汇川技术HD9x系列高压变频器在660MW发电机组凝结水泵的应用

2015年10月27日

　　关键词：电厂、单元旁路，磁链闭环，高压变频器，凝结水泵。

　　摘要：汇川技术一台HD92高压变频器成功应用于安徽某国投电厂2#机组凝结水泵上。HD92系列高压变频器在该应用上的优异性能表现，为客户安全生产提供了保证。

　　一、背景介绍

　　目前，在我国电源结构中，火电装机容量占74%，发电量占80%;因此火电机组及其辅机设备的节能改造工作是非常重要的。火电厂中的各类辅机设备中，风机水泵类设备占了绝大部分，而在国民经济高速发展的当代，火电机组调峰力度也随之加大，这些机组的负荷变化范围很大，必须实时调节风机水泵的流量，蕴藏着巨大的节能潜力。目前调节流量的方式多为节流阀调节，他并不能大范围调节电动机的输出功率，所以浪费了大量的能源。随着世界能源危机影响范围越来越广，人们对节约能源的意识也越来越强，我国在电力行业的改革为适应新形势逐步的深化。降低发电成本提高单位能耗的发电量，已成为各火电厂努力追求的经济目标，要求也越来越迫切。而采用变速调节风机和泵类达到节能目的，已成为共识。另外，交流高压电机的直接起动会产生巨大的电流冲击和转矩冲击，在很短的起动过程中，转子笼型绕组及阻尼绕组将承受很高的热应力和机械应力，致使笼条的端环断裂。而且能造成定子绕组绝缘的机械损伤和磨损，从而导致定子绕组绝缘击穿。直接起动时的大电流还会引起铁芯振动，使铁芯松驰，引起电机发热增加。由于变频器可以做到起动转矩高且平滑无冲击，对延长电动机的使用寿命，减少对电网的冲击，保证机组正常运行是很有必要的。还有现在电厂的自动化程度不断提高，运行工艺对辅机设备的控制性能的改善也是十分迫切的，例如在燃料控制系统中，采用精确度很高的变频调速可以大幅度地改善炉内的燃烧工况，从而节煤、节水，并可节省这些物料的运输，处理能量等。有更精准的设备是必然会出现更优良的工艺，从而生产效率，这已不再简单地局限在节能的范畴。

　　二、项目概况

　　2.1工程名称：电厂二期1×660MW工程

　　工程规模：规划容量为3260MW，一期工程已建设1台600MW超临界燃煤发电机组，本期工程扩建1台660MW超超临界燃煤发电机组，并同步建设烟气脱硫、脱硝装置。远景留有再扩建2×1000MW机组的条件。机组类型及年利用小时：国产660MW超超临界燃煤发电机组，机组年利用小时数为5500小时。

　　2.2工艺介绍

　　2.2.1燃煤电厂工艺流程

图1 燃煤电厂工艺流程图

　　燃煤电厂主要包括以下四个系统：

　　2.2.2燃煤电厂汽水系统基本流程及组成

图2 燃煤电厂水汽系统基本流程及组成图

　　过热蒸汽——〉主蒸汽管道——〉汽轮机(冲动汽轮机叶片转动，带动发电机旋转产生电能，自身温度、压力下降)——〉凝汽器(被冷却水/循环水冷却)——〉凝结水汇集在凝汽器中的热水井中——〉经凝结水泵打至低压加热器中加热——〉由除氧器除氧并继续加热成为锅炉给水——〉经给水泵升压和高压加热器加热后送入锅炉汽包

　　2.2.3凝结水泵工艺介绍

图3 凝结水泵工艺流程图

　　凝汽器冷却凝结之后，集中在热水井中，这时凝结水泵的作用是把凝结水及时地送往除氧器中。维持凝结水泵连续、稳定运行是保持电厂安全、经济生产地一个重要方面。监视、调整凝汽器内的水位是凝结水泵运行中的一项主要工作。在正常运行状态下，凝汽器内的水位不能过高或过低。当机组负荷升高时，凝结水量增加，凝汽器内的水位相应上升。当机组负荷降低时，凝汽器内水位相应降低。国投宣城电厂凝结泵电机为6KV/2000KW电机，设计时有较大裕量，每台机组配备二台凝结泵，一台变频运行，一台工频运行或备用，为安全起见要求变频器一旦出现故障，即可马上停机，断开进出线真空接触器，将变频装置隔离，再闭合旁路真空接触器，在工频电源下起动电机运行。当管道压力不够时，在DCS侧联起备用凝结泵。

　　2.3 HD92系统工作原理

图4 系统拓扑图

　　主电路拓扑原理：电网电压经主变压器隔离移相后为功率单元供电，每个功率单元为一个单相交-直-交电压型逆变器，单元串联星接后形成三相变频电源给高压电动机供电。主变压器采用移相整流方式，输入功率因数高，输入电压电流谐波小。满足IEEE519-1992和GB/T 14549-93对电压和电流最严格的谐波失真要求。无需任何功因补偿和谐波抑制装置。变频器输出采用多重化PWM技术，输出为近乎完美的正弦波，无须加输出滤器。电动机谐波损耗小，转矩脉动小，无明显电动机噪声。电动机不需降额使用。输出dV/dt和共模电压小，对电动机无附加电应力损害。

