1000MW火力發(fā)電機(jī)組凝泵變頻器運(yùn)行存在問題探討

1 概述

火電廠單元機(jī)組一般配置有兩臺(tái)凝結(jié)水泵(以下簡稱凝泵)，通常采用一主一備方式運(yùn)行。由于凝泵電機(jī)額定功率大、占廠用電負(fù)荷比重相對(duì)較高，且在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)存在一定負(fù)荷余量，因此對(duì)凝泵電動(dòng)機(jī)應(yīng)用高壓變頻節(jié)能技術(shù)是目前較為理想的一種節(jié)能減排措施，許多火電廠都對(duì)凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了高壓變頻節(jié)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(duì)應(yīng)，此時(shí)可以采用兩臺(tái)變頻泵互為備用或是僅采用一臺(tái)變頻泵作為主用泵、另一臺(tái)工頻泵處于熱備用方式;而“一拖二”方式下單元機(jī)組僅配置一臺(tái)變頻器，運(yùn)行/備用凝泵分別處于變頻 /工頻運(yùn)行方式，這樣可以定期對(duì)主/備用凝泵進(jìn)行切換操作以保持兩臺(tái)凝泵的使用壽命大致相當(dāng)。此時(shí)需要在兩組切換機(jī)構(gòu)間設(shè)置切換互鎖裝置，防止在機(jī)組運(yùn)行時(shí)進(jìn)行運(yùn)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(設(shè)計(jì)啟動(dòng)至滿載時(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(shè)備使用，因此現(xiàn)場(chǎng)采用“一拖二”運(yùn)行方式是比較合理的。

下面以一臺(tái)調(diào)試中的1000 MW機(jī)組為例，就其凝泵應(yīng)用高壓變頻節(jié)能技術(shù)的具體情況進(jìn)行介紹。其主要一次設(shè)備配置情況如圖1 所示。

1)凝泵電機(jī)采用上海電機(jī)廠生產(chǎn)的三相異步電機(jī)，型號(hào)為YBLKS 800，額定功率為2 900 kW、額定轉(zhuǎn)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(hào)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(dá)生產(chǎn)的18脈波整流移相干式變壓器，型號(hào)為ZTSFG-4000，額定容量4000 kVA，空載損耗7.2 kW，負(fù)載損耗46.5 kW。

變頻器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

整流側(cè)采用晶閘管(SCR)實(shí)現(xiàn)PWM整流，逆變側(cè)采用對(duì)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、易于控制電流、便于實(shí)現(xiàn)能量回饋和四象限運(yùn)行，缺點(diǎn)是諧波成分大，兩電平輸出的dv/dt對(duì)電機(jī)絕緣等級(jí)要求高、串聯(lián)器件存在均壓問題。

2 凝泵變頻器的運(yùn)行情況分析

2.1 凝泵變頻運(yùn)行方式不同轉(zhuǎn)速工況下節(jié)能效果分析

在凝結(jié)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(duì)兩臺(tái)凝泵進(jìn)行了試運(yùn)轉(zhuǎn)，在試驗(yàn)過程中記錄了凝泵所在6 kV段母線電壓、進(jìn)線開關(guān)電流等電氣參數(shù)，不同工況下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1 所列。

圖3 對(duì)凝泵試轉(zhuǎn)運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較(各參數(shù)為相對(duì)值，以工頻方式下數(shù)據(jù)為基準(zhǔn))。從圖中可以發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速較低的區(qū)域中凝泵采用變頻方式運(yùn)行時(shí)，其節(jié)能效果是十分明顯的。但由于大型火電機(jī)組正常運(yùn)行負(fù)荷均在40%額定負(fù)荷以上，凝泵負(fù)荷具有連續(xù)恒定的特點(diǎn)，在低轉(zhuǎn)速區(qū)域運(yùn)行時(shí)間較短，因此凝泵變頻器輸出頻率位于35 Hz~45 Hz區(qū)域內(nèi)的運(yùn)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(dá)到1.2 pu。在變頻45~50 Hz工作點(diǎn)運(yùn)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(shù)下降，因此在變頻高轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)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(yùn)行方式之間存在一個(gè)能耗平衡點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如以視在功率為標(biāo)準(zhǔn)，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(tǒng)計(jì)變頻運(yùn)行時(shí)凝泵變頻器小室空調(diào)及變頻器裝置內(nèi)部散熱裝置的能耗(該部分設(shè)備由廠用電系統(tǒng)供電)。

此外，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)有功功率耗損與理論節(jié)能率(由相似定律導(dǎo)出)相差2%~5%，這可能與變頻設(shè)備(包括整流變及變頻器)的負(fù)載損耗有一定關(guān)系。

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

2.2 凝泵變頻器負(fù)載率與機(jī)組負(fù)荷率的關(guān)系

在該機(jī)組整套啟動(dòng)過程中，記錄了凝泵變頻器輸出工況，圖4 為機(jī)組負(fù)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(xiàn)，在機(jī)組正常運(yùn)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(dòng)趨勢(shì)基本與機(jī)組出力變化情況相同，由此得出的節(jié)能率達(dá)到25%~50%(該節(jié)能率以有功功率計(jì)算，由于該頻段的無功損耗較高，如以視在功率角度計(jì)算節(jié)能率為15%~30%)，因此從節(jié)能角度來說該機(jī)組在正常工況下采用變頻運(yùn)行方式是比較合理的。

