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1、全国火电100-200MW级机组技术协作会2008年年会论文集 汽轮机变频技术在火电厂凝结水泵的应用王意兴(浙江浙能镇海发电有限责任公司)摘要：通过介绍镇海发电有限责任公司200MW机组凝结水泵变频改造项目方案和实施情况，分析运行效果和经济效益，说明变频技术既很好地实现了凝结水泵水量的自动调节又达到了节能降耗目的。关键词：变频技术；凝结水泵；节能降耗1引言由电机学可知，异步电动机的转速与供电频率f、转速差s、电机极对数p三个参数有关（见公式一），改变其中任何一个参数都可以实现转速的改变。针对某一电机而言p是一定的，而通过改变s进行调速空间非常小，所以，变频调速是最为合理的调速方法。若均匀改变供
2、电频率f，即可平滑改变电机同步转速。异步电动机变频调速具有调速范围宽、平滑性较高、机械特性较硬的优点。目前，变频调速已成为异步电动机最主要的调速方法。 （公式一）变频技术在实现凝结水泵的转速平滑调整的同时又能实现节能降耗的目的，因此对发电厂的运行效果和经济效益具有重要意义。其节能的原理可根据流体力学分析如下:； ； （公式二） （公式二）表明，水泵的水量Q与其转速成正比，水泵的压力p与其转速的平方成正比，水泵的轴功率P与其转速的立方成正比。降低转速可大幅度地降低水泵轴功率，当水泵低于额定转速时，理论节电为： （公式三）为额定转速，为实际转速，P为额定转速时电机功率，T为工作时间。可见，通过变频
3、改造，不但节能而且大大提高了设备运行性能，以上公式为变频节能提供了充分的理论依据。2概述镇电公司4台200MW机组各配有两台凝结水泵，正常运行时一工一备。凝结水泵将凝汽器中的凝结水升压，通过低压加热器进入除氧器。凝结水的流量大小与汽轮机的负荷有直接关系，由于凝结水泵采用定速运行，出口流量只能由控制阀门跟随机组负荷调节，节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低。而且由于控制阀门为电动机械调整结构，线性度不好、调节品质差、自动投入率低，加之凝结水的长期冲蚀导致阀门使用寿命短，现场维护量大，造成各种资源的极大浪费。鉴于镇电公司变频器应用在引风机、给煤机、给粉机等系统的经验及取得的效益，在2007
4、年对#3、#4机凝结水泵进行了部分变频控制改造。目的是实际论证凝泵变频控制的可行性，最终实现全厂凝结水泵的变频自动控制，以求取得效益最大化。附表一：凝结水泵及电动机技术参数凝结水泵型 号16NL-180凝泵电机型号JSL-4频率（Hz）50流 量550t/h额定功率（kW）430额定转速（r/min）1486压 力180mH2O额定电压（kV）6接法Y转 速1486r/min额定电流（A）49功率因数0.853工程方案本着安全可靠的前提,本次变频改造分别只对#3、4机的一台凝泵（乙）进行，另一台凝泵（甲）保持原状不变。通过对6kV、690V电压等级变频器分析比较，决定采用可靠性高的低压690V
5、变频器-ACS800系列变频器的方案，另配置STR型旁路起动器，并同时更换凝结水泵电机。这样既可实现节能降耗，又可实现大功率电机的软起动，达到改善电动机运行状况的目的。ACS800变频器拥有变频器的所有常用功能，由于采用了DTC技术，又有如下的优势： 直接转矩控制（DTC）作为核心控制技术，具有极佳的速度转矩控制特性，起动力矩大，磁通优化功能强、噪音低。电机能获得在零速时电机的额定转矩，而不需要光码盘或测速电机的反馈, 并能够提供高达200%额定转矩的起动转矩。 定子磁通和转矩是ACS800变频器主要的控制变量。高速数字信号处理器与先进电机软件模型结合使电机状态每秒钟更新40,000次。这能使
6、传动产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。电机因无固定开关频率驱动所以无高频噪声，变频器输出的高次谐波分量少。 由于ACS800能在几毫秒的时间内检测出电机的状态，因此其自起动性能好，并不需延时起动。 IGBT触发采用光纤触发技术，具有更高的可靠性和抗干扰能力，尤其适用于恶劣的强电环境。 控制盘可实现多种控制和显示功能。3.1电气主接线及主设备3.1.1凝泵乙电机变频控制主接线及运行方式凝泵乙电动机改变频控制后，电动机额定电压由原6kV降为690V（通过变频变压器），电动机容量基本不变（430kW），6kV电源开关不变。凝泵乙电机变频控制主接线见（图1）。 正常运行：
