高压变频器在600MW汽轮发电机组凝泵上的应用

高压变频器在600MW汽轮发电机组凝泵上的应用
摘要:本文介绍了调速节能技术原理及调速节能技术在火电厂凝结水泵上的应用，分析了凝结水泵改为变频调速后的安全性和经济性；并讨论了华能伊敏煤电有限
责任公司伊敏电厂使用变频调速后,如何避免凝泵与变频器发生共振,如何避免变
频器散热不佳引起电耗的问题，以及运行中异常处理。

关键词: 高压变频器；凝结水泵；厂用电率；节能降耗；
前言
华能伊敏煤电有限责任公司伊敏电厂二期2×600 MW 机组汽轮机是由哈尔滨
汽轮机厂设计、生产的亚临界、一次中间再热、单轴、三缸、四排汽、凝汽式汽
轮机，机组型号N600-16.7/538/538型。

凝结水系统为单元制，每台机组设置2
台100％容量的离心式凝结水泵，凝结水泵为一运一备。

凝结水泵额定流量
1590M3/h，出口扬程3030M，电机功率1800KW，电流204A。

单元机组厂用电
率约为５.２５%，其中给水泵耗电率的０.2０%，循环泵耗电率的０.９－１%，引风机耗电率的０.８%、送风机耗电率的０.４%、磨煤机耗电率的１.２%、凝结水
泵耗电率的０.３６%。

这些高压电机约占综合厂用电量的75%~80%。

因此，提高
电厂高压辅机的效率是降低厂用电率的一项可行性措施。

目前火电厂的主要辅机
是风机和水泵，这些机械大部分都是恒速运转，在风道或管道中采取挡板或者节
流阀来控制流量。

这种运行方式效率低，如果改变一下运行调节方式，则可以大
量节约厂用电，节能降耗,为此华能伊敏煤电有限责任公司伊敏电厂对二期单元机
组两台凝结水泵的驱动电源进行变频调速技术改造。

1 厂用电电动机调速节能的方法
1. 1 变频器调速节能的原理
根据流体动力学理论可以知道，负载的流量与转速的一次方成正比; 负载的
扭矩（压力）与转速二次方成正比;而泵的功率则与转速的三次方成正比，当负荷
变化而泵转速降低时，输出功率将按三次方递减可使功率大幅度降低。

而异步感
应电动机的转速n与电源频率f、转差率s、电机极对数p三个参数有如下关系：
N=60f(1-s)/P；在极对数P一定，而转差率S 又变化很小的情况下, 转速N 基本上
与电源频率f 成正比, 即改变电源频率就可以改变转速。

转速N与频率f 之间成线
性关系, 当频率f 在0～50Hz 变化时,转速调节范围是非常宽的。

而传统的电动机
输出功率调节是通过改变泵阀门的开度来实现,在这种情况下,电动机总是处在额
定的转速下运行,机组负荷发生变化时,大功率电动机并不随机组的负荷变化而改
变转速,而是靠改变阀门的开度来改变水量,存在严重的节流损失。

基于这一原理,
可用变频器实现转速调节，达到节能目的。

1. 2 凝结水泵调速节能用的变频器原理
1.2.1 高压变频调速系统基本电气原理见图1 所示，是单元串联多电平48脉
冲整流方式，由四大部分组成:移相变压器、功率单元、控制电路和旁通开关柜组
成（本图旁通开关柜部分没有表示）。

其基本工作原理是:6kV高压电经过移相变
副边三相输出的降压、隔离绝缘、移相（相互间有固定的相位差15°）消除谐波、输送给各个功率单元；每个功率单元为三相六脉冲输入、单相输出，每个功率单
元相当于一台交-直-交电压型单相输出的低压变频器，由移相变压器的一组副边
供电，通过三相全桥二极管整流器将交流输入整流为直流，经滤波并将能量储存
在电容组中。

电容组根据单元电压选择并联或串连，逆变输出侧为四个IGBT组成的H桥，控制电路接收主控系统发送的PWM信号，通过用相同的移相角触发，
按照一定规则对IGBT的导通和关闭进行控制，使逆变输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，代替输出的交流PWM波形电压，从而改变逆变电路输出
电压的大小和频率；单个功率单元的输出电压瞬时值为620v，同一相上相邻8个
功率单元的输出端U、V相互串联，即将每相8个功率单元的输出电压叠加，产
生多重化的相电压波形。

得到相电压有效值为620v×8／√2=3508 v，最终三相星
型连接对应的线电压为3508 v×√3=6075 v，实现变频后的高压正弦波输出，直接
驱动6KV电机带动凝结水泵。

图1变频器电路原理示意图
1.2.2 功率单元结构如图2所示，主要由输入熔断器、三相全桥式整流器、预充电回路、电容器组、IGBT逆变桥、直流母线构成，同时还包括电源、驱动、保
护监测、通讯等组件组成的控制电路。

