摘 要：邯峰電廠是國家“九五”期間河北省最大的中外合資項目，其先后建成2臺660MW燃煤發電機組是華北地區單機容量最大的發電機組，此次其凝泵變頻改造是國內660MW機組的首次成功應用，為今后600MW以上機組應用國產高壓變頻器進行改造提供了良好的成功應用經驗。 關鍵詞：660MW燃煤發電機組 凝結泵 變頻調速改造 一、概況 　　邯峰電廠一期工程為2臺66萬千瓦機組，該工程由中德雙方共同設計，是國家“九五”期間河北省最大的中外合資項目。該廠位于河北省邯鄲市，廠區占地73.54公頃，規劃容量2400MW，一期工程于2001年3月26日、9月1日先后建成2臺660MW燃煤發電機組投入商業運營，是華北地區單機容量最大的發電企業。邯峰發電廠主設備代表著上世紀90年代末期的國際先進水平。該廠汽輪發電機、電氣儀控系統采用德國西門子設計制造的設備。輔機主要有2臺全容量凝結水泵，2臺半容量汽動給水泵，1臺35%容量電動給水泵，3臺半容量循環水泵。 　　凝結泵是汽輪機熱力系統中的主要輔機設備之一，它的作用是把凝汽水箱的凝結水經低壓加熱器加熱后送入除氧器內維持除氧器水位平衡。系統采用傳統的配置，凝結水通過凝結水泵升壓后，經過軸封加熱器、4臺低壓加熱器后送入除氧器。維持凝結水泵連續、穩定運行是保持電廠安全、經濟生產的一個重要方面。 凝結水系統的工藝簡圖如圖1所示。 [align=center] 圖1：凝結水系統的工藝簡圖[/align] 　　機組在滿負荷情況下，凝結泵出口調節閥開度都在40％～60％之間運行，50%負荷至100%負荷間壓差較大，閥門一直處在節流狀態下工作，節流損失大。由于機組參與調峰，凝泵主輔機設備具有較大的調整空間，在低負荷時，凝泵出力不變，造成很大浪費。利用高壓變頻器對凝結泵進行變頻控制，實現凝泵給水流量的變負荷調節。這樣，不僅改善了調節品質，而且提高系統運行的可靠性；降低了機組的補水量，改善了系統的經濟性，節約能源，為降低電廠廠用電率提供了良好的途徑。 　　 二、控制系統方案 1．凝結泵的運行工況 　　凝結泵電機使用德國西門子立式電機，2600kW/6kV，每臺機組配備2臺凝結泵，運行方式為一用一備。 　　調節凝汽器內的水位是凝結泵運行中的一項主要工作。在正常運行狀態下，凝汽器內的水位不能過高或過低。當機組負荷升高時，凝結水量增加，凝汽器內的水位相應上升。當機組負荷降低時，凝汽器內水位相應降低。 　　沒有使用變頻器之前，凝汽器內的水位調整是通過改變凝結水泵出口閥門的開度進行的，調節線性度差，大量能量在閥門上損耗。同時由于頻繁的對閥門進行操作，導致閥門的可靠性下降，影響機組的穩定運行。 　　使用高壓變頻器后，凝結水泵出口閥門不需要頻繁調整，閥門開度保持在一個比較大的范圍內，通過調節變頻器的輸出頻率改變電機的轉速，達到調節出口流量的目的，滿足運行工況的要求。 2、系統運行狀態的控制 　　在正常工況下，DCS優先選擇#11凝結水泵投入運行，并根據凝汽器水位進行變頻調速控制，調節凝結水泵。此時主凝結水調整門處于全開狀態。如果#12泵開關一旦合閘（不管其他條件），主凝結水調門可根據負荷大小分別調600MW時調整至40%，300MW時調整至30%，其它負荷按此直線斜率確定調門位置，到位后且＃11凝泵6kV開關跳閘，主凝結水調門自動投入。在凝汽器、除氧器水位平穩后，將＃12泵出口電動門由30%逐漸開展。為保證主凝結水母管壓力不低于0.6MPa，#11凝泵最低頻率設定為30Hz（900轉/分）。 　　#11泵運行有兩種運行方式，即工頻運行和變頻運行。