一、引言

　　本文以國產(chǎn)多電平型高壓變頻器在大唐寧德電廠凝結(jié)水泵的應(yīng)用為例，分別對凝結(jié)水泵應(yīng)用高壓變頻器前后的運行工況、基本原理及注意事項進(jìn)行闡述，并通過電耗對比試驗，對凝結(jié)水泵變頻調(diào)節(jié)和傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)的節(jié)能效果進(jìn)行比對，進(jìn)而說明，超超臨界機(jī)組采用高壓變頻器對凝結(jié)水泵進(jìn)行調(diào)速節(jié)能改造的應(yīng)用方法，具有投資省、見效快等特點。

　　超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組具有煤耗低、技術(shù)含量高、環(huán)保性能好、節(jié)約資源的特點，必將是今后我國火電機(jī)組的發(fā)展方向。大唐寧德電廠二期工程為2×660MW超超臨界發(fā)電機(jī)組，分別于2008年12月和2009年6月投入商業(yè)運行。自投產(chǎn)以來，機(jī)組各項運行指標(biāo)良好。2臺機(jī)組各配置2臺100%容量的多級離心式凝結(jié)水泵，凝結(jié)水系統(tǒng)原設(shè)計運行方式為兩臺100%容量定速凝結(jié)泵互為備用，即由定速電動機(jī)驅(qū)動，一臺運行，一臺備用。凝結(jié)水流量靠除氧器上水調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)，并配備旁路以保證凝結(jié)泵在各種工況下安全運行。正常運行方式下，凝結(jié)水泵一臺運行一臺投備用，當(dāng)運行凝結(jié)泵出現(xiàn)故障時，另外一臺自動投入運行。在負(fù)荷變動時，通過除氧器上水調(diào)節(jié)門開度來控制除氧器水位，這就造成較大的節(jié)流損失。在啟停機(jī)及低負(fù)荷時，為了維持凝結(jié)泵最小流量還要打開旁路門，造成能量白白流失。另外，即便機(jī)組處于滿負(fù)荷運行狀態(tài)，由于設(shè)計留有較大的裕量，除氧器上水調(diào)節(jié)門也不能處于全開位置。采用凝結(jié)泵定速運行，系統(tǒng)存在以下問題：

　　（1） 閥門調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費。

　　（2） 當(dāng)流量降低，位開度減小時，調(diào)節(jié)閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴(yán)重，造成能耗增加。

　　（3） 長期10～40％低閥門開度，加速閥體自身磨損，導(dǎo)致閥門控制特性變差，并造成凝結(jié)水附近管道震動較大，對安全生產(chǎn)有極大影響。

　　（4） 管網(wǎng)壓力過高威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能，嚴(yán)重時導(dǎo)致閥門泄漏，不能關(guān)嚴(yán)，凝結(jié)泵出口精處理器泄露等情況發(fā)生。

　　（5） 設(shè)備使用壽命短、日常維護(hù)量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費。

　　如果采用高壓變頻器對凝結(jié)泵電機(jī)進(jìn)行變頻控制，實現(xiàn)除氧器水流量的變負(fù)荷調(diào)節(jié)。除氧器上水調(diào)節(jié)門可以始終處于全開的狀態(tài)，而且旁路門始終處于關(guān)閉狀態(tài)，從而避免上述的各種功率損失。除此之外，變頻器可以使電動機(jī)實現(xiàn)軟啟動，避免電動機(jī)直接啟動引起的電網(wǎng)沖擊和機(jī)械沖擊，大大延長電機(jī)的壽命、減小管路振動、提高系統(tǒng)的可靠性。這樣，不僅解決了控制閥調(diào)節(jié)線性度差、純滯延大等難以控制的缺點，而且提高了系統(tǒng)運行的可靠性；更重要的是減小了因調(diào)節(jié)閥門孔口變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了系統(tǒng)對管路密封性能的破壞，延長了設(shè)備使用壽命，維護(hù)量減小，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約能源，為降低廠用電率提供了良好的途徑。

