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发电厂凝结水泵的变频改造

作者：王 勇 穆小瑞 王延增

来源：《科学与财富》2010年第08期

[摘 要] 几年来,随着我国电气传动技术尤其是变频调速技术的发展,高压变频调速技术在节能领域的重大贡献,越来越关注发电厂凝结水泵的变频改造。论文首先阐述了凝结水泵在电厂中的作用,说明了变频调速与水泵节能的原理,最后就发电厂凝结水泵的变频改造要点进行了探讨。

[关键词] 凝结水泵 发电厂 变频

目前在电力行业,作为电厂自用机械的高压大功率交流电动机的使用量越来越大,而占电动机用电量80%以上的大型电动机一般都是高压电动机且都是厂用电的大户,但在运行中却普遍存在着负荷不饱满的问题,造成目前厂用电率相当高理论研究和试验运行表明,高压变频调速系统性能良好,高压大容量的风机、水泵系统采用变频调速可以节省大量电能,综合经济效益十分显著。

1、凝结水泵在电厂中的作用及变频调速的意义

凝结水泵是一种将原动机的机械能转换为叶轮输送流体(在电厂中为水)的压能和动能的一种动力设备,其主要作用是将凝汽器热井中的凝结水输送到除氧器,并为一些设备提供减温水。在火力发电厂中,凝结水泵是实现动力循环的重要组成部分,是重要的辅机之一,其安全、经济运行对电厂的安全经济发电起着重要作用。

电厂凝结水泵在电厂中发挥着极其重大的作用,是电厂最为重要的辅机之一,其作用是通过驱动电机将机械能转化为液体(水)的压能和动能,从而实现为电厂供水,但电厂的凝结泵在机组负荷率不高时普遍存在着需要节流调节的现象,造成了电能的极大浪费,对电厂凝结水泵进行变频调速已是当前电厂节能改造一个刻不容缓的问题。

高压变频调速技术是针对大、中容量电动机的一项节能新技术,是现代电气传动的发展趋势。它技术成熟,节电效果好(节电率达20%～60%),在国外已经得到了广泛应用。目前我国电能利用率还非常低,浪费严重,特别是风机、水泵大都采用风门、阀门调节风量、水量,如果高压变频调速技术得以推广,不仅能满足工艺流程的要求,而且节电效果也非常显著,对我国能源的合理利用、环境保护都有十分重大的意义,同时,变频调速技术已成为节约能源提高产品质量的有效措施。

2、变频调速与水泵节能的原理

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2.1高压变频器的节能原理

过去,一般对风机、水泵采用挡板、阀门进行流量控制,因而造成了大量的能源浪费。现在,国际上普遍采用转速调节方式进行节能,虽然有多种方式,但是其中应用效果最好的为高压变频调速方式。采用直接高压控制电动机定子的电压源型变频器,对风机、水泵等机械装置进行转速控制来控制风量、流量的方法是当前国内外主流技术,应用得非常广泛,大量采用该项技术进行节能,对于我国经济发展具有重要的意义。电厂中所用的凝结水泵大多为离心式,主要由泵壳、叶轮、叶片以及阀门等所组成,泵的轴功率P与泵的出口流量Q和出口压力H成正比;电厂的凝结水泵是由电压等级为6kV的交流电机驱动的,对其调速节能的方式有改变管路特性曲线和改变水泵性能曲线两种,改变水泵性能曲线已成为水泵节能的主要方式,其中应用最广的为变频调速;对凝结水泵的调速实际而言是为水泵提供驱动力的交流电机的调速。 2.2水泵的节电方法及节能原理

水泵负载转矩与转速的二次方成正比,轴功率与转速的三次方成正比,因此可以通过调节水泵的转速来达到节电之目的。下面对采用调节阀门及变频调速方式下的节能原理有一个理论上的了解。如果设备的配置都满足设备的最佳运行状态。 图1 H—Q—S—P状态图

(1)当流量Q=1时,采用调节阀门和采用变频器时使用的功率将会一致,这是因为它们的输入功率都为AHOK所包围的面积;

(2)当流量从Q=1下降到Q=0.7时,采用调节阀门进行调节时的输入功率为BIOL所包围的面积,采用变频调节后,其功率下降为DGOL所包围的面积,从图1看,这个面积比BIOL包围的面积小很多;

(3)当流量进一步下降到Q=0.5时,采用调节阀门节时的输入功率为CJOP包围的面积,而采用变频高速时的输入功率为EFOP包围的面积,从图1看到,这个面积与CJOP相比,其值更小。所以,可以从直观的图形上看到采用变频调速技术比采用调节阀门时节约大量的能量,也就是说:采用变频调速是一种节能的好办法。那么,怎么计算呢?根据水泵理论,水泵运行时在需要流量变时,可以采用阀门或者挡板进行调节,其输入功率的计算公式为:(2-3) Pnn=PHnnQnn(2-1) 式中:Hnn=U-(U-1)Q2nn(2-2) U为系统流量为零时的压力极值; Pnn为某个状态下的输入功率标么值;

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Hnn为某个状态下的为压力标么值; Qnn为某个状态下的为流量标么值; P为额定状态下的输入功率。 3、发电厂凝结水泵的变频改造要点 3.1变频调速面临的问题

目前,变频调速技术已广泛应用十低压(380V)电动机,但在高压电机上却一直没有得到广泛应用,造成这种状况的主要原因是目前的功率电子器件的电压耐量及开关频率受到限制,研制高压变频器难度较大。高压变频调速主要的研究内容及关键技术有如下各项:1)高压、大电流技术:包括动态、静态均压技术(6kV,10kV回路中3英寸晶闸管串联,静动态均压系数大于0.9;均流技术(大功率晶闸管并联的均流技术,均流系数大于0. 85);浪涌吸收技术(10kV,6kV回路中);光控及电磁触发技术(主要解决导热及散热性好、电流出力大的技术,如热管散热技术);高压、大电流系统保护技术(抗大电流电磁力结构、绝缘设计)以及等效负载模拟技术。2)新型电力电子器件的应用技术:包括可关断驱动技术;双PWM逆变技术;循环变流/电流型交一直一交(CC/CS工)变流技术(12脉波变频技术);同步机交流励磁变速运行技术以及软开关PWM交流技术。3)全数字自动化控制技术:包括参数自设定技术;过程自优化技术;故障自诊断技术以及对象自辩别技术。4)现代控制技术:包括多变量解祸控制技术;矢量控制和直接转矩控制技术以及自适应技术。 3.2高压变频调速方案

高压变频调速的研究,从目前已有的产品来看,实现方案有如下几种:

(1)采用Y- 4变换法。该种方法是通过降压变压器将高电压等级降低到一定的电压等级、使电机以△连接的形式工作,这样就可以采用ABB, Sienmens、以及口本和韩国的中等电压等级的变频调速系统。图2即为某6000V电机转换连接的实施方案示意图。这样一种连接方式在保证输出功率不变的情况下,虽能满足电压和电流的要求,但它对dv/ dt和共模电压的承受能力较差。如所使用电动机温升等级为B级,就有可能因电流增加,导致电机的温度急剧上升,以至损坏电机。另外,该方案须增加一个变压器,而且对于高于6000V以上的电机还很难实现。 图2 变频调速系统 2)高—低—高变频调速系统

此种调速控制方案是将高电压通过降压变压器使变频器的输入电压降低,然后,将变频器的输出电压通过升压变频变压器、使输出电压再提高到较高的电压等级,以满足交流电动机的电压要求,如图3所示。这样可采用广泛使用的通用交流变频器,是一种折中的控制方案。这种控