摘要：本文針對210MW機組鍋爐給水系統，應用國產(chǎn)5.5MW級高壓超大功率變頻器代替液力偶合器機械調速，提高給水泵系統效率、節能降耗的經(jīng)驗進(jìn)行了積極探討。通過(guò)實(shí)踐證明：在既有液力偶合器調速的基礎上，通過(guò)高壓變頻器應用仍可以取得良好的節能收益。

    關(guān)鍵詞：給水泵大功率高壓變頻應用

    一、項目現狀

    1.1概況

    大唐耒陽(yáng)發(fā)電廠(chǎng)原名湖南省耒陽(yáng)電廠(chǎng)，籌建于1983年，正式建廠(chǎng)在1987年。2002年，國家電力體制改革，在全國范圍內成立五家發(fā)電集團公司。因此，湖南省耒陽(yáng)電廠(chǎng)被歸于中國大唐集團公司，改名大唐耒陽(yáng)發(fā)電廠(chǎng)，屬大唐集團公司獨資企業(yè)。耒陽(yáng)發(fā)電廠(chǎng)地處我國古代造紙發(fā)明家蔡倫的故鄉——湖南省耒陽(yáng)市（屬衡陽(yáng)市管轄），座落在耒水河畔，廠(chǎng)區占地260公頃，三面環(huán)水，一面靠山，是湖南省“花園式工廠(chǎng)”。一期工程兩臺20萬(wàn)千瓦國產(chǎn)燃煤機組分別于1988、1989年投產(chǎn)發(fā)電；二期擴建工程兩臺30萬(wàn)千瓦機組分別于2003年12月、2004年6月投產(chǎn)發(fā)電，為湖南第一個(gè)百萬(wàn)級火力發(fā)電廠(chǎng)。目前正在籌建三期擴建工程。

                    

                            圖一大唐耒陽(yáng)電廠(chǎng)全景圖

    耒陽(yáng)電廠(chǎng)210MW機組鍋爐給水系統主要由2臺5500kW全容量給水泵、前置泵和負荷調節閥門(mén)組成。系統正常運行情況下，改造前給水泵采用一運一備工頻方式運行。

    針對大唐耒陽(yáng)電廠(chǎng)給水泵節能改造的需求，我公司配合大唐先一節能科技有限公司，對大唐耒陽(yáng)電廠(chǎng)1#機組1#給水泵進(jìn)行了變頻改造。包括液偶、油站、前置泵、變頻器冷卻等方面。

    1.2給水系統

    是指鍋爐的水系統，它不斷地向鍋爐供應給水以保證正常的水循環(huán)。給水泵將除氧器的水升壓后送往高壓加熱器，經(jīng)過(guò)給水操作臺進(jìn)入鍋爐的省煤器，省煤器將給水加熱后送往汽包，下降管把汽包的水分配到水冷壁的各個(gè)下聯(lián)箱，水冷壁吸收爐膛高溫火焰（煙氣）的輻射熱使水變成汽水混合物，汽水混合物進(jìn)入汽包進(jìn)行汽水分離，分離出來(lái)的水繼續進(jìn)行水循環(huán)，分離出來(lái)的飽和蒸汽進(jìn)入頂棚過(guò)熱器。右圖為給水系統示意圖：

                    
                    

                                      圖二:鍋爐給水系統示意圖

    為保證鍋爐運行處于安全狀態(tài)，目前機組通過(guò)調節給水泵液偶輸出轉速的方式改變給水流量，控制汽水分離器液位穩定。給水泵液力偶合器配有增速齒輪，使渦輪的轉速高于原動(dòng)機的轉速，在這個(gè)較高的轉速值下向降低轉速的范圍內調速運行。

    1.3給水泵改造的可選方案

    1.3.1 不拆除液力偶合器方案

    （1）不拆除液偶，變頻運行時(shí)，把液偶位置開(kāi)到最大，液偶相當于一個(gè)聯(lián)軸器的作用。

    （2）由于主油泵與電機同軸，采用變頻調速后，電機轉速降低后，油泵油壓、油量不足，某電廠(chǎng)油泵要求潤滑油壓力不低于0.25MPa，潤滑油量不低于360 L/min；工作油壓力不低于0.25MPa，所以為滿(mǎn)足油泵供油，單獨配置油站。拆除原液偶主油泵，具體內容包括油站的油管路改造，油站的基礎制作、安裝，油管路的連接液力偶合器主油泵葉輪拆除及改造等。

