變頻器在火力發(fā)電廠凝結(jié)水系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、變頻器在火力發(fā)電廠凝結(jié)水系統(tǒng)中的應(yīng)用趙長(zhǎng)龍 20084073316摘 要: 分析了發(fā)電廠凝結(jié)水系統(tǒng)的概況及實(shí)施變速調(diào)節(jié)的必要性 ,對(duì)水泵節(jié)能原理和異步電機(jī)各種調(diào)速方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要對(duì)比,重點(diǎn)討論了靜態(tài)電力電子裝置變壓變頻器工作原理，并對(duì)馬鞍山發(fā)電廠凝結(jié)水系統(tǒng)所采用的LB系列變頻器作了詳細(xì)介紹和應(yīng)用說明。關(guān)鍵詞: 變頻器;火電廠;凝結(jié)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(guó)發(fā)電總裝機(jī)容量已達(dá)到3. 5 ×108kW ,預(yù)計(jì) 2004 年底總裝機(jī)容量將達(dá)到4. 2 × 108kW.其中火力發(fā)電容量占整個(gè)電力系統(tǒng)總裝機(jī)容量的80 %左右.巨大的電能消耗越來越引起社會(huì)各界的重視 ,特別是在中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法實(shí)施后 ,各地對(duì)節(jié)能降耗產(chǎn)品更加關(guān)注.隨著人們生活水平的提高和對(duì)用電時(shí)段選擇自主性的加強(qiáng) ,電力系統(tǒng)峰谷差也將進(jìn)一步擴(kuò)大 ,作為電能消耗較為集中的用戶 ,發(fā)電廠有義務(wù)進(jìn)行節(jié)能降耗、提高用電效率、促進(jìn)新技術(shù)和新產(chǎn)品普及

5、的研究.凝結(jié)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(jìn)技術(shù)對(duì)凝汽器水位和凝結(jié)水母管壓力進(jìn)行控制對(duì)整個(gè)熱力循環(huán)的安全性與經(jīng)濟(jì)性均有重要意義.馬鞍山發(fā)電廠對(duì)2 × 125MW 機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)實(shí)施變頻改造獲得成功 ,從而為節(jié)能降耗和推廣新技術(shù)起到了積極的示范作用.本文就這一問題進(jìn)行分析和論述.1.離心水泵節(jié)能原理及調(diào)速現(xiàn)代火力發(fā)電廠凝結(jié)水系統(tǒng)絕大多數(shù)使用的是離心水泵 ,根據(jù)流體力學(xué)原理 ,離心水泵軸功率P與出口揚(yáng)程 H,流量 Q ,機(jī)械效率的關(guān)系為出口壓力與流量的關(guān)系見圖1.圖1 出口壓力 H與流量Q 的關(guān)系由圖1可知,當(dāng)前工作點(diǎn)在“1”處,欲將流量Q1 降至 Q2 ,有兩條途徑:(1

6、)轉(zhuǎn)速不變,保持 n = n1 ,增加阻力,關(guān)小閥門,工作點(diǎn)將沿 N1 線移至“2”處,此時(shí)消耗軸功率(2)阻力不變,保持 R = R1 ,降低轉(zhuǎn)速,使 n =n2 ,工作點(diǎn)將沿 R1 線移至“3”處,消耗軸功率由于機(jī)械效率幾乎不變,可以認(rèn)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(diào)速方法比改變阻力方法節(jié)能更顯著.2.電機(jī)調(diào)速技術(shù)的歷史與現(xiàn)狀分析 20世紀(jì)的大多數(shù)時(shí)期為直流傳動(dòng)調(diào)速和交流傳動(dòng)恒速階段,直至 20 世紀(jì)末,交直流傳動(dòng)按調(diào)速分工的格局才被打破,主要原因是直流電機(jī)換向器受容量限制(極限容量與轉(zhuǎn)速乘積應(yīng)小于106kW/

7、r· min - 1) ,為此 ,世界先進(jìn)國(guó)家投入了大量的人力和財(cái)力去研究高效節(jié)能的交流調(diào)速系統(tǒng) ,并取得了極大成功.由交流異步電動(dòng)機(jī)原理可知:從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率 ,即為機(jī)械功率和轉(zhuǎn)差功率.根據(jù)轉(zhuǎn)差功率消耗情況,目前異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本類型可分為3類.2.1轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 該調(diào)速系統(tǒng)主要通過降低電壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速和轉(zhuǎn)子繞阻串電阻調(diào)速. 主要通過增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低,因而效率較低.2.2轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng) 該調(diào)速方法使轉(zhuǎn)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(wǎng)或轉(zhuǎn)為機(jī)械能.主要采用轉(zhuǎn)子繞阻串級(jí)調(diào)速,但新增變流裝置后會(huì)消耗一定的