各功率单元具有完全相同的结构，有互换性。

监控电路实时监控IGBT和直流母线的状态，将状态反馈回主控系统。

如果高压变频器一相中的某个功率单元出现重故障时，主控制电路将该功率单元同一侧IGBT同时接通，使单元进入旁通状态，同时在其他两相中也旁路掉相应功率单元，使变频器在降额的情况下继续运行。

图2变频器功率单元电气原理示意图
2 凝结水泵的运行工况
在汽轮机内做完功的蒸汽到凝汽器冷却凝结之后集中在热水井中,这时凝结水
泵的作用是把凝结水及时地送往除氧器中。

维持凝结水泵连续、稳定运行是保持
电厂安全、经济生产的一个重要环节。

监视、调整除氧器内的水位是凝结水泵运
行的一项重要工作。

在正常运行状态下,除氧器内的水位不能过高或过低。

当机组
负荷升高或降低时,由于除氧器进出口流量发生变化,除氧器水位发生波动,需要及
时调节凝结水流量以保持除氧器水位。

3 变频器在凝结水泵上的应用
华能伊敏煤电有限责任公司伊敏电厂二期每台机组配置两台凝结水泵, 采用
定速电动机拖动，正常情况下运行一台，另一台备用，并互相联锁，凝泵电机为
6 kV/ 1800 kW。

没有使用变频器之前,除氧器的水位调整是通过改变除氧器调门的
开度进行的,调节线性度差,大量能量损耗在阀门节流上。

同时由于频繁对阀门进
行操作,致使阀门的可靠性下降,影响机组的稳定运行。

另外,在夏季,由于周边环境
温度较高,电机线圈温度时常达到９０℃以上,电机轴承温度过高，为了降低电机
轴承温度而加装轴流风机。

使用高压变频器后, 除氧器调门不需要频繁调整,阀门
开度保持在基本不节流的范围内,通过调节变频器的输出频率改变电机的转速,达
到调节出口流量的目的,同时可降低电机线圈运行的温升和轴泵温升,满足运行工
况的要求。

如图3所示两台凝结水泵的控制方案。

3. 1 正常运行方式
用1台变频器连接2台电机，正常运行时变频器拖动1台凝泵变频运行，
6KV电源通过变频电源开关至变频器，然后通过该凝泵变频开关输出至该凝泵电机,另一台凝泵工频备用。

3. 2 一台泵发生故障情况的运行方式
当一台凝泵变频运行故障时，或变频运行时出力不足等故障时，备用凝泵会
自动投入工频运行，使用原来的调节方式，保证机组运行。

3. 3 为了运行方式切换，一台凝泵在无故障情况可以进行变频切换工频、工
频切换变频-以A凝泵为例：
a、A凝泵变频运行，进行A凝泵变频切工频操作，断开A凝泵变频开关及
变频器电源开关，合上A凝泵工频开关，A凝泵工频运行。

b、A凝泵工频运行，定期切换操作：
进行A凝泵工频切变频操作，断开A凝泵工频开关，合上变频器电源开关及
A凝泵变频开关，A凝泵变频运行。

图3两台凝结水泵的控制方案。

4 凝结水泵电机改为变频调速后的节能效果
华能伊敏煤电有限责任公司伊敏电厂二期两台机组凝泵上选用了东方日立
（成都）电控设备有限公司生产的国产引进型高压变频器，于2009 年3月#3 机
组变频器投运，投运后运行良好,调节平稳。

华能伊敏煤电有限责任公司伊敏电厂
就节能情况在近期做了电耗对比试验,具体方法是: 采用节电差值比较法，在机组
相同负荷下,测试机组的凝泵改造前与改造后24 h 内用电量电耗,以作对比；结果
表明,凝泵变频调节与节流调节相比,变频调节节能效果明显。

参见表1 ，如机组
负荷在498MW,改造前24 h 用电量为35712kW ·h , 改造后24 h 用电量为
26318kW ·h，相比差值为9394kW ·h 。

表1 600MW机组的凝结水泵变频改造前后在不同负荷点24h用电量变化
5 经济效益分析
5. 1 直接经济效益分析
根据试验结果,机组负荷越高,节能效果越差,反之,机组负荷越低,节能效果就越好。

如果按华能伊敏煤电有限责任公司伊敏电厂#3机组每日负荷为530 MW,凝泵
变频改造后大约每天可节电8901kW ·h 来计算,一年节电为: 8901×300 =
2670300kW ·h 。

如果上网电价为0. 33 元/ ( kW ·h) ,则每年收益为: 2670300×0. 33 = 88万元。

若凝泵加装变频装置需费用170万元,那么两年内即可收回成本。

另外,
从表1 中可以看出,若机组负荷在600 MW左右,与机组凝泵改造前相比节电约可
达6874 kW ·h ,所以机组负荷越高,节电效果越少,负荷越低,节电效果越大。