    （3）配置油站：根據油量，油壓需求配置油泵及備用油泵，運行泵故障跳閘，連鎖備用泵啟動(dòng)。油站還需配置符合油泵控制要求的電氣控制箱，油溫、油壓，油量檢測裝置及其他配套附件等，檢測信號能輸出4-20mA信號。

    （4）當變頻器故障或檢修時(shí)，通過(guò)變頻器旁路切換到工頻運行。此時(shí)還是沿用原來(lái)的運行方式，用液偶調速。

    1.3.2拆除液力偶合器方案

    現場(chǎng)進(jìn)行變頻改造后，代替了原液偶調速方式，并且由于液力偶合器自身的種種弊端，考慮到長(cháng)期運行的穩定性，因此建議拆除液力偶合器。

    （1）本改造方案將給水泵的液力偶合器更換為增速齒輪箱，給水泵電機用變頻器調速運行。供貨范圍需增加一套增速齒輪箱（含輸入輸出聯(lián)軸器，增速箱安裝在電機與給水泵之間變速）。由于大部分電廠(chǎng)有備用給水泵，當變頻退出時(shí)，可啟動(dòng)備用泵（液偶調速），所以拆除液偶后不需要增加軟起裝置。工程改造部分需要解決拆除液偶后電機與泵之間的連接問(wèn)題以及電機的潤滑油系統。

    安裝示意圖如下所示：


                    

    （2）針對極個(gè)別電廠(chǎng)（如廣州某電廠(chǎng)）沒(méi)有配置備用泵的情況，當一臺變頻器退出運行時(shí)，可考慮通過(guò)提高另外一臺給水泵的給水量來(lái)滿(mǎn)足鍋爐給水的需求（機組同時(shí)配合給水降負荷），如果還不能滿(mǎn)足給水要求，則一臺給水泵切換到工頻運行，另外一臺變頻泵提速到工頻頻率，通過(guò)給水母管閥門(mén)調節以保證系統穩定運行（此部分需要根據鍋爐負荷與閥門(mén)及變頻器進(jìn)行聯(lián)調）。

    （3）針對電廠(chǎng)沒(méi)有備用泵，拆除液偶后電機的啟動(dòng)問(wèn)題，可考慮配置軟起動(dòng)裝置。

    （4）針對電廠(chǎng)沒(méi)有備用泵的工況，變頻器改造時(shí)建議采用一拖一自動(dòng)旁路方案。

    1.3.3拆除液偶后的電機與給水泵聯(lián)接問(wèn)題

    施工說(shuō)明：

    方法1：將電機基礎前移

    （1）現場(chǎng)擬采用鋼底座作為電機基礎，其底座均布六個(gè)底腳螺栓，并要求進(jìn)行混凝土二次灌漿；

    （2）為保證設備投運后的安全，對電機移位后與負載直聯(lián)的磨擦片接手需要重新定制；

    （3）六個(gè)底腳孔采用鉆孔成型，底腳螺栓采用環(huán)氧樹(shù)脂澆注固定工藝；

    （4）基礎完成后，需要重新進(jìn)行電機的動(dòng)平衡試驗。

    方法2：電機基礎不動(dòng)，采用長(cháng)軸聯(lián)接

    由于（方法1）中將電機基礎前移，施工工期較長(cháng)，工程量較大，從現場(chǎng)了解到由于電機與給水泵之間增加了齒輪箱（齒輪箱寬度為1500mm左右），而現場(chǎng)液力偶合器安裝尺寸為2500mm左右，所以可以考慮在電機與齒輪箱之間增加一根長(cháng)1米左右的軟軸或剛性軸（距離很近的話(huà)，可以使用）連接，連接軸建議安裝在電機與齒輪箱之間，不要安裝在齒輪箱與給水泵之間，因為電機側轉速低，這樣軸的擾動(dòng)會(huì )小一些。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是不需要重新改變電機的安裝位置，工程量小，施工周期短。

    耒陽(yáng)電廠(chǎng)選擇保留液偶的解決方案。

    二、給水泵及電機參數介紹

    表一前置泵參數：
        
                    

                    


                       圖三：前置泵現場(chǎng)照片        

     表二給水泵參數：

                    

                    

                                 圖四: 給水泵現場(chǎng)照片

    表三電機參數

                    

                    

