北京利德華福電氣技術有限公司

 

摘  要：本文針對600MW機組鍋爐給水係統
，應用國產10MW級高壓超大功率變頻器代替液力耦合器機械調速，提高給水泵係統機械效率、節能降耗的經驗進行了積極探討。通過實踐證明：在既有液力耦合器調速的基礎上，通過高壓變頻器應用仍可以取得良好的節能收益。

關鍵詞：給水泵  高壓變頻  應用

1
、概況

國電河北某發電公司現有600MW火力發電機組兩座，采用單元製運行結構。每台鍋爐給水係統配備有凱士比生產的機組滿發流量50%的電動變速給水泵三台
，采取兩用一備方式運行。給水泵係統由前置泵、電動機
、液力耦合器、給水泵本體組成。其工藝流程是將除氧器水箱出來的三根低壓給水管分別經前置泵、給水泵增壓後彙管進高壓加熱器、鍋爐省煤器
、等加熱設備
，進入汽水分離器維持液位穩定運行。該係統工藝流程如圖一所示。

 

 

weibaozhengguoluyunxingchuyuanquanzhuangtai，muqianjizutongguotiaojiegeishuibengyeoushuchuzhuansudefangshigaibiangeishuiliuliang，kongzhiqishuifenliqiyeweiwending。geishuibengyeliouheqipeiyouzengsuchilun
，shiwolundezhuansugaoyuyuandongjidezhuansu
，zaizhegejiaogaodezhuansuzhixiawangjiangdizhuansudefanweineitiaosuyunxing。jizuzai350MW及以下低負荷時，單台給水泵運行
；350MW以上高負荷時，兩台給水泵並聯運行，液耦調速器輸出轉速在69%~91%之間調節，係統無給水調門。

2
、液力耦合器調速係統存在的問題

2.1     給水泵采用液耦傳動調速運行，傳動損失大、係統效率低
，造成大量能源浪費。

2.2     液耦調速器屬柔性連接驅動，采用勺管開度調節時係統響應速度慢、調節死區大

、線性度差。

2.3     液耦調速器采用高壓傳動油工作，在機械能傳遞過程中產生大量熱量損失。

2.4     10MW級高壓給水泵直接啟動過程中，5~8In峰值電流對電網衝擊明顯。

解決上述問題的重要手段之一，是采用目前高效、節能
、並(bing)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)的(de)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)器(qi)電(dian)子(zi)調(tiao)速(su)方(fang)式(shi)替(ti)代(dai)液(ye)力(li)耦(ou)合(he)器(qi)的(de)機(ji)械(xie)調(tiao)速(su)方(fang)式(shi)。利(li)用(yong)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)器(qi)替(ti)換(huan)目(mu)前(qian)給(gei)水(shui)泵(beng)液(ye)耦(ou)調(tiao)速(su)控(kong)製(zhi)
，滿(man)足(zu)給(gei)水(shui)係(xi)統(tong)工(gong)藝(yi)調(tiao)節(jie)需(xu)求(qiu)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，降(jiang)低(di)給(gei)水(shui)泵(beng)組(zu)的(de)廠(chang)用(yong)電(dian)率(lv)耗(hao)能(neng)水(shui)平(ping)。這(zhe)樣(yang)，不(bu)僅(jin)改(gai)善(shan)和(he)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)調(tiao)節(jie)性(xing)能(neng)


，而(er)且(qie)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)效(xiao)率(lv)
、降低給水泵電耗，為降低電廠用電率提供了良好的途徑。

 

 

目前，600MW機組鍋爐給水泵組的動力係統具有功率大、無其它第三方調速手段、不能夠帶載直啟
、技術安全可靠性要求高等特點。如果采用變頻調速技術進行節能改造，變頻器調速的優點是調速效率高
，啟動能耗低、調速範圍寬、可實現無級調速
，動態響應速度快、死區小、操作簡便，且易於汽包水位PID調節策略實現。變頻改造係統宜采用簡單的一對一直聯拖動結構。 

