1000MW火力發(fā)電機組凝泵變頻器運行存在問(wèn)題探討

1 概述

火電廠(chǎng)單元機組一般配置有兩臺凝結水泵(以下簡(jiǎn)稱(chēng)凝泵)，通常采用一主一備方式運行。由于凝泵電機額定功率大、占廠(chǎng)用電負荷比重相對較高，且在機組正常運行時(shí)存在一定負荷余量，因此對凝泵電動(dòng)機應用高壓變頻節能技術(shù)是目前較為理想的一種節能減排措施，許多火電廠(chǎng)都對凝結水泵電動(dòng)機進(jìn)行了高壓變頻節能技術(shù)改造。

凝泵變頻器的配置方式一般分為“一拖一”和“一拖二”兩種。在“一拖一”方式下凝泵與變頻器一一對應，此時(shí)可以采用兩臺變頻泵互為備用或是僅采用一臺變頻泵作為主用泵、另一臺工頻泵處于熱備用方式;而“一拖二”方式下單元機組僅配置一臺變頻器，運行/備用凝泵分別處于變頻 /工頻運行方式，這樣可以定期對主/備用凝泵進(jìn)行切換操作以保持兩臺凝泵的使用壽命大致相當。此時(shí)需要在兩組切換機構間設置切換互鎖裝置，防止在機組運行時(shí)進(jìn)行運行方式人工切換時(shí)引發(fā)的誤操作。由于凝泵在變頻方式下啟動(dòng)時(shí)間較長(cháng)(設計啟動(dòng)至滿(mǎn)載時(shí)間至少需要25 s)，凝泵處于變頻方式工況時(shí)一般不宜作為備用設備使用，因此現場(chǎng)采用“一拖二”運行方式是比較合理的。

下面以一臺調試中的1000 MW機組為例，就其凝泵應用高壓變頻節能技術(shù)的具體情況進(jìn)行介紹。其主要一次設備配置情況如圖1 所示。

1)凝泵電機采用上海電機廠(chǎng)生產(chǎn)的三相異步電機，型號為YBLKS 800，額定功率為2 900 kW、額定轉速為988 r/min;

2)變頻器采用美國AB 公司(原為Rockwell公司)生產(chǎn)的電流源式高壓變頻器，型號為PowerFlex 7000，輸出功率范圍150~4100 kW;

3)變頻器整流變采用的是保定天威順達生產(chǎn)的18脈波整流移相干式變壓器，型號為ZTSFG-4000，額定容量4000 kVA，空載損耗7.2 kW，負載損耗46.5 kW。

變頻器主電路的拓撲結構如圖2 所示。

整流側采用晶閘管(SCR)實(shí)現PWM整流，逆變側采用對稱(chēng)門(mén)極換流晶閘管(SGCT)串聯(lián)的二電平逆變方案。

該種類(lèi)型變頻器的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、易于控制電流、便于實(shí)現能量回饋和四象限運行，缺點(diǎn)是諧波成分大，兩電平輸出的dv/dt對電機絕緣等級要求高、串聯(lián)器件存在均壓?jiǎn)?wèn)題。

2 凝泵變頻器的運行情況分析

2.1 凝泵變頻運行方式不同轉速工況下節能效果分析

在凝結水回路帶臨時(shí)管路的工況下，首先在變頻及工頻方式下對兩臺凝泵進(jìn)行了試運轉，在試驗過(guò)程中記錄了凝泵所在6 kV段母線(xiàn)電壓、進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)電流等電氣參數，不同工況下的穩態(tài)運行數據如表1 所列。

圖3 對凝泵試轉運行試驗數據進(jìn)行了比較(各參數為相對值，以工頻方式下數據為基準)。從圖中可以發(fā)現在轉速較低的區域中凝泵采用變頻方式運行時(shí)，其節能效果是十分明顯的。但由于大型火電機組正常運行負荷均在40%額定負荷以上，凝泵負荷具有連續恒定的特點(diǎn)，在低轉速區域運行時(shí)間較短，因此凝泵變頻器輸出頻率位于35 Hz~45 Hz區域內的運行情況較為重要：在該區域廠(chǎng)用電系統輸出的有功功率在0.4 pu~0.8 pu 之間，無(wú)功功率始終處于1.1 pu 以上，并在40 Hz左右達到1.2 pu。在變頻45~50 Hz工作點(diǎn)運行時(shí)，6 kV電源輸出的有功功率基本與工頻方式(1 pu)相同，但由于功率因數下降，因此在變頻高轉速區域內所需視在功率及電流均較工頻方式略大。

