變頻器在火力發(fā)電廠凝結水系統(tǒng)中的應用

1、變頻器在火力發(fā)電廠凝結水系統(tǒng)中的應用趙長龍 20084073316摘 要: 分析了發(fā)電廠凝結水系統(tǒng)的概況及實施變速調節(jié)的必要性 ,對水泵節(jié)能原理和異步電機各種調速方法進行了簡要對比,重點討論了靜態(tài)電力電子裝置變壓變頻器工作原理，并對馬鞍山發(fā)電廠凝結水系統(tǒng)所采用的LB系列變頻器作了詳細介紹和應用說明。關鍵詞: 變頻器;火電廠;凝結水系統(tǒng)The Application of Frequency Converter in CondensationWater System of Power PlantsZhao Chang-Long 20084073316Abstract : On the basis

2、 of analyzing the general condition of the condensation systemof the power plant and the necessity of the application of its velocity modulation as well as the principle of energy2saving pump , this paper makes a concise comparision between various mathods of velocity modulation , for asynchronous m

3、otors and mainly discusses the principle of a static electrical2electronic variable voltage variable freauency device. It also presents a detailed introduction into and explanation of the application of LB2 Serial Frequency Converter in the condensation system of Maanshan Power Plant .Key words : fr

4、equency converter ;power plant ;condensation system截止2003年底 ,我國發(fā)電總裝機容量已達到3. 5 ×108kW ,預計 2004 年底總裝機容量將達到4. 2 × 108kW.其中火力發(fā)電容量占整個電力系統(tǒng)總裝機容量的80 %左右.巨大的電能消耗越來越引起社會各界的重視 ,特別是在中華人民共和國節(jié)約能源法實施后 ,各地對節(jié)能降耗產品更加關注.隨著人們生活水平的提高和對用電時段選擇自主性的加強 ,電力系統(tǒng)峰谷差也將進一步擴大 ,作為電能消耗較為集中的用戶 ,發(fā)電廠有義務進行節(jié)能降耗、提高用電效率、促進新技術和新產品普及

5、的研究.凝結水系統(tǒng)是火電廠熱力循環(huán)中的重要環(huán)節(jié) ,采用先進技術對凝汽器水位和凝結水母管壓力進行控制對整個熱力循環(huán)的安全性與經濟性均有重要意義.馬鞍山發(fā)電廠對2 × 125MW 機組凝結水系統(tǒng)實施變頻改造獲得成功 ,從而為節(jié)能降耗和推廣新技術起到了積極的示范作用.本文就這一問題進行分析和論述.1.離心水泵節(jié)能原理及調速現(xiàn)代火力發(fā)電廠凝結水系統(tǒng)絕大多數(shù)使用的是離心水泵 ,根據流體力學原理 ,離心水泵軸功率P與出口揚程 H,流量 Q ,機械效率的關系為出口壓力與流量的關系見圖1.圖1 出口壓力 H與流量Q 的關系由圖1可知,當前工作點在“1”處,欲將流量Q1 降至 Q2 ,有兩條途徑:(1

6、)轉速不變,保持 n = n1 ,增加阻力,關小閥門,工作點將沿 N1 線移至“2”處,此時消耗軸功率(2)阻力不變,保持 R = R1 ,降低轉速,使 n =n2 ,工作點將沿 R1 線移至“3”處,消耗軸功率由于機械效率幾乎不變,可以認為是常數(shù),因此,兩軸功率差為P = P2 - P3 . 通常P約占 P2 的30 %50 %.由此可見,采用調速方法比改變阻力方法節(jié)能更顯著.2.電機調速技術的歷史與現(xiàn)狀分析 20世紀的大多數(shù)時期為直流傳動調速和交流傳動恒速階段,直至 20 世紀末,交直流傳動按調速分工的格局才被打破,主要原因是直流電機換向器受容量限制(極限容量與轉速乘積應小于106kW/

