1000MW火力發(fā)電機組凝泵變頻器運行存在問題探討

1 概述

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

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/備用凝泵進行切換操作以保持兩臺凝泵的使用壽命大致相當。此時需要在兩組切換機構間設置切換互鎖裝置，防止在機組運行時進行運行方式人工切換時引發(fā)的誤操作。由于凝泵在變頻方式下啟動時間較長(設計啟動至滿載時間至少需要25 s)，凝泵處于變頻方式工況時一般不宜作為備用設備使用，因此現場采用“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(jié)能技術的具體情況進行介紹。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生產的三相異步電機，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)實現PWM整流，逆變側采用對稱門極換流晶閘管(SGCT)串聯(lián)的二電平逆變方案。

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

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(jié)能效果分析

在凝結水回路帶臨時管路的工況下，首先在變頻及工頻方式下對兩臺凝泵進行了試運轉，在試驗過程中記錄了凝泵所在6 kV段母線電壓、進線開關電流等電氣參數，不同工況下的穩(wěn)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(qū)域中凝泵采用變頻方式運行時，其節(jié)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(xù)恒定的特點，在低轉速區(qū)域運行時間較短，因此凝泵變頻器輸出頻率位于35 Hz~45 Hz區(qū)域內的運行情況較為重要：在該區(qū)域廠用電系統(tǒng)輸出的有功功率在0.4 pu~0.8 pu 之間，無功功率始終處于1.1 pu 以上，并在40 Hz左右達到1.2 pu。在變頻45~50 Hz工作點運行時，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(qū)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能耗平衡點，根據現場實測數據，如以視在功率為標準，平衡點大致在48.5 Hz 附近。

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

此外，現場實測有功功率耗損與理論節(jié)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系。

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

2.2 凝泵變頻器負載率與機組負荷率的關系

在該機組整套啟動過程中，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關系，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(wěn)定38~45 Hz之間，且波動趨勢基本與機組出力變化情況相同，由此得出的節(jié)能率達到25%~50%(該節(jié)能率以有功功率計算，由于該頻段的無功損耗較高，如以視在功率角度計算節(jié)能率為15%~30%)，因此從節(jié)能角度來說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題及其分析

3.1 變頻設備在高負荷下的散熱問題

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

一般凝泵變頻器及與之配套的整流變均會安置在同一設備室內，現場試驗時與變頻器配套的整流變有著如下一些特點：

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用電母線采用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，并且機組運行時變壓器的負荷率長時間處于較高工況(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，此外風路設計不合理也不利于控制環(huán)境溫升。由于現場變頻設備的冷卻方式均采用風冷方式，而為了防止外部灰塵進入，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)，另外由于空調出風口也位于頂部，冷熱風路在變頻設備室頂部交匯，無法在整個變頻設備室內部形成有效對流。

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

3.2 兩臺凝泵運行切換方式問題

機組運行時凝泵切換均按照“先開后停”的原則進行，在“一拖二”配置方式下如需實現A泵與B泵間變頻運行方式的切換，需要經過“三啟、三停、兩切換”的復雜過程，具體操作步驟如表2所列。

很明顯，運行人員在通過閘刀連鎖操作機構進行人工切換時的工作量較大，且在切換過程中易引發(fā)人員及設備安全事故。因此電廠方面對于凝泵的日常運行方式采取以下策略：

1)A 泵處于變頻方式運行，B 泵處于工頻方式備用;

2)當A泵故障檢修或B 泵需要試轉時，直接啟B泵、停A泵，B泵不進行工頻/變頻方式切換;

3)當A 泵檢修或B 泵試轉結束后，立即恢復A 泵變頻運行方式，以保證凝泵處于“變頻泵主用、工頻泵備用”的運行工況;

4)機組停機檢修時可考慮將A泵、B泵的運行方式對調。

由于采用此種策略不需要在在機組運行時對閘刀切換裝置進行人工操作，因此易被運行人員所接受。

3.3 電能質量問題

目前，變頻器大部分采用三相橋式整流電路，變頻器輸入電壓主波形為正弦波，但電流波形為非正弦波，這主要是由于變頻設備內部的整流、逆變環(huán)節(jié)及其開關器件的參數離散所引起的，對電流波形經傅立葉級數分解可得到基波和pn+1 次特征諧波(p 為脈波數，n=1、2、3……)。

現場的變頻器采用18 脈整流，根據現場實測數據，變頻器輸出電壓波形如圖5 所示。分析其頻譜發(fā)現5 次、7 次、11 次、13 次、17 次、19 次等諧波含量較高，具體如圖6 所示。

變頻器輸入側電壓電流波形也發(fā)生了畸變，根據現場整流變高壓側電壓信號以及進線開關電流實測結果，整流變電壓和開關電流波形如圖7、圖8 所示，其頻譜分析結果如圖9、10 所示。可見主要是17、19 次、35 次、37 次等特征諧波。

從測試結果可見，由于高壓變頻器的接入引起廠用母線電壓畸變率達到2.18%，主要為17、19、35和37 次諧波。這部分諧波分量對電力電纜的危害較大，易引發(fā)諧波放大和電纜燒損等惡性事故。

此外，變頻器輸出電流諧波會引起凝泵電動機附加發(fā)熱，導致電動機額外溫升，電動機往往要降額使用。如果輸入電動機的波形失真度過大，會增加其重復峰值電壓，影響電動機的絕緣。

4 結語

由于我國火力發(fā)電機組所占比重較高，因此如何在機組運行及控制方式方面合理運用變頻技術是大型火力發(fā)電機組節(jié)能減排工作的重點。本文提到的在凝泵變頻器應用中存在的散熱問題、運行切換方式問題及電能質量問題在一定程度上影響了變頻器的安全、經濟運行，需引起各有關方面的重視。