　　國家將能源利用效率列為重中之重，主要目標(biāo)是到2010年單位GDP的能源消耗減少20％。其中，每1萬元GDP標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量應(yīng)減少到0.98噸；單位GDP的能耗每年必需減至4．4％；單位工業(yè)附加值的水資源消耗必需減少30％；主要污染物排放應(yīng)減少10％。為此，國家制定并實施了《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》，確定了“十一五”期間能耗降低目標(biāo)。國資委和原國家環(huán)保總局就節(jié)能減排指標(biāo)還分別與國內(nèi)五大發(fā)電集團(tuán)公司簽訂了責(zé)任狀，將能源消耗納入企業(yè)綜合評價和年度考核，按照“一票否決”制，實施節(jié)能目標(biāo)責(zé)任制和問責(zé)制。

　　大唐寧德電廠作為大唐集團(tuán)的代表性企業(yè)，積極響應(yīng)國家節(jié)能減排、建設(shè)資源節(jié)約型社會的重要政策，09年我們先后對兩臺機(jī)組凝結(jié)泵系統(tǒng)進(jìn)行了變頻改造。一年多來機(jī)組運行實踐表明，改造后凝結(jié)水系統(tǒng)各項安全經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，凝結(jié)泵變頻改造工作取得了成功。

      二、高壓變頻調(diào)速技術(shù)

　　2.1 水泵負(fù)載調(diào)速節(jié)能原理

　　變頻調(diào)速在水泵應(yīng)用上和風(fēng)機(jī)有所區(qū)別，在很多場合，負(fù)載管路特性的改變是用戶用水量減少（即用戶人為關(guān)閥）造成的。水泵在調(diào)速過程中還往往要求壓力恒定，這時水泵的工作點變化如下圖1所示：

　　流量由Q1變?yōu)镼2時，如果水泵定速運行，工作點將由A點變?yōu)锽點，壓力將升高，威脅管網(wǎng)安全；如果通過調(diào)速方式，水泵工作點將由A點變?yōu)镃點，在提供需要流量的同時，保持壓力不變。水泵在B、C兩點的輸出功率差為：PB －PC＝（H3－H2）×Q2。

　　在A、C兩點，盡管水泵速度不同，但由于在兩種情況下水泵所承擔(dān)的流量不同，其出口壓力和外管網(wǎng)壓力仍然保持平衡。由于壓力平衡的需要，水泵并聯(lián)運行時，調(diào)速水泵的速度不能低于N3，否則將出現(xiàn)根本不對外出水的現(xiàn)象。非但不節(jié)能，還出現(xiàn)水泵空轉(zhuǎn)耗能的現(xiàn)象。

　　如果在管網(wǎng)特性不變的系統(tǒng)中進(jìn)行水泵調(diào)速，并且對水壓沒有要求，這種情況下節(jié)能效益比恒壓供水要顯著得多。

　   2.2 變頻調(diào)速原理

　　變頻調(diào)速是通過改變電源頻率來調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的。對于異步電動機(jī)而言，設(shè)f為定子電源頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為磁極對數(shù)，n為轉(zhuǎn)速，按照電機(jī)學(xué)的基本原理，電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足如下的關(guān)系式：

　　由上式可見，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0（n0=60f/p）正比于電機(jī)的運行頻率f，由于轉(zhuǎn)差率s一般情況下比較小（0~0.05），電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速n約等于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，所以改變電機(jī)的電源頻率f，就能改變電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。

　　變頻調(diào)速就是通過改變輸入到交流電機(jī)的電源變頻，從而達(dá)到調(diào)節(jié)交流電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速的目的。即變頻調(diào)速系統(tǒng)是從電網(wǎng)直接接收工頻50 Hz的交流電，經(jīng)變頻器，將輸入的工頻交流電變換成為變頻幅值都可調(diào)節(jié)的交流電直接輸出到交流電動機(jī)，實現(xiàn)交流電動機(jī)的變速運行。

　　2.3 高壓變頻器特點

　　變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器。目前，我國高壓變頻器呈現(xiàn)三大趨勢：

　　（1）功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)依然是市場主流；

　　（2）向大功率方向發(fā)展；

　　（3）隨著高壓變頻技術(shù)的成熟，將大幅拓展工藝控制對于變頻調(diào)速的需求。

　　高壓變頻不像低壓變頻那樣具有成熟的一致性的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而是限于功率器件的電壓耐量和高壓使用條件的矛盾，國內(nèi)各變頻生產(chǎn)廠商，采用不同的功率器件和不同的主電路結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)各種拖動設(shè)備的要求，因而在各項性能指標(biāo)和適應(yīng)范圍上也各有差異。