如變頻器正常，#11泵通過變頻調節（旁路斷開），操作順序為：先合上#11凝結水泵6kV開關，再啟動變頻器；如變頻器有故障，則需隔離變頻器、通過旁路工頻運行，并通過主凝結水調門自動來控制水位，操作順序為：將#11凝泵電源切換為旁路工頻狀態，合上#11凝結水泵6kV開關即可實現＃11凝泵工頻運行。#12泵退出備用。#12泵控制方式保持不變，#11泵此時需隔離變頻器，旁路在連通位置，處于工頻備用位置。如#12泵故障跳閘或母管壓力低，引起#11泵自投，這時#11泵在工頻狀態下運行，并通過主凝結水調門來控制水位。 　　如變頻器正常，#11泵通過變頻調節（旁路斷開）；如變頻器有故障，#11泵隔離變頻器、通過旁路工頻運行，并通過主凝結水調門來控制水位。#11凝工頻運行時，如#11凝泵6kV開關跳閘，就應聯動#12泵；變頻運行時不僅#11凝泵6kV開關跳閘應聯動#12凝泵，而且如因變頻器跳閘也應聯動#12泵。 3、系統安全評價 　　凝結泵變頻改造后，設備增加，故障點增加，但系統通過以下安全措施能有效排除。 動力系統評價: 雖然增加了變頻設備，但保護沒有減少，分級保護仍然存在，動力系統變頻改造設計初期就充分考慮了安全方面因素。當變頻器故障或單臺泵跳閘時原有保護功能依然有效聯起備用，保證機組正常運行，不會對機組運行造成威脅。 為了保證設備穩定運行，采取了一套完善的保護措施 　　※ 流量保護:設置最低轉速防止控制過程中電機不出水（防汽蝕）,當流量小于96kg/s,大于580kg/s，延時28秒停機。 　　※ 水位保護:當凝汽器水位小于400MM,A1低加,A2低加小于12600MM,A3低加小于1190MM,A4低加小于715MM,除氧器水位大于3070MM,延時20秒停機。 　　※ 溫度保護:當泵和電機軸承溫度超過100度也會跳機保護。 　　※ 轉速進行高、低速設置，具備快加快減功能，在負荷突變或單臺泵調閘情況下提高系統反應速度，降低水位變化速率，避免水位高、低值報警。 　　※ 在工頻泵運行變頻泵恢復時實現平穩并泵、退泵，避免工頻泵壓頭過高變頻不出水。實現變頻器向上調整的平穩過渡。 　　通過上述安全措施，再結合機組本身特點及凝泵系統特點達到節能效果，同時對機組的安全運行不構成影響。 三．高壓大功率變頻器的技術特點 1、技術參數 配置凝結水泵數量：2臺（1用1備） 2、HARSVERT-A高壓變頻器特點 　　HARSVERT-A高壓變頻器屬于電壓型高-高變頻器，不需要另外加設輸出變壓器，只要將變頻器輸入端直接接在6kV的電網上，輸出端直接接到高壓電動機上，連接簡單方便。 　　HARSVERT-A高壓變頻器整流電路采用36脈沖整流，逆變回路采用獨特的單相多電平PWM控制技術，從而構成了對電源和電動機都十分友好的雙完美系統，電源一側為完美無諧波輸入，電動機一側輸出為完美的正弦波，直接連接原有凝泵電動機，不需要大的改造，不需要增加輸出濾波器。 [align=center] 圖2：22Hz輸出波形 圖3：30Hz輸出波形[/align] 　　通過對變頻器輸出PWM波形（圖2、圖3）測量可以看出，這種波形正弦度好，dv/dt小，大大減少對電機和電纜的絕緣損壞，同時消除機械震動帶來的軸承的損壞。 　　HARSVERT-A高壓變頻器綜合運行效率高、功率因數高。由于采用多級移相干式變壓器使電網側電流諧波大大減小，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，每個功率單元等效為一臺單相低壓變頻器。