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)荷比重相對較高，且在機(jī)組正常運(yùn)行時存在一定負(fù)荷余量，因此對凝泵電動機(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，許多火電廠都對凝結(jié)水泵電動機(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應(yīng)，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(jī)組僅配置一臺變頻器，運(yùn)行/備用凝泵分別處于變頻 /工頻運(yùn)行方式，這樣可以定期對主/備用凝泵進(jìn)行切換操作以保持兩臺凝泵的使用壽命大致相當(dāng)。此時需要在兩組切換機(jī)構(gòu)間設(shè)置切換互鎖裝置，防止在機(jī)組運(yùn)行時進(jìn)行運(yùn)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(shè)計(jì)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(shè)備使用，因此現(xiàn)場采用“一拖二”運(yùn)行方式是比較合理的。

下面以一臺調(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對電機(jī)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(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)水回路帶臨時管路的工況下，首先在變頻及工頻方式下對兩臺凝泵進(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，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，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能耗平衡點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(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)場實(shí)測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，且波動趨勢基本與機(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安置在同一設(shè)備室內(nèi)，現(xiàn)場試驗(yàn)時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，而干式變壓器國標(biāo)(GB/T1094.11原2007)對于該電壓等級的最大推薦容量為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)行時變壓器的負(fù)荷率長時間處于較高工況(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，無法在整個變頻設(shè)備室內(nèi)部形成有效對流。

因此在夏季高溫時間段尤其應(yīng)注意關(guān)注變頻設(shè)備的溫升情況，同時應(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，及時根據(jù)實(shí)際情況改變運(yùn)行方式。

3.2 兩臺凝泵運(yùn)行切換方式問題

機(jī)組運(yùn)行時凝泵切換均按照“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，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)檢修時可考慮將A泵、B泵的運(yùn)行方式對調(diào)。

由于采用此種策略不需要在在機(jī)組運(yùn)行時對閘刀切換裝置進(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，對電流波形經(jīng)傅立葉級數(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)場的變頻器采用18 脈整流，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(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)場整流變高壓側(cè)電壓信號以及進(jìn)線開關(guān)電流實(shí)測結(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(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動機(jī)額外溫升，電動機(jī)往往要降額使用。如果輸入電動機(jī)的波形失真度過大，會增加其重復(fù)峰值電壓，影響電動機(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。