7、6kV凝泵乙开关合上，电源进线刀熔开关（QS1）合上，电源出线开关（Q1）合上，变频器运行带动电动机转动（旁路进线电源开关QF1和出线电源开关Q2在断开位置）。 工频运行：进线电源开关QF1和出线电源开关Q2合上（QS1和Q1在断开位置）。起动阶段由旁路软起动器限流带动电动机转动，起动结束KM接触器合上工频带动电动机运行。注：其中Q1与Q2之间有机械联锁，任何状态下只允许合一把刀闸。防止不同电源短路。3.1.2主设备选型及配置情况附表二：主设备配置表负载电机功率名 称型号和规格产地生产厂家凝结水泵430kW变频器ACS807-0490-7芬兰ABB变压器LTSFGN-550kVA/6kV/69
8、0V北京新华都电机Y400-4山东华力旁路柜内装旁路软起动器STRB450-6西安西普 凝结水泵乙变频变压器变频变压器为干式变压器，由铜线绕制，配金属外壳、冷却器，并按温度设定自动投、退的功能，具有就地和远方超温报警功能，变频变压器正常运行分接开关位置在45档。 凝结水泵乙电动机型号:Y400-4 额定功率:430kW 额定电压:690V 额定电流:450A 额定转速：1490r/min 接法：Y附表三：ACS800系列变频器技术参数型号ACS807-0490-7输入频率（Hz）48-63输入电压（V）三相690VAC10%输出频率（Hz）0100输出电压（V）三相0-690V总功率因数0.9
9、5额定输出功率（kW）450基波功率因数0.97额定输出电流（A）426防护等级IP21过载能力正常方式，每十分钟允许短时过载一分钟重载方式，每十分钟允许短时过载一分钟 旁路软起动器STR数字式交流电动机软起动器是采用电力电子技术、微处理器技术及现代控制理论设计生产的高科技产品。它从根本上改变了传统的（自耦式、磁控式及星/三角等）降压起动器在起动时产生的电压、电流突变带来的不良后果。 型号：STRB450-6 额定功率：450kW 额定电压：660V （接触器KM通过装置接线端接入） 起动方式：限流起动、电压斜坡起动、点动控制方式。 多重保护功能：过流、过载、缺相、过热等。 完善的键盘设置功能
10、：参数设定、修改、方式选择等。3.2凝泵控制逻辑及变频器功能设置3.2.1凝结水控制系统的设计原理 除氧器水位和凝汽器水位控制 采用凝泵变频器来控制除氧器水位和凝汽器水位的平衡。即：当H-SPHL-SPL时，减小凝泵变频器输出当H-SPHSPH+SPL时，减小化补水流量；当H+LSPH+SPL时，增大化补水流量。以上为凝泵变频器正常运行时的控制策略，控制回路中设计切换器，当凝泵变频器故障或停止运行时，系统退出变频自动控制，转为原设计控制系统。（即除氧器进水调节阀控制除氧器水位、化补水调节阀控制凝汽器水位）。 凝结水母管压力控制当凝泵变频器正常运行时通过除氧器进水调节阀维持压力在一定范围内。当凝
11、泵变频器故障或停止运行时，系统退出变频自动控制，转为原设计控制系统（即凝泵再循环调节阀控制母管压力）。3.2.2凝结水泵甲、乙及旁路软起动器（乙）控制逻辑的设计原理 凝结水泵乙变频器可在就地或远方实现手动启停，手动或自动（按3.2.1条）实现转速控制。 凝结水泵甲、乙及旁路软启动器（乙）之间控制逻辑关系（见图2）图2凝泵系统控制逻辑图控制逻辑：凝泵乙变频运行（联锁开关投入），当凝泵乙退出运行及母管压力低或变频器乙故障，自动切至凝泵甲运行；凝泵甲故障或退出运行，自动切至凝泵乙旁路软起动运行。3.2.3变频器部分功能介绍及参数设置 功能介绍 欠压功能：当变频输入电压跌落时，变频器直流回路电压跌落至
12、80时，变频器激活失电跨越功能，依靠负载的惯性能量拖动电机继续旋转，电动机感应电势经逆变器续流二极管整流将能量回馈至变频器中间直流回路；当直流电压跌落至71时，失电跨越功能 + 欠电压报警；只要直流电压不低压65，变频器不停机。当变频输入电压恢复正常，变频器恢复正常运行。 变频器产生的谐波完全满足GB/T 14549电能质量“公用电网谐波”及“IEEE519-1992”标准。 变频器瞬时断电后再启动的初始化时间为10秒；转矩阶跃响应时间为3ms。 变频器为电压源型逆变器拓扑结构，采用大功率元器件IGBT，IGBT为单管结构，无需串并联。 采用DTC控制技术，逆变器的开关状态由电机磁通和转矩直接
13、控制。测量的电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入，该模型每25微秒产生一组精确的转矩和磁通的实际值。电机转矩比较器将转矩实际值与给定值作比较，磁通比较器将磁通实际值与给定值作比较，依靠这两个输出值，优化脉冲选择器决定逆变器的最佳开关状态。附表四：部分参数设置情况序号LABEL设置值实际意义及范围*组99：启动数据 START-UP DATA9904MOTOR CTRL MODEDTC电机控制模式：直接转矩控制9905MOTOR NOM VOLTAGE690V电机额定电压9906MOTOR NOM CURRENT416电机额定电流9907MOTOR NOM FREQ50HZ电机额定频率99