7、r· min - 1) ,為此 ,世界先進國家投入了大量的人力和財力去研究高效節(jié)能的交流調速系統(tǒng) ,并取得了極大成功.由交流異步電動機原理可知:從定子傳入轉子的電磁功率 ,即為機械功率和轉差功率.根據轉差功率消耗情況,目前異步電動機調速系統(tǒng)的基本類型可分為3類.2.1轉差功率消耗型調速系統(tǒng) 該調速系統(tǒng)主要通過降低電壓調速、電磁轉差離合器調速和轉子繞阻串電阻調速. 主要通過增加轉差功率的消耗來換取轉速的降低,因而效率較低.2.2轉差功率回饋型調速系統(tǒng) 該調速方法使轉差功率的一部分消耗掉,而大部分則通過變流裝置回饋給電網或轉為機械能.主要采用轉子繞阻串級調速,但新增變流裝置后會消耗一定的

8、功率.2.3轉差功率不變型調速系統(tǒng) 該調速系統(tǒng)的轉差功率消耗基本保持不變,如改變磁極對數(shù)進行調速等. 由于轉差功率消耗基本不變,因此,效率最高.但改變磁極對數(shù)只能進行有級調速,因而應用場合有限.最理想的交流調速應采用無級變頻調速. 保持每極磁通量為額定值,既可防止磁通太弱,沒有充分利用鐵心造成的浪費,又可防止過分增大磁通使鐵心飽和、導致勵磁電流過大而損壞電機的現(xiàn)象,根據電機學理論要保持m 不變,且 E接近電動機電源電壓,可近似要求 V/ f =常數(shù),這就能滿足m 不變.我們將此稱為恒壓頻比控制,也稱變壓變頻控制,即VVVF型(Variable Voltage Variable Frequenc

9、y) .由于傳統(tǒng)的逆變環(huán)節(jié)采用相控方式 ,調壓、調頻兩極可控 ,造成電路復雜、成本高、功率因數(shù)低、輸出諧波分量大;采用 SPWM后 ,用不控整流 ,輸入端功率因數(shù)不變 ,調壓、調頻在同一環(huán)節(jié)完成 ,可以較好地抑制和減少輸出諧波 ,使輸出波形接近正弦波 ,這是當前變頻裝置中較為理想的結構形式 ,見圖2. 馬鞍山電廠變頻改造采用了這種結構方式. SPWM是根據能量等效原理 在慣性環(huán)節(jié)中不同形狀的窄脈沖能量作用近似相同 ,將正弦波用若干等幅不等寬的窄方波等效 ,見圖3.設正弦波電壓 ,直流矩形波電壓 .將正弦波半個波作 n 等分,則每等分為/ n ,則對應第 i 個直流矩形波窄脈沖寬度為i ,根據面

10、積相等的等效原則 圖2 LB4245整機電原理框圖圖3 與正弦波等效的等幅不等寬矩形波序列當 n 較大時于是可見,隨著正弦波幅值的變化,矩形波寬度也會發(fā)生相應變化.根據數(shù)學分析可知,期望的正弦波分段越多,脈沖寬度越窄,等效性越好.依據上述原理,可以用計算方法求得 SPWM脈沖波形的寬度 ,而且采用數(shù)字控制是很容易實現(xiàn)的.馬鞍山電廠使用的LB 系列變壓變頻器 ,控制元件采用的就 是 Intel公司的16位微處理器芯N87C196mc ,在軟件控制下可直接產生高質量的SPWM脈沖序列.功放元件采用的是絕緣柵雙極晶體管 IGBT ,其開關頻率可達 20 kHz ,按基頻50Hz計算 ,每個周波可分段

11、 40 次 ,從而滿足了波形要求.3.凝結水系統(tǒng)自動控制方案分析 凝汽器水位一般采用與除氧器水位協(xié)調控制的方法.影響凝汽器和除氧器水位的因素很多 ,如負荷變化、給水流量變化、化學補水閥開度等.在研究了被控對象的動態(tài)特性及擾動因素后 ,我們在設計方案時將控制系統(tǒng)分成3部分 ,即:凝結水泵轉速的自動控制;化學補水閥的自動控制;凝結水調整門的自動控制.這樣 ,使除氧器水位 、凝汽器水位及凝結水母管壓力維持在最佳狀態(tài) ,使機組各系統(tǒng)穩(wěn)定運行.3.1除氧器水位和凝汽器水位的自動控制由于除氧器水位和凝汽器水位的結構性質不同 ,因此 ,調節(jié)對象的動態(tài)特性差別較大.這主要反映在容量系數(shù)、阻力和傳遞距離上 ,特

