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高压变频器在电厂凝结水泵上的应用

2017-12-27 18:24:09

The Application of High Voltage Inverter on Condensate Pump in the Power Plant
济南市南水北调工程建设管理局  陈振军
山东邹平齐星开发区热电有限公司 王河山
山东新风光电子科技发展有限公司 徐西甲 陈宏伟
 Chen zhenjun  Wang Heshan   Xu Xijia   Chen Hongwei
  要:为了降低发电能耗,邹平齐星开发区热电有限公司采用高压变频器对凝结水泵进行了变频调速改造。设备投运后,节能效果明显,设备运行稳定。
关键词高压变频器 凝结水泵 节能改造
Abstract: In order to reduce power consumption, Zouping Qixing Zone Thermoelectric Co., Ltd. uses high-voltage inverter for variable speed condensate pump has been transformed. Equipment have been put into operation, energy saving effect is obvious, equipment operation and stability.
Key words: High voltage inverter  Condensate pump  Energy saving
1引言
齐星集团有限公司始建于1995年2月,是一家以铝产品深加工为主业,并涉及电力通讯铁塔、新材料、金融、地产等领域的大型民营企业。集团现有总资产115亿余元,职工12000余人,2012年实现销售收入154亿元。
邹平齐星开发区热电有限公司是齐星集团有限公司下属企业之一。6号机(155MW)配备2台凝结水泵,由定速电动机驱动。运行方式为一台运行,一台备用。采用凝结泵定速运行,系统存在以下问题:
  (1)阀门调整节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低。
  (2)当流量降低阀位开度减小时,调整阀前后压差增加,工作安全特性变坏,压力损失严重。
  (3)长期40%~65%低阀门开度,加速阀体自身磨损,导致阀门控制特性变差。
  (4)管网压力过高威胁系统设备密封性能,严重时导致阀门泄漏,不能关严等情况发生。
  (5)设备使用寿命短、日常维护量大,维修成本高,造成各种资源的极大浪费。
  解决上述问题的重要手段之一是采用变频调速控制技术,利用高压变频器对凝结泵电机进行变频控制,实现供除氧器水流量的变负荷调节。这样不仅解决了控制阀调节线性度差、纯滞延大等难以控制的缺点,而且提高了系统运行的可靠性,节约能源,为降低厂用电率提供了良好的途径。齐星开发区热电公司领导经过多方考察,比较性价比,决定选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37-400F高压变频器2套对凝结水泵进行改造,改造取得了成功。凝结水泵机组参数如表1所示。
表1 凝结水泵机组参数
凝结水泵 配用电机
型号 NLT250-370×7 型号 YLKK4005-4
流量 417 m3/h 功率 400kW
额定压力 2.46  MPa 电压 6000V
必须汽蚀余量 3.4m 电流 45A
转速 1480 r/min 转速 1483 r/min
2变频调速节能理论依据
当频率从50Hz降至40Hz时,可节约能耗近一半。
  更直观的水泵工作曲线图见图1:水泵的正常工作点为A,当水量需要从Q1调到Q2时,采用阀门调节,管网特性曲线由R1(阀门全开)改变为R2(阀门关小),其工作点调至B点,其功率为OQ2BH2’所围成的面积,其功率变化很小,而其效率却随之降低。当采用变频调速时,可以按需要升降电机转速,改变设备的性能曲线,图中从n1(额定转速)到n2(转速下降),其工作点调至C点,使其参数满足工艺要求,其功率为OQ2CH2所围成的面积,同时其效率曲线也随之平移,依然工作在高效区。图中阴影部分为实际节约能耗。
 
图1 水泵工作曲线图
如果在管网特性不变的系统中进行水泵调速,并且对水压没有要求,这种情况下节能效益要更明显。
3风光JD-BP37系列高压变频调速系统介绍
风光牌JD-BP37列高压变频器以高速DSP为控制核心,采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术,属高-高电压源型变频器,其谐波指标远小于IEEE519-1992的谐波标准,输入功率因数高,输出波形质量好,不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器;不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题,可以使用普通的异步电机。2007年,风光高压变频器被评为中国名牌产品。齐星开发区热电公司6号机组凝结水泵变频改造选用的新风光生产的JD-BP37-400F(400kW/6kV)高压变频器。
3.1总体结构
采用直接高压变频电路结构,功率单元多重化连接,直接输出到高压电机,提供驱动电压。从物理结构上分为控制柜,功率柜,变压器柜三大部分,根据现场工艺要求还可选配旁路柜、上位机、远控盒,产品外形如图2所示。
 