14、08MOTOR NOM SPEED1490电机额定速度9909MOTOR NOM POWER430电机额定功率组10:启动/停止/方向1001EXT1 START/STP/DIRDI1P，2P 选择外部控制地，EXT1的起动/停机/方向命令的信号源1002EXT2 START/STP/DIRNOT SEL选择外部控制地，EXT2的起动/停机/方向命令的信号1003DIRECTIONFORWARD旋转方向锁定组11:给定选择1102EXT1/EXT2 SELECT（O）EXT1外部控制地选择输入1103EXT REF1 SELECT（O）AI2确定外部给定1的给定源1104EXT REF1 MI
15、NIMUM0外部给定1最小值1105EXT REF1 MAXIMUM1490外部给定1最大值组13:模拟输入1301MINIMUM AI10VAI1的最小值，对应最小给定1302MAXIMUM AI110VAI1的最大值，对应最大给定1303SCALE AI1100%AI1的换算因子1304FILTER AI10.1sAI1的滤波时间常数1306MINIMUM AI24mAAI2的最小值，对应最小给定1307MAXIMUM AI220mAAI2的最大值，对应最大给定1308SCALE AI2100%AI2的换算因子1309FILTER AI20.1sAI2的滤波时间常数组21：启动/停止210
16、1START FUNCTIONAUTO起动功能选择2102CONST MAGN TIME300ms预励磁时间2103STOP FUNCTIONCOAST停机功能选择2105DC HOLD SPEED5rpm直流抱闸速度2106DC HOLD CURR30%直流抱闸电流组22：加速/减速2201ACC/DEC 1/2 SEL(O)ACC/DEC 1加速/减速积分变化率选择2202ACCEL TIME 130s从速度0加到最大的时间 2203DECEL TIME 130s从最大速度降到0的时间 4运行效果及经济效益改造前，根据机组负荷调节凝结水阀门开度来控制凝结水流量大小；改造后控制阀门全开，用D
17、C420mA信号控制变频输出调整凝泵电机转速，从而达到改变凝泵出口流量满足机组运行要求的目的。该系统消除了因阀门开度变化造成的压流损失，且调节方便，节能效果明显。图3节能效果比较图4.1运行效果分析 变频投运时运行人员可以非常平滑、稳定地调节流量，对系统的调整控制更为稳定自如。大大改善自动控制系统的工作状况，使系统自动调节性能大大提高，改善了调节品质。 凝结水泵投入变频运行后，冷却水流量及出口压力都能很好满足生产工艺的要求，凝结水泵可以随机组负荷的变化而调节输出功率，达到了节能的目的。凝结水泵单耗明显降低。 消除了因阀门开度调节引致的压流损失，提高了系统效率。 由于变频器对电动机的软起动和保护
18、等功能，减小了电机的起动电流，降低了设备损坏，延长了使用寿命，减少了设备维护量。4.2经济效益分析此次单机变频控制改造费用约为98万。经改造后的凝结水泵转速调节与改造前的控制阀门开度调节相比较如下： 节能计算如下:电动机输出功率：430kW。年运转时间：8000小时。运转类型：1/2时间（4000小时）工作在85%流量，1/2时间（4000小时）工作在70%流量。 阀门调节状况下运行：流量（Q）在85%时：需要功率=97%430kW=417.1kW流量（Q）在70%时：需要功率=94%430kW=392.1kW全年消耗电量：（417.1kW+392.1kW）4000h=3236800kWh 变
19、频调速状况下运行：流量（Q）在85%时：需要功率=67%430kW=288.1kW流量（Q）在70%时：需要功率=51%430kW=219.3kW全年消耗电量：（288.1kW+219.3kW）4000h=2029600kWh 全年节能效果：3236800-2029600=1207200kWh节电率=1207200/3236800=37.3% 而实际统计#3、#4机凝泵乙电机改变频控制运行一个月的节能情况，用电量比未改造凝泵电机减少210000kWh。与计算值相符，其节能效果明显。5结束语针对#3、#4机凝结水泵乙电机改变频控制后的运行效果和经济效益分析结果，镇电公司不仅将对所有凝结水泵进行彻底的变频改造，还将继续把变频技术应用到电厂中的其他主要辅机中去，在提高自动调节品质同时很好地达到节能降耗目的。参考文献:1 周克宁 电力电子技术 2 叶水音 电机学3 徐甫荣 发电厂辅机电动机节能改造技术方案分析，变频器世界，2002年第4期339
23交流变频技术在火电厂凝结水泵的应用王意兴(镇海)