12、別是反映在容量系數(shù)上的差異較大.當機組負荷變化、除氧器水位變化 10 %時 ,可能導致凝汽器水位變化50 %左右 ,而化學補水對凝汽器水位變化的影響較為直接 ,對除氧器水位變化的影響要滯后得多.凝汽器水位穩(wěn)定 ,除氧器水位才會相對穩(wěn)定 ,因此 ,我們重點是對凝汽器水位進行及時有效的調節(jié).我們主要采取調節(jié)化學補水的方法來調整除氧器水位.為了能達到較好的調節(jié)效果 ,我們將凝汽器水位的控制設計為串級控制系統(tǒng) ,如圖 4a所示(圖 4 方框內均為DCS組態(tài)) .串級控制系統(tǒng)由控制器1和控制器2組成.圖4 凝汽器水位的程序流程組態(tài)簡圖控制器1由蒸汽流量與凝結水流量的差值形成反饋信號 ,其任務是及時反映調

13、節(jié)效果和迅速消除凝結水流量的自發(fā)擾動.當凝結水母管調整門開度發(fā)生變化時 ,凝結水流量發(fā)生變化 ,控制器1快速消除擾動 ,使凝結水流量回到擾動前的值;當機組負荷發(fā)生變化時 ,首先在蒸汽流量上會反映出來 ,此時控制器1迅速改變凝結水流量 ,以適應蒸汽流量的變化 ,控制凝汽器水位達到正常值.控制器2由凝汽器水位與設定水位的偏差值形成反饋信號 ,其任務是維持水位恒定.當水位偏離給定值時 ,通過控制器1調節(jié)凝結水流量 ,即改變凝結水泵的轉速 ,使水位回到設定值.3.2化補水閥的自動控制 由除氧器水位、凝汽器水位的值作為除氧器水位的控制信息 ,當除氧器水位與凝汽器水位的值小于整定值時 ,控制器3會自動打開

14、補水閥 ,如圖4b所示.3.3凝結水調整門的自動控制 由于凝結水系統(tǒng)工況要求母管壓力必須保證在1. 31. 4 MPa 下運行(最低不小于 1. 1 MPa) ,故用母管壓力作為主調信號 ,變頻器輸出頻率作為前饋信號 ,控制母管調整門的開度;取額定負荷的60 %(75 MW)及以下負荷段 ,作為凝結水調整門自動控制的調節(jié)范圍. 當負荷高于 75 MW ,或母管壓力大于 1. 1 MPa 時 ,閥門全開 ,無需調節(jié).見圖4c.4.LB4245 變頻器與凝結水變頻改造方案的實施馬鞍山發(fā)電廠凝結水系統(tǒng)變頻改造的實施分為兩個步驟:一是通過硬件改造 ,實現(xiàn)變頻器控制凝結水泵;二是通過軟件改造 ,實現(xiàn)自動

15、調節(jié) ,來完成從測量到控制的任務.實施中 ,將控制邏輯與機組DCS結合在一起 ,利用DCS便可對凝結水泵變頻控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面進行編程、組態(tài) ,實現(xiàn)閉環(huán)控制 ,從而使改造工作量和投資大為降低.4.1硬件改造硬件改造主要按以下步驟進行.(1)系統(tǒng)主要由LB4245變頻器、電抗器、凝結水泵電機等組成 ,運行頻率由手操器設定.(2)變頻器輸出端電抗器 DK因變頻器與電機之間的電纜超過60 m ,為抑制運行中產生高次諧波過電壓、保護電機安全而加裝.(3)在乙凝結水泵安裝一臺LB4245 變頻器 ,將變頻器串接在原來輸入到電機的一次線中;將甲凝結水泵作為備用泵 ,當變頻器發(fā)生故障或電氣回路發(fā)生故障時 ,由

