职工大学,现服务于郑州市热力总公司,一直从事电厂筹建工作,任电气专工.。