                                   圖五: 現場(chǎng)電機照片

    三、變頻器改造技術(shù)方案

    3.1變頻系統基本配置及接線(xiàn)方案

    電廠(chǎng)一臺機組配置兩臺全容量給水泵，一運一備，本次改造將#1機組#1給水泵增加變頻調速系統，采用一拖一帶手動(dòng)旁路方式。變頻裝置與電機的連接方式如下：


                    

                         圖六:變頻改造主回路示意圖

    3.2 電動(dòng)給水泵電機變頻改造后運行方式

    （1）保留現有DCS系統對#1電動(dòng)給水泵電機的控制邏輯及其二次線(xiàn)，并將新增變頻調速系統進(jìn)入電廠(chǎng)DCS系統中。

    （2）正常情況下，6kV電源經(jīng)斷路器QF1、隔離開(kāi)關(guān)QS1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)隔離開(kāi)關(guān)QS2送至電動(dòng)機，電動(dòng)機變頻運行。變頻器接受DCS調節器的轉速控制信號調節給水泵轉速滿(mǎn)足不同負荷下的需求。

    （3）當變頻器故障退出運行時(shí)，隔離開(kāi)關(guān)QS1、QS2斷開(kāi)，隔離開(kāi)關(guān)QS3閉合，電動(dòng)給水泵工頻運行。隔離開(kāi)關(guān)QS1、QS2的作用是：變頻器進(jìn)行維護時(shí)，有明顯的斷點(diǎn)，保障維護人員安全，非變頻器維護期，兩隔離開(kāi)關(guān)處于合閘狀態(tài)。

    （4）QS2與QS3不能同時(shí)閉合，在電氣上實(shí)現互鎖，以保證設備運行安全。

    （5）旁路柜刀閘之間使用銅排進(jìn)行電氣連接，同時(shí)也安裝了帶電顯示器。

    （6）旁路柜的二次電氣盤(pán)內有刀閘位置接點(diǎn)端子，每個(gè)刀閘至少提供4常開(kāi)4常閉輔助接點(diǎn)。

    （7）旁路柜柜體上有工頻、變頻運行位置指示燈。

    3.3保護配置

    在變頻器出口新增一組TA（變比800/5），與給水泵中性點(diǎn)TA構成變頻工況下的差動(dòng)保護，工頻運行時(shí)仍由原6kV開(kāi)關(guān)柜內TA與給水泵中性點(diǎn)TA構成工頻下的差動(dòng)保護；將給水泵6kV開(kāi)關(guān)柜內的原保護裝置更換為南瑞繼保的PCS-9627電動(dòng)機保護測控裝置（需具備變頻差動(dòng)保護功能，能實(shí)現各種工況下給水泵保護及測控要求）。裝置由輸入的工、變頻切換刀閘輔助接點(diǎn)實(shí)現工、變頻狀態(tài)判別，以便自動(dòng)投入相應的差動(dòng)保護。后備保護工、變頻工況下相同。保護配置示意圖：

    變頻器安裝地點(diǎn)：大唐耒陽(yáng)發(fā)電廠(chǎng)#1機鍋爐房零米制粉班工作間。變頻器小室需根據變頻器尺寸結構改建。

                    

                                   圖七:差動(dòng)保護配置示意圖

    四、給水泵改造技術(shù)要點(diǎn)

    4.1前置泵改造

                             前置泵方案

    現場(chǎng)設備工藝位置示意圖：前置泵-----電機---液偶----給水泵。

    氣蝕現象：泵運轉時(shí)，液體壓力沿著(zhù)泵入口到葉輪入口而下降，在葉片入口附近的K點(diǎn)上，液體壓力pK最低。此后由于葉輪對液體作功，液體壓力很快上升。當葉輪葉片入口附近的壓力pK小于液體輸送溫度下的飽和蒸汽壓力pv時(shí)，液體就汽化。同時(shí)，使溶解在液體內的氣體逸出。它們形成許多汽泡。當汽泡隨液體流到葉道內壓力較高處時(shí)，外面的液體壓力高于汽泡內的汽化壓力，則汽泡又重新凝結潰滅形成空穴，瞬間內周?chē)囊后w以極高的速度向空穴沖來(lái)，造成液體互相撞擊，使局部的壓力驟然增加(有的可達數百個(gè)大氣壓)。上述這種液體汽化、凝結、沖擊、形成高壓、高溫、高頻沖擊負荷，造成金屬材料的機械剝裂與電化學(xué)腐蝕破壞的綜合現象稱(chēng)為氣蝕