3 變頻設(shè)備運(yùn)行中存在的問題及其分析

3.1 變頻設(shè)備在高負(fù)荷下的散熱問題

變頻器內(nèi)的電力電子開關(guān)元器件對(duì)散熱的要求比較高，環(huán)境溫度過高不利于變頻設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)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(shè)備室內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)與變頻器配套的整流變有著如下一些特點(diǎn)：

1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜為了消除低次諧波，設(shè)計(jì)有三組不同移相角度的低壓繞組，故內(nèi)部工藝較為復(fù)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(jí)，而干式變壓器國標(biāo)(GB/T1094.11原2007)對(duì)于該電壓等級(jí)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(biāo)達(dá)27豫;

3)負(fù)載特殊所帶負(fù)載為電力電子設(shè)備，功率因數(shù)低、諧波含量高，并且機(jī)組運(yùn)行時(shí)變壓器的負(fù)荷率長時(shí)間處于較高工況(變壓器的最佳負(fù)荷系數(shù)一般在0.5~0.6之間，而現(xiàn)場(chǎng)凝泵電機(jī)額定功率為2 900 kW，按照功率因數(shù)0.85 計(jì)算負(fù)荷系數(shù)達(dá)到了85%。)。

基于上述原因，整流變往往成為變頻設(shè)備室內(nèi)的主要熱源，此外風(fēng)路設(shè)計(jì)不合理也不利于控制環(huán)境溫升。由于現(xiàn)場(chǎng)變頻設(shè)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(shè)備室采用密閉微正壓設(shè)計(jì)，散熱口設(shè)在室內(nèi)(熱空氣未能直接排至室外)，另外由于空調(diào)出風(fēng)口也位于頂部，冷熱風(fēng)路在變頻設(shè)備室頂部交匯，無法在整個(gè)變頻設(shè)備室內(nèi)部形成有效對(duì)流。

因此在夏季高溫時(shí)間段尤其應(yīng)注意關(guān)注變頻設(shè)備的溫升情況，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)整流變及變頻器內(nèi)部溫度的遠(yuǎn)方監(jiān)控手段，以便運(yùn)行人員掌握設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，及時(shí)根據(jù)實(shí)際情況改變運(yùn)行方式。

3.2 兩臺(tái)凝泵運(yùn)行切換方式問題

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

很明顯，運(yùn)行人員在通過閘刀連鎖操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行人工切換時(shí)的工作量較大，且在切換過程中易引發(fā)人員及設(shè)備安全事故。因此電廠方面對(duì)于凝泵的日常運(yùn)行方式采取以下策略：

1)A 泵處于變頻方式運(yùn)行，B 泵處于工頻方式備用;

2)當(dāng)A泵故障檢修或B 泵需要試轉(zhuǎn)時(shí)，直接啟B泵、停A泵，B泵不進(jìn)行工頻/變頻方式切換;

3)當(dāng)A 泵檢修或B 泵試轉(zhuǎn)結(jié)束后，立即恢復(fù)A 泵變頻運(yùn)行方式，以保證凝泵處于“變頻泵主用、工頻泵備用”的運(yùn)行工況;

4)機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)可考慮將A泵、B泵的運(yùn)行方式對(duì)調(diào)。

由于采用此種策略不需要在在機(jī)組運(yùn)行時(shí)對(duì)閘刀切換裝置進(jìn)行人工操作，因此易被運(yùn)行人員所接受。

3.3 電能質(zhì)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(shè)備內(nèi)部的整流、逆變環(huán)節(jié)及其開關(guān)器件的參數(shù)離散所引起的，對(duì)電流波形經(jīng)傅立葉級(jí)數(shù)分解可得到基波和pn+1 次特征諧波(p 為脈波數(shù)，n=1、2、3……)。

現(xiàn)場(chǎng)的變頻器采用18 脈整流，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，變頻器輸出電壓波形如圖5 所示。分析其頻譜發(fā)現(xiàn)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(cè)電壓電流波形也發(fā)生了畸變，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)整流變高壓側(cè)電壓信號(hào)以及進(jìn)線開關(guān)電流實(shí)測(cè)結(jié)果，整流變電壓和開關(guān)電流波形如圖7、圖8 所示，其頻譜分析結(jié)果如圖9、10 所示?？梢娭饕?7、19 次、35 次、37 次等特征諧波。

從測(cè)試結(jié)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(dá)到2.18%，主要為17、19、35和37 次諧波。這部分諧波分量對(duì)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(huì)引起凝泵電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)額外溫升，電動(dòng)機(jī)往往要降額使用。如果輸入電動(dòng)機(jī)的波形失真度過大，會(huì)增加其重復(fù)峰值電壓，影響電動(dòng)機(jī)的絕緣。

4 結(jié)語

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