　　高壓變頻器一般可分為兩大類：

　　（1）交—交變頻器（無直流環(huán)節(jié)）

　　（2）交—直—交變頻器（有直流環(huán)節(jié)）

　　其中交—直—交變頻器又可根據(jù)直流環(huán)節(jié)采用大電感以平抑電流脈動的變頻器稱為電流源型變頻器，直流環(huán)節(jié)采用大電容抑制電壓波動的變頻器則稱為電壓源型變頻器。圖2所示為三種高壓變頻器框圖。

　　無論何類變頻器，判斷其優(yōu)劣，首先要看其輸出交流電壓的諧波對電機(jī)的影響；其次要看對電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)；再次要看其本身的能量損耗（即效率）如何。

　　目前，市場上眾多生產(chǎn)廠家推出了各種原理和結(jié)構(gòu)各異的高壓變頻器，選擇一種適用于火電廠風(fēng)機(jī)和水泵變頻調(diào)速改造的產(chǎn)品是非常重要的。實踐經(jīng)驗表明：單元串聯(lián)多平電壓源型變頻器是火電廠風(fēng)機(jī)和水泵變頻調(diào)速改造的首選。這種變頻器采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由美國羅賓康公司率先開發(fā)研制，所以又稱羅賓康結(jié)構(gòu)。國內(nèi)廠商包括利德華福、東方日立以及微能科技等公司均采用這種主電路結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特點是：

　　（1）在輸出逆變部分采用了具有獨立電源的單相橋式SPWM逆變器的直接串聯(lián)疊加，不存在器件均壓的問題；

　　（2）在輸入整流部分采用了多相多重疊加整流技術(shù)，可以降低開關(guān)損耗提高等效開關(guān)頻率，從而減小輸出諧波、降低噪聲和電動機(jī)的脈動轉(zhuǎn)矩；

　　（3）在結(jié)構(gòu)上采用了功率單元模塊化技術(shù)，雖然使元件數(shù)目增加，但由于IGBT驅(qū)動功率低可以使變頻器的效率高達(dá)96%以上。

　　（4）這些技術(shù)的采用使得這種變頻器驅(qū)動功率小、總體效率高、諧波污染最小，堪稱完美無諧波變頻器。單元串聯(lián)多電平電壓源型變頻器的主要優(yōu)點是：

　　①由于采用功率單元串聯(lián)，可采用技術(shù)成熟，價格低廉的低壓IGBT組成逆變單元，通過改變聯(lián)單元的個數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求；

　　②完美的輸入、輸出波形，可以降低電機(jī)脈動轉(zhuǎn)矩，使其能適應(yīng)任何場合及電動機(jī)使用，對電機(jī)電纜長度無特殊要求；

　　③由于多功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，便于將功率單元做成模塊化，實現(xiàn)冗余設(shè)計，在個別單元故障時可以通過旁路功能使系統(tǒng)能夠正常或降額使用；

　　④變頻器可承受-35電源電壓降低和5個周波的電源喪失，能夠適應(yīng)發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)工作和備用之間電源切換、電動給水泵等大負(fù)荷啟動時造成的電壓波動。

　　2.4 單元串聯(lián)多電平型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　我公司本次改造采用利德華福HARSVERT-A系列高壓變頻器，其調(diào)速系統(tǒng)采用多電平串聯(lián)的結(jié)構(gòu)控制方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)主要有移相變壓器、功率單元、旁路單元組成。6kV系列有5個功率單元，每5個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換。串聯(lián)方式采用星型接法，中性點浮空。每個功率單元由電網(wǎng)電壓經(jīng)移相變壓器的次級繞組供電，所有功率單元都通過光纖接收來自同一個中央控制器的指令，以調(diào)節(jié)輸出電壓，功率單元輸出電壓串聯(lián)后得到可變頻率的高壓電供給電動機(jī)。