16、主回路中的原 DW15 開關控制其啟、停及故障開斷、復位 ,自動連鎖啟動甲泵工頻運行.(4)將DCS輸出信號420 mA輸入到變頻器1216 端子上 ,控制變頻器輸出頻率 ,以改變電機轉速.(5)變頻器輸出的420 mA轉速模擬量信號212端子送入DCS系統(tǒng).(6)乙凝結水泵啟動時 ,由變頻器實現(xiàn)軟啟動 (啟動頻率2 Hz) ,以降低啟動電流.4.2軟件編制和自動調試軟件編制和自動調試主要按以下步驟進行.(1)畫出凝結水系統(tǒng)自動控制的流程圖 ,再在DCS系統(tǒng)中編制軟件 ,進行全局點目錄的組態(tài)及畫面組態(tài).通過計算、現(xiàn)場調試得出 PID調節(jié)器的KP (穩(wěn)態(tài)位置誤差系數(shù))及 Ti(穩(wěn)態(tài)時間常數(shù))等參

17、數(shù).(2)把被控對象除氧器水位、凝汽器水位經調節(jié)器輸出的(420 mA)模擬控制信號送入變頻器 ,以控制凝結水泵電機的轉速.5.經濟效益估算馬鞍山發(fā)電廠的N125 機組汽輪機為 N125 -135/ 535/ 535型 ,超高壓、中間再熱、雙缸、雙排汽、冷凝式汽輪機.凝結水泵規(guī)范為:型號 12NL2160 ,流量 335 t/ h ,出口壓力 1. 55 MPa ,轉速 1 475r/ min ;配套電機功率 225 kW ,額定電壓 380 V ,額定電流400 A.凝結水母管壓力為1. 31. 4 MPa.系統(tǒng)變頻改造后 ,自動化程度明顯提高 ,運行可靠性加大.其效果見表1.表1 系統(tǒng)變頻

18、改造前后的狀況對比改造前改造后運行狀況 靠運行人員手動調節(jié),誤差大,系統(tǒng)運行不可靠、不穩(wěn)定,水位曲線尖峰多、振幅大實現(xiàn)水位的自動調節(jié),自動投入率達98 %. 閥門所帶來的問題電機啟動電流大(46倍的額定電流) ,對設備及電網沖擊大實現(xiàn)水位的自動調節(jié),自動投入率達98 %. 由變頻器實現(xiàn)無級平滑調速,動態(tài)響應快,調整靈活穩(wěn)定,運行及維護工作量小,控制質量大大提高通過改變變頻器的頻率來調節(jié)電機轉速,大大簡化調節(jié)手段,變頻器既是動力源,又是執(zhí)行機構,取代了電動閥門,克服了電動閥門所帶來的問題通過分析兩年來的運行數(shù)據發(fā)現(xiàn) ,在機組低負荷運行時 ,具有非常明顯的節(jié)電效果.實現(xiàn)變頻調節(jié)后 , 電耗下降 1

19、1. 11 %39. 02 % ,帶來了巨大的經濟效益.馬鞍山發(fā)電廠11 #和12 #機的兩臺凝結水泵年運行均為5 000 h ,僅按 80 MW 負荷考慮 ,每年至少節(jié)約電能W = 2 ( P1 - P2) × 5 000 = 56萬 kW· h如按0. 37元/ kW· h上網價計算 ,每年可節(jié)約電費21萬元. 6.存在問題變頻柜放置在 400 V 開關室內 ,運行環(huán)境良好 ,但往往由于距電機較遠 ,需用電纜長距離傳輸非50 Hz交流電能 ,因此 ,高次諧波及過電壓的威脅必須考慮.當傳輸距離大于 60 m時 ,必須安裝電抗器.這就增加了額外損耗.此外 ,變頻柜安裝在凝結水泵附近 ,雖然消除了高次諧波及過電壓的威脅 ,但夏季的環(huán)境溫度及變頻器運行中產生的熱量 ,對電子元件的安全、穩(wěn)定性構成威脅 ,因此 ,散熱問題須高度重視.變頻改造后 ,對設備質量和管理工作的要求更高 ,因此 ,自動投入率和調節(jié)品質仍需改善.下列問題有待解決.(1)機組AGC投用后 ,若負荷變化速率大 ,自動變頻則難以跟上負荷變化;(2) 變頻器距電機較遠時 , 電抗器取值0. 08 mH ,大于此值時過熱嚴重 ,通過頻譜儀分析 ,有針對性增