利用這種常規低壓變頻器的成熟技術，使可靠性提高，由于IGBT開關頻率降低，使損耗減小，加之采用獨特的控制技術，變頻器綜合效率高達97%以上。由于電源輸入側36脈沖整流，功率因數超過0.95。 　　HARSVERT-A高壓變頻器控制系統采用嵌入式一體化工控機和PLC共同構成，人機界面非常友好，實現多電平PWM控制和附加簡易矢量運算功能的V/f控制，控制響應快、精度高。采用了光電隔離技術，使低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。 3、HARSVERT-A高壓變頻器的外部接口如圖4所示： [align=center] 圖4：HARSVERT-A高壓變頻器的外部接口圖[/align] 4、600MW凝泵高壓變頻器的特殊設計 ※ 功率模塊的N+1冗余設計 　　HARSVERT-A高壓變頻器采用6級串聯結構形式，變壓器為36脈沖輸入，每個功率單元的輸出電壓能力仍然為700V，在正常運行模式下，由PWM調節每個功率單元的輸出電壓，功率單元的輸出電壓不用達到額定電壓700V，即可保證電機運行的需要。當某個功率單元發生故障被旁路時，由于系統具有N＋1備份的功能，由PWM調節提高其余功率單元的輸出電壓，系統仍舊可以輸出6kV的電壓，滿足電機運行的需要。 　　新一代HARSVERT-A系列高壓變頻器采用單個單元模塊旁路控制方式（我公司已申請專利），當一個功率單元故障時，此模塊自動切換到旁路運行，系統調節其它功率單元的輸出，維持輸出線電壓的平衡，對電機無任何影響。采用這種技術，可以最大程度的發揮系統的電壓輸出能力；當某一相有兩個功率單元出現故障的情況下，系統仍舊可以輸出6kV的電壓。而早期的技術，當A相有一個功率單元出現故障，還需要旁路B相、C相一個完好的功率單元，來維持系統輸出電壓的平衡，這樣，當某一相有兩個功率單元出現故障時，系統的電壓輸出能力將無法達到6kV。 　　采用這種N+1備份方式，出現單元旁路時，不影響高壓變頻器對電機的調節品質。但是對輸入側（即電網）的電能品質有一定的影響。當有一個功率單元退出運行時，變壓器的36脈沖構成不再成立，由于總共有18個功率單元，因此將有1/18的電流諧波無法消除，由于變壓器的移相角度無法在線改變，這樣的缺憾在技術上是無法避免的。但是，這畢竟是一種非正常的運行方式，而且1/18的諧波增加仍舊滿足一般標準對諧波的要求，因此能夠得到用戶的諒解。如果不是采用單個單元模塊旁路技術，由于一次要旁路三個功率單元，將有3/18=1/6的諧波無法消除，對電網的諧波影響將較大。 　　HARSVERT-A高壓變頻器針對邯峰電廠要求功率單元采用冗余設計，用700V功率單元做成6 級，采用了特殊的主控程序（N+1 備份的專用版本）所有功率單元正常時，電壓調制系數比正常的標準設備略低，當有單元出現故障旁路時，則自動提升調制系數，旁路一級時仍然能達到滿電壓輸出。當＃12泵、＃11泵變頻泵切換時，利用變頻器的快速啟動模式，20s內快速啟動到50Hz，同時凝結水調門切手動，運行人員手動逐漸開展主凝結水調門，降#11泵轉速，手動調整水位正常后，再投入變頻自動運行。 ※ 20s快速啟動功能 　　根據凝結水泵的工藝要求，兩臺水泵要真正實現互為備用，變頻水泵必須能夠在20—30s內由0速啟動到全速，為此針對凝結水泵的特殊工況進行特殊設計，來滿足20—30s內將水泵由0啟動到全速的要求。