　　2.4应用现场电机参数及变频器选型

　　2.4.1电机参数

　　2.4.2高压变频器选型

　　汇川介绍结合该现场自身电机参数以及汇川HD92系列高压变频器的产品优势，具体选型如下：HD92-F060/2500-DB.。

　　两台变频器均增加了非对称机械旁路技术。

　　DCS与变频器之间采用硬线连接方式，通过4~20mA模拟量信号调速，驱动电机在0~50Hz范围内运行。具体接口信息如下图所示：

图5 端口通信图

　　变频器采用三线式控制模式，通过DI9、DI10两个端口分别控制变频器启动、停止，频率给定采用4~20mA模拟量信号，对应变频器输出频率0~50Hz;

　　与高压开关柜联锁信号：

　　1)合闸允许：常开接点，闭合有效，此信号串联在供电高压开关柜的合闸回路中，当变频器自检完成或系统处于工频状态时，信号闭合，允许用户合高压电;

　　2)高压跳闸：常闭接点，断开有效，此信号并联在供电高压开关柜的分闸回路上，当变频器发生重故障或急停信号有效时，分断用户高压电;

　　变频器DO信号：

　　以上输出信号全部为独立无源干接点，默认为常开接点，闭合有效，容量大小为220V AC 5A。

　　变频器DI信号：

　　以上输入信号仅需客户提供独立无源干接点，脉冲信号，除急停外，其它信号均默认为常开接点，闭合有效;

　　变频器AI信号：

　　变频器AO信号：

　　2.5一次系统方案

图6：一次系统方案图

　　变频装置可以变频/工频启动电动机，正常启动按变频方式、事故启动按工频方式启动电动机。变频调速采用一拖一方式配置。6kV电源经变频装置高压隔离刀闸QS1、接触器KM1到高压变频装置，变频装置输出经输出经接触器KM2、隔离刀闸QS2至电动机;6kV电源还可经旁路接触器KM3直接起动电动机。一旦工作的变频器出现故障，即可以自动切除故障变频器，同时在DCS系统中自动启动备用电动机(工频运行)。隔离刀闸与接触器、接触器与接触器之间具有电气闭锁，防止发生误操作。两台凝结水泵均为变频/工频启动。两台凝结水泵互为备用。

　　三、汇川高压变频方案优势

　　1、先进的异步电机磁链闭环矢量控制算法

　　HD92系列高压变频器具备独有的磁链闭环矢量控制技术，基于电机d-q轴数学方程式解析，通过对电机的磁链、电流进行解藕，完成对磁链、电流闭环控制。从矢量控制最基层的角度全面掌握电机运行曲线，实现了对电机的磁链闭环矢量控制。控制算法框图如下：

图7：矢量控制算法框图

　　这种矢量控制算法在保持较高动态性能的基础上，克服了转子电阻、电感参数对调速系统性能的影响。对电机转速控制精度高，加速时电流环响应快，低频运行时转矩响应可达750rad/s，并且能够实现更高的节电效率。磁链闭环矢量控制算法解决了挤出机启动转矩大，加速大电流，稳速精度高等高要求，保证了产线可靠运行。

　　2、可靠的非对称机械旁路技术

　　汇川HD92高压变频器功率单元采用两电平拓扑结构，输出采用机械旁路设计，整个功率单元由全桥整流、直流滤波、逆变三大部分组成，功率单元拓扑结构如下：

　　全桥整流直流滤波逆变输出(具备机械旁路功能)

　　图8：功率单元拓扑图

　　功率单元整体拓扑结构为交一直一交三相整流/单相逆变输出结构.整流侧为二极管三相全桥整流，将输入的三相交流整成直流，并通过电容器滤波。逆变侧为IGBT模块H桥单相逆变，通过对逆变桥进行SPWM控制，得到正弦的单相交流输出。其中每个单元均配备了机械旁路功能，同时采用非对称旁路技术，可靠性与稳定性大大提升。

图9：非对称旁路技术示意图

　　如上图所示，HD92系列高压变频器采用单元级联方式，当其中某个单元出现故障后，通过非对称旁路技术可以使系统不停机运行。HD92的非对称技术可以实现比传统旁路方案更高的电压输出幅值，电压输出能力相比传统方式最高能提高20%，这使得整个系统的可靠性大大提高。

　　3、柔和快速的飞车启动功能

　　HD92系列高压变频器具备飞车启动功能，能够在未知电机旋转速度的状况下启动变频器，变频器自动进行频率搜索，直至搜索到与电机实时旋转频率相符的频率，此时变频器输出相应频率，并控制电机旋转至指定频率，此技术能有效减少瞬间停电对挤出机生产的影响以及对电网的冲击，避免了胶料因意外停机凝固在螺杆中的情况。现场调测时的波形图如下。