图2 高压变频器外形
3.2控制柜
变频控制柜主要有主控(CPU)、UPS、PLC、人机界面、控制电源开关、开关电源、继电器、避雷器、信号隔离器、接线端子,柜门操作按钮等部分构成,控制柜主要构成部分介绍如下。
(1)主控系统
主控系统为变频器的核心,它接收和处理来自上位控制及PLC的控制命令,产生每相各级功率单元的控制信号,同时采集和处理所有故障单元反馈回来的故障信息。新风光JD-BP37系列变频器采用高性能的主控系统,控制器采用32位DSP,运行速度可以达到150MIPS,足够完成一些较复杂的控制算法。同时其有6路独立的PWM输出、2个异步串行通讯口、16通道12位AD输入,内置了36k的RAM和256k的Flash存储器,可以存放较大规模的程序。线路板采用大规模集成电路和表面焊接技术,系统具有极高的可靠性。
(2)不间断电源UPS
UPS不间断电源,安装在控制柜的底部,属于纯在线式,当外部提供的控制电源220VAC正常时,UPS提供给控制系统稳定的220V电源,当外部电源掉电时,利用设计的电源冗余系统,相应的控制电继电器动作,转到变压器的二次绕组220V继续提供控制电源,UPS不间断工作,提供稳定的电源。只有当控制电和高压电同时掉电后,UPS利用自身的电池可继续给系统供电30 min,同时变频器给出报警信号,用户应尽快恢复控制电源。
(3)内置PLC
变频器通过内置PLC实现内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理,增强了变频器现场应用的灵活性。对开关量的数量不能满足要求时,可以用数字量扩展模块来实现。PLC作为一种技术成熟的工业控制元件,为变频器的现场应用提供灵活的接口和可靠性保证。
高压变频器的控制系统标准接口如图3所示。
 
图3 高压变频器的控制系统标准接口图
3.3 功率柜
     功率柜主要用于安装功率单元,实现单元的串联叠加三相输出。功率单元是使用功率电力电子器件进行整流、滤波、逆变的高压变频器部件,也是构成高压变频器主回路的主要部分。每个功率单元都相当于一台交-直-交电压型单相低压变频器。每个功率单元由H桥构成,输出一组SPWM波,每相5个单元,通过叠加输出一组11个电平的正弦波;同一相中的每个功率单元的采样频率一致,用同一个载波进行调制,载波相差1/N个采样周期。
当功率单元出现过流、过压故障时,变频器立即封锁该单元的输出,通过软件控制,使功率单元输出电流可以经全桥逆变电路上桥臂,或者下桥臂形成电流回路实现将该单元旁路。
功率柜顶部配置冷却风机,选择德国EBM风机,由移相变压器二次检测绕组220V供电,通过断路器由PLC控制功率柜风机的启动、停止,当变频器启动频率运行时,风机启动。
3.4 变压器柜
变压器柜主要由移相变压器、温控仪、冷却风机等部件构成。
    移相变压器的原理:将高压电源变换为副边相互绝缘的多组低压,各副边绕组在绕制时采用延边三角形的接法,相互之间有一定的相位差。移相变压器示意图如图4所示。
 
图4 移相变压器示意图
4凝结水泵高压变频改造技术要求及方案
4.1 改造控制要求
凝结水泵变频改造要在保证除氧器水位调节品质不变,并可以在水泵跳闸、低水压等特殊工况发生时保证机组正常运行前提下进行变频改造。改造利用现有的设备与系统,原来水位调节阀全开以减小节流损失,当高压变频器跳闸后,当前水泵可以工频方式立即启动,将凝结水打至出口母管,调整除氧器上水调节阀的开度在较短时间内迅速关到指定位置,最低程度减小系统扰动,维持除氧器水位在正常范围内。亦可以变频快速启动备用水泵,将凝结水打至出口母管,以保证在变频器跳闸时除氧器水位的稳定,保证机组运行。
4.2凝结泵变频控制方案
高压变频器受DCS控制时分自动、手动两种方式。手动状态时,运行人员根据除氧器水位高低通过DCS改变转速信号控制变频器转速。自动状态时,根据DCS内部设定的除氧器水位定值自动控制变频器转速。
通过目前热电公司已有的DCS系统调节凝结水泵转速来控制除氧器水位。利用DCS对变频器进行启动、停机、调速等控制,并可在DCS上显示变频器的运行数据和当前状态,实时监控变频器运行。
      为了保证机组的可靠性,变频器装置具有工频自动旁路装置,当变频器发生故障停止运行时,电机自动切换到工频下运行,这样可以保证机组正常运行,提高了整个系统的安全稳定性。
       操作方面,有远程控制和本地控制两种控制的方式,这两种控制方式可提高系统的安全性能。
变频方式下凝结水泵的控制方式具体如下:
(1)保留原来的阀门调节方式,凝结水泵在变频方式运行时,阀门基本全开,通过变频器改变电机转速以满足调节除氧器水位需求。
(2)凝结水泵在工频方式运行时,利用原有的除氧器水位调节方式。
4.3 系统主回路设计
     齐星开发区热电公司6号机(155MW)凝结水泵采用2套JD-BP37-400F高压变频调速系统进行调速控制。系统主回路如图5所示。
 