    耒陽(yáng)電廠(chǎng)現場(chǎng)前置泵改造說(shuō)明：

    經(jīng)過(guò)和現場(chǎng)工程師溝通，為了防止汽蝕，他們在給水泵運行中將最低轉速設置在3200r/min。保證前置泵5.2米的必須汽蝕余量。沒(méi)有采取將前置泵脫開(kāi)單獨加電機的方式。

    4.2液力偶合器改造：

    （1）變頻運行時(shí)，把液偶位置開(kāi)到最大，液偶相當于一個(gè)聯(lián)軸器的作用。

    （2）由于主油泵與電機同軸，采用變頻調速后，電機轉速降低后，油泵油壓、油量不足，油泵要求潤滑油壓力不低于0.24MPa，潤滑油量不低于400 L/min；工作油壓力不低于0.24MPa，所以為滿(mǎn)足油泵供油，單獨配置油站。拆除原液偶主油泵，具體內容包括油站的油管路改造，油站的基礎制作、安裝，油管路的連接液力偶合器主油泵葉輪拆除及改造。

    （3）配置油站：兩臺油泵（含驅動(dòng)電機），一用一備，運行泵故障跳閘，連鎖備用泵啟動(dòng)。流量900升/分鐘，壓力：0.40兆帕，功率：4級37千瓦，口徑：80。油站還需配置符合油泵電機容量及控制要求的電氣控制箱，需方提供電氣控制箱所需電源。油箱，油溫、油壓，油量檢測裝置及其他配套附件等，檢測信號能輸出4-20mA信號。

    （4）當變頻器故障或檢修時(shí)，通過(guò)變頻器旁路切換到工頻運行。此時(shí)還是沿用原來(lái)的運行方式，用液偶調速。

                    

                                圖八: 液力偶合器油站改造照片

    4.3大功率變頻器設計和運行要點(diǎn)

    高壓變頻器內部的主要逆變部分，采用的是德國優(yōu)質(zhì)品牌第四代IGBT芯片和PRIMEPACK封裝技術(shù)生產(chǎn)的高性能IGBT，其技術(shù)優(yōu)勢主要體現在：

    4.3.1新一代IGBT特點(diǎn)

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

    （2）第四代IGBT在不產(chǎn)生嚴重電壓尖峰毛刺的情況下可以適應更小的驅動(dòng)電阻，實(shí)現了較第三代IGBT更低的開(kāi)關(guān)損耗；

    （3）第四代IGBT增強了的芯片的溫度特性，可以運行于150℃，最高耐受溫度為175℃,而第三代IGBT只能運行于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(huán)壽命方面表現優(yōu)異，具體如下表：

           表 4


                

    （6）第四代IGBT保持了第三代IGBT的正溫度特性，易于并聯(lián)。

    4.3.2器件均流問(wèn)題

    由于單只IGBT芯片的通流能力有限，大功率產(chǎn)品通常采用IGBT并聯(lián)來(lái)提高輸出電流能力。IGBT本身具有正溫度系數，具有自均流能力，適合并聯(lián)。為了保證設備的可靠性，元器件首先在容量計算時(shí)提高設計裕量系數，近似兩倍的余量。

    采用動(dòng)態(tài)均流和靜態(tài)均流技術(shù)，降低IGBT的飽和壓降Vce(sat)、反并聯(lián)二極管的正向壓降Vf對靜態(tài)均流效果的影響；以及IGBT的跨導gfs和柵極－發(fā)射級閾值電壓Vge_th、反并聯(lián)二極管的反向恢復特性對動(dòng)態(tài)均流效果的影響。

    4.3.3 器件散熱問(wèn)題

    在超大功率變頻器中，發(fā)熱功率密度遠大于常規變頻器，采用常規的散熱結構無(wú)法滿(mǎn)足高密度散熱的需要。為此我們采用特殊的散熱結構及布局設計，提高散熱功率密度，優(yōu)化熱場(chǎng)分布，以避免IGBT結溫過(guò)高導致器件損壞。

    4.3.4 大電流電磁噪聲抑制問(wèn)題

    IGBT開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，在母排寄生電感上產(chǎn)生的尖峰電壓是造成IGBT損壞的一個(gè)主要原因。該電壓正比于工作電流、寄生電感、反比于IGBT動(dòng)作時(shí)間。由于IGBT動(dòng)作時(shí)間在不同電流下變化很小，在設備電流增大時(shí)，尖峰電壓將隨之等比例增加。IGBT并聯(lián)的主電路結構造成線(xiàn)路感抗差異，這些感抗的不同將嚴重影響IGBT的動(dòng)態(tài)工作特性，采用對稱(chēng)型主電路結構，大電流噪聲得到有效抑制。5、冷卻問(wèn)題，大功率變頻器由于變頻器發(fā)熱量占到了額定功率的3-4%，所以發(fā)熱量是必須要考慮的問(wèn)題。直接影響到設備的穩定運行。