由於給水泵設備原先使用液力耦合器實現給水泵的啟動、調速等功能；現改用高壓變頻調速控製後，結合係統結構考慮有以下兩種方案可選擇：

方案一：將液力耦合器保留不變，勺管開度至100%shuchu，shixianchuandonghezengsuzuoyong。bianpinqitongguodianqitexingkongzhidiandongjizhuansushixiangeishuibengdeliuliangtiaojie。zhezhongfangfadebiduanshi，meiyouchaichuyeliouheqi
，duiyeliouheqideweihutongyangcunzai
；同時由於液力耦合器本身的效率問題，仍存在一定的節能率下降。

方案二：拆除液力耦合器，更換為增速齒輪箱實現剛性傳遞聯接；jiejuexitongjixielijuchuandizhongdexiaolvsunshiwenti。youyuxuzhongxinzhizuogenghuanjixieshebei，gongchenggaizaozhouqichang
，shebeitouruhetingjisunshijunjiaoda。yinci
，zaishijicaozuozhongcunzaiyidingdeshishiwenti。

鑒於上述情況，結合國電河北某電廠的實際情況
，擬采用方案一的改造方式予以論證是實施。

 

 

1
、一次動力係統方案

主動力係統方案為兩台給水泵使用兩台變頻器一拖一的方式。原3#給水泵工頻備用的方式不變
，仍處於備用模式。具體係統結構原理如圖二所示。

 

其中，QF表示高壓開關、TF表示高壓變頻器、QS表示高壓隔離開關，M表示給水泵電動機；QF10、QF20
、QF30、QF31
、M為現場原有設備。正常運行時QF11、QF12
、QF21、QF22chuyuhezhazhuangtai，jiangbianpinqishuchuyudiandongjilianjie。danggeishuibenghuodiandongjixuyaojinxingjianxiushi，tingzhibianpinqiyunxing，bingjianggaokaigelikaiguanguishouchelachuduankaiwei
，quebaoyunxingjijianxiuanquan。bianpinqiduishuchucediandongjitigongguoya、欠壓
、過流
、過載、速斷
、缺相、接地等完全電動機保護功能，可省去中性電櫃和差動保護裝置的變頻條件應用。

當變頻器故障檢修時，給水泵可以切換為工頻運行，開關狀態為：QF11、QF12、QF21、QF22在斷開位，QF13
、QF23在閉合位。

2、二次係統控製

該係統經變頻改造後

，原電氣係統中電動機差動保護回路取消，電動機過載
、過流、過壓

、欠壓
、缺相

、速斷、jiedidengbaohugongnengyoubianpinqishixian。yeliouheqidezhuansutiaojiezhilingyuzhuansufankuixinhaojiezhibianpinqiceyongyubianpinqizhuansutiaojie。qitayouguanyeliouheqidekongzhijiancexinhaoquxiao
，yuanyouDCS給水係統控製策略不變。

為確保係統的安全可靠性，係統采用分級、分段、模式識別的多重保護措施，確保保護有效不拒動、不誤動、保護適當有效。該係統保護主要包括：

1)     變頻器上口輸入高壓開關QF1配備變壓器綜合保護裝置對變頻器實施保護；

2)     變頻器輸入側配備過流、過載、接地、缺相
、過電壓、欠壓
、變壓器過熱保護；

3)     變頻器輸出側配備過流、速斷
、過載、缺相、過電壓、欠壓、單元過熱等保護；

本技術方案提供HARSVERT係列完美無諧波係列高壓變頻器。該係列變頻采用若幹個低壓PWMbianpingonglvdanyuanchuanliandefangshishixianzhijiegaoyashuchu。bianpinqijuyouduidianwangxiebowuranxiao
，shurugonglvyinshugao，shuchuboxingzhilianghao，bucunzaixieboyinqidedianjifujiafare
、轉矩脈動
、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以適用於普通異步電機等優勢

 

四、10MW級超大功率高壓變頻技術要點

 