实践证
明35HZ到45HZ范围内节能效果最好。

5. 2 间接经济效益分析
在工频50Hz电网直接启动时，对电网和电动机的机械冲击较大，声响较大，变频软启动损耗很小，只有工频直接启动损耗的1／10,则每年的启动节能也是很
可观的；采用变频调速后，有效地延长了设备使用寿命，减少了维修时间和影响
生产的时间，节约了大量维护费用。

6 值得注意的问题
6. 1 避免凝泵固有频率进入变频器的工作频率区引起共振现象
变频技术从目前国内应用情况来看已比较成熟,对节能来讲是一种比较好的办法,效果也很明显。

但共振也是机械设备的一个特性, 这个问题华能伊敏煤电有限
责任公司伊敏电厂凝泵变频在改造过程中也特别重视。

共振,即工作频率与其固有
频率相同,进入共振区。

在变频器调试中要先用泵的平衡法来测试泵的共振区域,
将电机运行频率跳开共振区域,这样才能有效防止由于共振而引发的设备故障。

否则，变频的凝结水泵上，由于转速的变化,进入共振区产生强烈振动,而且转速不
断变化,产生交变应力作用于螺栓上,几种因素叠加在一起,促使连接螺栓产生疲劳
裂纹,最终断裂。

因此变频器不能长期在低频运行，华能伊敏煤电有限责任公司伊敏电厂将变频器调节范围设置为37.5HZ到50HZ。

6. 2 避免变频器散热不佳引起电耗增加
由于变频器的运行要产生很大的热量,如果没有良好的散热措施,会额外增加变频器中的变压器电耗和整流逆变电路中功率器件的电耗,影响变频器正常运行，并导致故障，所以加装风扇驱使空气流经发热表面把热量带走。

进、出口风分开,经风扇抽出的热风要经过风道及时吹至变频柜室外,从而防止冷热风循环流,致使柜内温度上升,影响冷却效果。

同时，在变频器运行中要定期检查变压器柜、功率柜进风口风量，防止滤网堵塞影响变频器散热不佳。

在变频器停止运行时，要利用吸尘器定期清扫变压器柜及功率柜内灰尘，以延长变频器的使用寿命。

6. 3 避免变频器电源开关辅助接点转换太慢，变频器电源开关跳闸
变压器充电结束，变频器电源开关合闸后，偶尔出现变频器电源开关跳闸现象。

检查发现有“主电源开关异常”报文，根据多年工作经验推测为变频器电源开关反馈辅助接点接触不好造成。

多次传动变频器电源开关，检查辅助接点转换及接触没有异常；检查开关从接到跳闸脉冲到开关完全断开时间为35MS，也没有问题；变频器在充电结束发出变频器电源开关合闸命令，到变频器接到变频器电源开关已合闸辅助接点反馈时间为1S，否则认为“主电源开关异常”。

为了保证开关辅助接点可靠、及时返送至变频器，将变频器电源开关已合闸辅助接点并接一对开关合闸辅助接点，将该问题解决了。

6. 4 凝泵工频切变频时，偶尔工频开关跳不开，凝泵变频重故障跳变频器
检查发现是变频器PLC与热工DCS接口逻辑时间未配合好，热工DCS工频切变频指令发的时间太长，变频器PLC内工频切变频指令双位继电器无法复位，导致热工DCS再次发出工频切变频指令时PLC无法识别。

将变频器PLC逻辑中工频切变频指令更改后为脉冲上升沿触发，多次传动正常。

7 结束语
实践证明,变频技术在华能伊敏煤电有限责任公司伊敏发电厂凝结水泵上的应用是非常成功的，使电动机实现了真正的软启动、软停运,延长了电机使用寿命,实现了阀门全开,减少阀门节流损失,且能均匀调速,节约了大量的电能,具有显著的节电效果，避免了“大马拉小车”效率低下的现象。

由于电机降低速度运行以及工作在高效率区,电机的温升和轴泵温升下降明显,减少了机械部分的磨损和振动,延长了大修周期,可节省大量的检修费用,具有良好的使用价值。

随着电力体制的改革,竞价上网日趋激烈，节能降耗, 减少环境污染，降低发电成本是提高电厂竞争能力的有效途径之一,也是电厂技术人员努力的方向。

采用高压变频器对电厂高能耗用电设备等进行改造,不仅能降低厂用电率带来直接经济效益,而且也能提高设备和机组的安全可靠性,减少机组的故障率,带来间接的经济效益。

参考文献：
[1] 倚鹏. 高压大功率变频器技术原理与应用]. 北京: 人民邮电出版社,2008.
[2] 杜成平变速调节试验分析报告. 东方日立（成都）电控设备有限公司.
[3] 杨玉荣, 孙庆本. 电机学吉林大学出版社, 1995.
[4] 杨善让. 汽轮机凝汽设备及运行管理[M]. 北京: 水利电力出版社
作者简介:
于跃辉：男，本科，工程师，华能伊敏煤电公司安监部主任
姜兆福：男，本科，工程师，华能伊敏煤电公司伊敏电厂电气专工。