綜上分析，可知在工頻與變頻兩種運行方式之間存在一個(gè)能耗平衡點(diǎn)，根據現場(chǎng)實(shí)測數據，如以視在功率為標準，平衡點(diǎn)大致在48.5 Hz 附近。

需要指出的是，上述能耗比尚未統計變頻運行時(shí)凝泵變頻器小室空調及變頻器裝置內部散熱裝置的能耗(該部分設備由廠(chǎng)用電系統供電)。

此外，現場(chǎng)實(shí)測有功功率耗損與理論節能率(由相似定律導出)相差2%~5%，這可能與變頻設備(包括整流變及變頻器)的負載損耗有一定關(guān)系。

由此可見(jiàn)該凝泵變頻器在48 Hz 以上工況投入運行時(shí)不具備明顯的節能效果。

2.2 凝泵變頻器負載率與機組負荷率的關(guān)系

在該機組整套啟動(dòng)過(guò)程中，記錄了凝泵變頻器輸出工況，圖4 為機組負荷與變頻器輸出頻率之間波動(dòng)關(guān)系，從圖中可以發(fā)現，在機組正常運行工況下凝泵變頻器的輸出頻率基本穩定38~45 Hz之間，且波動(dòng)趨勢基本與機組出力變化情況相同，由此得出的節能率達到25%~50%(該節能率以有功功率計算，由于該頻段的無(wú)功損耗較高，如以視在功率角度計算節能率為15%~30%)，因此從節能角度來(lái)說(shuō)該機組在正常工況下采用變頻運行方式是比較合理的。

3 變頻設備運行中存在的問(wèn)題及其分析

3.1 變頻設備在高負荷下的散熱問(wèn)題

變頻器內的電力電子開(kāi)關(guān)元器件對散熱的要求比較高，環(huán)境溫度過(guò)高不利于變頻設備的穩定運行。

一般凝泵變頻器及與之配套的整流變均會(huì )安置在同一設備室內，現場(chǎng)試驗時(shí)與變頻器配套的整流變有著(zhù)如下一些特點(diǎn)：

1)結構復雜為了消除低次諧波，設計有三組不同移相角度的低壓繞組，故內部工藝較為復雜;

2)容量與額定電壓不匹配由于廠(chǎng)用電母線(xiàn)采用6.3 kV電壓等級，而干式變壓器國標(GB/T1094.11原2007)對于該電壓等級的最大推薦容量為3150 kV·A，實(shí)際整流變額定容量4000 kV·A，超標達27豫;

3)負載特殊所帶負載為電力電子設備，功率因數低、諧波含量高，并且機組運行時(shí)變壓器的負荷率長(cháng)時(shí)間處于較高工況(變壓器的最佳負荷系數一般在0.5~0.6之間，而現場(chǎng)凝泵電機額定功率為2 900 kW，按照功率因數0.85 計算負荷系數達到了85%。)。

基于上述原因，整流變往往成為變頻設備室內的主要熱源，此外風(fēng)路設計不合理也不利于控制環(huán)境溫升。由于現場(chǎng)變頻設備的冷卻方式均采用風(fēng)冷方式，而為了防止外部灰塵進(jìn)入，變頻設備室采用密閉微正壓設計，散熱口設在室內(熱空氣未能直接排至室外)，另外由于空調出風(fēng)口也位于頂部，冷熱風(fēng)路在變頻設備室頂部交匯，無(wú)法在整個(gè)變頻設備室內部形成有效對流。

因此在夏季高溫時(shí)間段尤其應注意關(guān)注變頻設備的溫升情況，同時(shí)應加強整流變及變頻器內部溫度的遠方監控手段，以便運行人員掌握設備實(shí)際運行情況，及時(shí)根據實(shí)際情況改變運行方式。

3.2 兩臺凝泵運行切換方式問(wèn)題

機組運行時(shí)凝泵切換均按照“先開(kāi)后停”的原則進(jìn)行，在“一拖二”配置方式下如需實(shí)現A泵與B泵間變頻運行方式的切換，需要經(jīng)過(guò)“三啟、三停、兩切換”的復雜過(guò)程，具體操作步驟如表2所列。

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