1、關鍵器件選擇

高壓變頻器內部的主要逆變部分，采用的是德國優質品牌第四代IGBT芯片和PRIMEPACK封裝技術生產的高性能IGBT，其技術優勢主要體現在：

1)    第四代IGBT改善了IGBT的動作特性
，使之比第三代IGBT的動作更加柔軟；

2)    第四代IGBT在不產生嚴重電壓尖峰毛刺的情況下可以適應更小的驅動電阻


，實現了較第三代IGBT更低的開關損耗
；

3)    第四代IGBT增強了的芯片的溫度特性
，可以運行於150℃，最高耐受溫度為175℃,而第三代IGBT隻能運行於125℃，最高耐受僅為150℃；

4)    第四代IGBT與第三代IGBT擁有一樣的短路耐受能力，可以保證工作的安全可靠；

5)    第四代IGBT與第二代第三代IGBT相比較，在功率循環壽命方麵表現優異，具體如下表：

6)    第四代IGBT保持了第三代IGBT的正溫度特性
，易於並聯。

2、器件均流問題

由於單隻IGBT芯片的通流能力有限，大功率產品通常采用IGBT並聯來提高輸出電流能力。IGBTbenshenjuyouzhengwenduxishu，juyouzijunliunengli

，shihebinglian。weilebaozhengshebeidekekaoxing，yuanqijianshouxianzairongliangjisuanshitigaoshejiyuliangxishu，jinsiliangbeideyuliang。

采用動態均流和靜態均流技術
，降低IGBT的飽和壓降V_ce(sat)
、反並聯二極管的正向壓降V_f對靜態均流效果的影響；以及IGBT的跨導g_fs和柵極－發射級閾值電壓V_{ge_th}
、反並聯二極管的反向恢複特性對動態均流效果的影響。

3、器件散熱問題

在zai超chao大da功gong率lv變bian頻pin器qi中zhong
，發fa熱re功gong率lv密mi度du遠yuan大da於yu常chang規gui變bian頻pin器qi
，采cai用yong常chang規gui的de散san熱re結jie構gou無wu法fa滿man足zu高gao密mi度du散san熱re的de需xu要yao。為wei此ci我wo們men采cai用yong特te殊shu的de散san熱re結jie構gou及ji布bu局ju設she計ji，提ti高gao散san熱re功gong率lv密mi度du
，優you化hua熱re場chang分fen布bu，以yi避bi免mianIGBT結溫過高導致器件損壞。

4、大電流電磁噪聲抑製問題

IGBT開關動作時，在母排寄生電感上產生的尖峰電壓是造成IGBT損壞的一個主要原因。該電壓正比於工作電流、寄生電感、反比於IGBT動作時間。由於IGBT動作時間在不同電流下變化很小，在設備電流增大時

，尖峰電壓將隨之等比例增加。IGBT並聯的主電路結構造成線路感抗差異，這些感抗的不同將嚴重影響IGBT的動態工作特性
，采用對稱型主電路結構，大電流噪聲得到有效抑製。

五、節能效益分析

在600MW鍋爐給水係統中采用高壓變頻調速取代液力耦合器調速方式後，液力耦合器的效率穩定在97%，液耦損失減到了最低水平。通過變頻調速的應用，給水泵驅動係統的效率得到提高。係統傳動效率和功率傳遞關係如下圖四所示。

序號	數據分項	工況1	工況2
1	機組負荷(MW)	500	380
2	工頻功耗(kW)	7091.1	6696.0
3	變頻功耗(kW)	6305.4	5110.3
4	平均節電率(%)	11.1	23.7
6	年節約電量(104kWh)	552.5
7	年平均節電率(%)	15.1

由上述數據分析可知
，在600MW機(ji)組(zu)鍋(guo)爐(lu)給(gei)水(shui)係(xi)統(tong)超(chao)大(da)功(gong)率(lv)設(she)備(bei)應(ying)用(yong)條(tiao)件(jian)下(xia)，采(cai)取(qu)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)器(qi)調(tiao)速(su)替(ti)代(dai)液(ye)力(li)耦(ou)合(he)器(qi)調(tiao)速(su)方(fang)式(shi)，仍(reng)可(ke)取(qu)得(de)良(liang)好(hao)的(de)節(jie)能(neng)效(xiao)果(guo)和(he)顯(xian)著(zhu)的(de)節(jie)能(neng)收(shou)益(yi)。對(dui)進(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)機(ji)組(zu)廠(chang)用(yong)電(dian)率(lv)水(shui)平(ping)具(ju)有(you)切(qie)實(shi)意(yi)義(yi)。

 

 

參考文獻：倚鵬.高壓大功率變頻器技術原理與應用.北京:人民郵電出版社，2008.