图5  6号机组凝结水泵旁路柜原理图
原来6号机组2台凝结水泵全部采用工频运行,对2台凝结水泵增设变频调速装置,采用一拖一加自动旁路的方式。当变频器故障或检修,可选择自动或手动方式切换至工频运行。也可以变频启动备用凝结水泵投入运行。
主回路如图5所示,控制具体介绍如下,旁路柜在变频器进、出线端增加了两个隔离刀闸,以便在变频器退出而电机运行于旁路时,能安全地进行变频器的故障处理或维护工作。
旁路柜主要配置:三个真空接触器(KM1、KM2、KM3)和两个刀闸隔离开关K1、K2。KM2与KM3实现电气互锁,当KM1、KM2闭合,KM3断开时,电机变频运行;当KM1、KM2断开,KM3闭合时,电机工频运行。另外,KM1闭合时,K1操作手柄被锁死,不能操作;KM2闭合时,K2操作手柄被锁死,不能操作。
电机工频运行时,若需对变频器进行故障处理或维护,切记在KM1、KM2分闸状态下,将隔离刀闸K1和K2断开。
合闸闭锁:将变频器“合闸允许”信号串联于KM1、KM2合闸回路。在变频器故障或不就绪时,真空接触器KM1、KM2合闸不允许;在KM1、KM2合闸状态下,若变频器出现故障,则“合闸允许”断开,KM1、KM2跳闸,分断变频器高压输入电源。
如变频器发生隐患,变频器发送“变频器报警”信号至DCS,此时变频器继续运行,检修人员可到本地根据变频器报警信号的信息排除隐患。
4.4凝结水泵变频改造的难点
从机组运行的安全性和系统的运行方式上考虑,凝结水泵变频运行存在以下问题需解决:
(1)凝结水泵出口压力低的联锁需要作适当变动。由于变频运行时(机组低负荷时)泵的转速较低,原凝结水泵出口压力低的联锁定值不再合适。给水泵密封水压力及各种采用凝结水作为冷却水的系统,都有压力下降的可能,既要通过变频调速保证除氧器水位,同时又要保证凝结水压力,确保这些系统可靠运行。可以通过设置变频器运行下限频率及控制除氧器上水调节阀辅助调节的方式进行控制。
(2)除氧器水位调节。凝结水泵在工频运行时通过调节除氧器上水调节阀控制除氧器水位,在变频运行时通过调节凝结水泵的转速控制除氧器水位,凝结水泵在变频运行中跳闸将切换为工频运行时,要保证两种控制方式间无扰切换,上水调节阀要以最快速度关到一定开度,要根据当时负荷和除氧器水位需要,保证除氧器不发生满水或缺水。这需要根据操作经验进行实时调节来满足机组正常运行。
5凝泵变频器改造后运行效果
5.1节能效果
2013年8月22日,凝结水泵变频器改造完成并顺利投入运行。设备自投运以来安全稳定运行,节电效果十分明显。为了对比凝结水泵变频改造前后的节能情况,对6号机组运行数据进行了统计,如表2所示。
表2 凝结水泵改造前后运行数据
负荷 负荷运行时间 改造前 改造后 节电率(%)
电流 功率 电流 功率
75 5% 41 362.2 15.2 151.2 58.3
90 10% 42 368.4 17.1 169.6 54.0
110 35% 42 368.4 20.2 201.5 45.3
130 40% 42 368.4 23.6 235.4 36.1
150 10% 42 368.4 31.3 312.3 15.2
以6号机全年运行时间7800h计算,工频年耗电量为:
W工频=362.2kW×7800h×5%+368.4 kW×7800h×95%=141258 kW•h +2729844 kW•h =2871102 kW•h
凝结水泵变频改造后,变频年耗电量计算如下:
W变频=151.2kW×7800h×5%+169.6 kW×7800h×10%+
201.5 kW×7800h×35%+235.4kW×7800h×40%+312.3 kW×7800h×10%=1719393 kW•h
W节约=W工频- W变频=2871102 kW•h-1719393 kW•h=1151709 kW•h
以该厂供电价0.5元/ kW·h 计算,凝结水泵变频改造后,年节约电费为:
1151709 kW•h×0.5元/ kW·h =575854.5元。
5.2其他效果
(1)变频调速解决了启动时大电流对电机的冲击,延长了电机的使用寿命。
(2)提高了凝结水泵的运行可靠性,延长了水泵的寿命。采用变频调速后,减小对管网和水泵的冲击,延长泵体寿命和减小管网及附件的损耗。
(3)改善了运行环境。变频调节时,由于小流量时的转速低,这就降低了泵及系统的噪声,深受现场工人的欢迎。
6结束语
通过对齐星开发区热电公司6号机组凝结水泵变频改造后运行表明,设备运行平稳,节电效果明显。在发电企业主辅机设备中,采用变频技术具有广阔的应用前景。在该热电公司随后1#~5#机组辅机变频改造中,也采用山东新风光生产的高压变频设备。
 
 
参考文献
[1]山东新风光电子使用手册[Z] 山东新风光电子科技发展有限公司
作者简介
陈振军,高级工程师,供职于济南市南水北调工程建设管理局建设管理处。
王河山,高级工程师,供职于山东邹平齐星开发区热电有限公司。
徐西甲,技术支持工程师,供职于山东新风光电子科技发展有限公司。
地址:山东省汶上经济开发区
邮编:272500
文章联系人:郭培彬
联系电话:0537-7237007/7237909
 
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