    大唐耒陽(yáng)電廠(chǎng)5.5MW給水泵變頻器采用該項目冷卻方式采用空水冷卻裝置型號：BLH-CK-260。制冷功率達260KW，現場(chǎng)環(huán)境很干凈。


                    

                          圖九:空水冷現場(chǎng)圖片

                          1、變頻器出口風(fēng)道

                          2、變頻器室外風(fēng)道

                          3、空水冷增壓風(fēng)機

                         4、空水冷配電控制箱

                         5、空水冷室內進(jìn)風(fēng)口

    4.3.5 變頻器選用

    針對耒陽(yáng)電廠(chǎng)給水泵電機和負載特性。北京利德華福電氣技術(shù)有限公司提供型號為：HARSVERT-VA06/600，額定容量為7000KVA變頻器

    4.3.6 DCS控制改造：

    高壓變頻調速系統的控制系統安全可靠，其控制電源采用AC220V和DC220V，雙路供電，互為備用，實(shí)現無(wú)擾切換，確?？刂齐娫吹姆€定。

    變頻裝置具有與現場(chǎng)分散控制系統DCS的用戶(hù)接口，變頻裝置根據DCS控制指令，控制電動(dòng)機的啟動(dòng)、停止，控制電動(dòng)機的轉速；變頻裝置通過(guò)硬連接線(xiàn)方式向DCS反饋變頻裝置的主要狀態(tài)信號和故障報警信號。在現有DCS系統中增加給水泵變頻器的控制功能。


                   

                              圖十:DCS畫(huà)面截圖

   五、改造后項目收益總結：

    5.1項目效果總結

    （1）加裝了變頻調速系統后，電機可通過(guò)變頻器實(shí)現軟啟動(dòng)，改善了電機的啟動(dòng)性能，延長(cháng)了電機的使用壽命；同時(shí)因為電機實(shí)現軟啟動(dòng)，大大降低了電機的啟動(dòng)電流，減小了電機啟動(dòng)對廠(chǎng)用電的沖擊。

    （2）電機工頻運行時(shí)，實(shí)際運行功率因數遠低于額定值，采用高壓變頻調速系統后，電源側的功率因數可提高到0.95以上，大大的減少無(wú)功功率的吸收，進(jìn)一步節約上游設備的運行費用。

    （3）采用變頻調節后，通過(guò)調節電機轉速實(shí)現節能；轉速降低，主設備及相應輔助設備如軸承等磨損較前減輕，維護周期、設備運行壽命延長(cháng)；

    （4）采用變頻調節后，電機運行電流降低較大，節能率根據負荷變化在10%-30%之間，達到了項目預期效果。

    （5）設備運行節能效果好，變頻器小室溫度穩定在28℃左右，冷卻系統冷卻效果好。

    （6）該設備目前已運行兩年，從未出現故障，從未影響用戶(hù)生產(chǎn)。在湖南大唐華銀集團受到好評。

    大唐耒陽(yáng)電廠(chǎng)屬于調峰機組電廠(chǎng)負荷變化較大，引風(fēng)機變頻器改造項目為電廠(chǎng)建成后投入，機組年運行大約250天。

    變頻器運行數據如下：

    2013.12.1日現場(chǎng)考察時(shí)機組負荷200MW，引風(fēng)機變頻器運行頻率44.39HZ。輸入電流386.19A，輸出電流436.4A，輸入電壓6.05KV，輸出電壓5.55KV。


                    

    圖十一: 人機界面截圖(變頻器200MW負荷運行)

    5.2、節能率數據分析（數據來(lái)源，用戶(hù)關(guān)于該項目竣工報告）

    2.1 #1給水泵進(jìn)行變頻改造后節能效果明顯，在140MW負荷下能達到17.3%的節能率。


                   

    2.2 #1給水泵進(jìn)行變頻改造后節能效果明顯，在200MW負荷下能達到5.57%的節能率。


                    

    
     經(jīng)過(guò)數據加權分析計算，給水泵改造后綜合節電率在10%-15%之間，效益非常明顯。