主要采取以下手段：①選用比標準2600kW/6kV高壓變頻器具有更大電流承載能力的IGBT器件、電解電容和整流橋，提高變頻器的輸出電流能力，從而可以獲得較大的啟動電流和啟動轉矩，加快電機啟動時間；②變壓器容量、散熱器容量仍然按2600kW/6kV高壓變頻器設計，因為變壓器本身具有較大的短時過流能力，短時的大電流也不會在變頻器內產生大的熱量，散熱器容量也沒必要加大，這樣可以將高壓變頻器的成本控制在合理范圍內；③從控制方式上，高壓變頻器啟動時采用飛車啟動功能將電機轉速在20s內直接升至命令頻率，按照轉速－時間曲線進行速度調節，使得在一定的電流負載下，獲得總體較快的加速效果。④過流保護設定上，采用不同的標準。在啟動時段，變頻器內部會將過流保護設定得較高，保證電機能在較大電流下啟動。正常運行時，高壓變頻器自動將過流保護調整為120%每分鐘，以保證能對電機實現有效的過流保護。 5、空水冷運行效果 　　由于HARSVERT-A大功率高壓變頻器4％的散熱量采用風冷卻已不能滿足設備正常運行對環境的要求，為此，為用戶提供了一套空－水冷方案，實踐證明，該系統具有安裝簡便、快捷，使用壽命長、故障率低、免維護、周期長等特點。 四．節能效果 現場技術數據： 通過對比可知各負荷點節電率情況如圖5所示 [align=center] 圖5：各負荷點節電率情況圖 [/align] 　 　如果按照平均負荷率為75%（500MW），年運行時間為7200小時，年可節約電量568.88萬kW?h，平均節電率44.58%。該項目在1-1.5年內可收回投資成本。 五．凝泵調速后的其它優點 變頻調速不僅節能效益顯著，而且可以明顯改善系統的安全可靠性，有以下幾個方面的優點。 ※ 減少電機啟動時的電流沖擊 　　電機直接啟動時的最大啟動電流為額定電流的7倍，星角啟動為4.5倍，電機軟啟動器也要達到2.5倍，變頻起動時基本沒有沖擊。 ※ 延長設備壽命 　　采用變頻調速后，低負荷時避免了泵內發生汽蝕，同時變頻調速沒有應力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。 ※ 提高管系可靠性 　　變速調速運行時，改善了由于閥門調節時對管系的沖擊，這樣降低了泵及系統的噪音，改善了運行環境。 六．總結 　　邯峰電廠凝泵變頻改造是國內660M W機組的首次應用，隨著大型機組參與調峰的增多，越來越多的輔機需要進行調速改造，以適應競爭的需求。這次邯峰電廠600MW以上大機組首次應用國產大功率高壓變頻器進行調速改造的成功，為今后600MW以上機組應用國產高壓變頻器進行改造提供了良好的成功應用經驗，為2500kW以上主輔機設備的改造提供了廣闊的應用前景，也表明了國產大功率高壓變頻器的推廣及應用已經進入實質性階段。HARSVERT-A系列國產大功率高壓變頻器性價比高，不失為用戶在大容量機組節能降耗方面的首選產品。 參考資料： 　　1. 邯峰電廠HARSVERT-A 06/300高壓變頻器調試報告 　　2. 邯峰電廠1＃機＃11凝結水泵高壓變頻器調試大綱 　　3. 沙角C電廠660MW機組凝結水泵變頻改造經濟性分析 　　4. 《600MW級火力發電機組叢書》 　　5. HARSVERT-A高壓變頻器技術手冊 作者小傳： 　　鄭家海：現任北京利德華福電氣技術有限公司調試工程師。 　　黃桂英：現任北京利德華福電氣技術有限公司系統應用工程師，從事高壓變頻調速技術在電力、冶金、石油、化工、市政等行業的控制系統的結構設計、邏輯編程、軟件組態、系統調試等工作。 　　呂澤玉：現任北京利德華福電氣技術有限公司項目評估工程師，電氣技師，研究電力、冶金、石油、化工、市政等行業的工藝結構、技術方案、節能計算方法、數據處理評價等。