8、功率.2.3轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng) 該調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)差功率消耗基本保持不變,如改變磁極對(duì)數(shù)進(jìn)行調(diào)速等. 由于轉(zhuǎn)差功率消耗基本不變,因此,效率最高.但改變磁極對(duì)數(shù)只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速,因而應(yīng)用場(chǎng)合有限.最理想的交流調(diào)速應(yīng)采用無級(jí)變頻調(diào)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(fèi),又可防止過分增大磁通使鐵心飽和、導(dǎo)致勵(lì)磁電流過大而損壞電機(jī)的現(xiàn)象,根據(jù)電機(jī)學(xué)理論要保持m 不變,且 E接近電動(dòng)機(jī)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(diào)壓、調(diào)頻兩極可控 ,造成電路復(fù)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(diào)壓、調(diào)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(dāng)前變頻裝置中較為理想的結(jié)構(gòu)形式 ,見圖2. 馬鞍山電廠變頻改造采用了這種結(jié)構(gòu)方式. SPWM是根據(jù)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(shè)正弦波電壓 ,直流矩形波電壓 .將正弦波半個(gè)波作 n 等分,則每等分為/ n ,則對(duì)應(yīng)第 i 個(gè)直流矩形波窄脈沖寬度為i ,根據(jù)面

10、積相等的等效原則 圖2 LB4245整機(jī)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(dāng) n 較大時(shí)于是可見,隨著正弦波幅值的變化,矩形波寬度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化.根據(jù)數(shù)學(xué)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(jù)上述原理,可以用計(jì)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(shí)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(chǎn)生高質(zhì)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(guān)頻率可達(dá) 20 kHz ,按基頻50Hz計(jì)算 ,每個(gè)周波可分段

11、 40 次 ,從而滿足了波形要求.3.凝結(jié)水系統(tǒng)自動(dòng)控制方案分析 凝汽器水位一般采用與除氧器水位協(xié)調(diào)控制的方法.影響凝汽器和除氧器水位的因素很多 ,如負(fù)荷變化、給水流量變化、化學(xué)補(bǔ)水閥開度等.在研究了被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性及擾動(dòng)因素后 ,我們?cè)谠O(shè)計(jì)方案時(shí)將控制系統(tǒng)分成3部分 ,即:凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制;化學(xué)補(bǔ)水閥的自動(dòng)控制;凝結(jié)水調(diào)整門的自動(dòng)控制.這樣 ,使除氧器水位 、凝汽器水位及凝結(jié)水母管壓力維持在最佳狀態(tài) ,使機(jī)組各系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行.3.1除氧器水位和凝汽器水位的自動(dòng)控制由于除氧器水位和凝汽器水位的結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同 ,因此 ,調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)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(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化、除氧器水位變化 10 %時(shí) ,可能導(dǎo)致凝汽器水位變化50 %左右 ,而化學(xué)補(bǔ)水對(duì)凝汽器水位變化的影響較為直接 ,對(duì)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(huì)相對(duì)穩(wěn)定 ,因此 ,我們重點(diǎn)是對(duì)凝汽器水位進(jìn)行及時(shí)有效的調(diào)節(jié).我們主要采取調(diào)節(jié)化學(xué)補(bǔ)水的方法來調(diào)整除氧器水位.為了能達(dá)到較好的調(diào)節(jié)效果 ,我們將凝汽器水位的控制設(shè)計(jì)為串級(jí)控制系統(tǒng) ,如圖 4a所示(圖 4 方框內(nèi)均為DCS組態(tài)) .串級(jí)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(jiǎn)圖控制器1由蒸汽流量與凝結(jié)水流量的差值形成反饋信號(hào) ,其任務(wù)是及時(shí)反映調(diào)

13、節(jié)效果和迅速消除凝結(jié)水流量的自發(fā)擾動(dòng).當(dāng)凝結(jié)水母管調(diào)整門開度發(fā)生變化時(shí) ,凝結(jié)水流量發(fā)生變化 ,控制器1快速消除擾動(dòng) ,使凝結(jié)水流量回到擾動(dòng)前的值;當(dāng)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化時(shí) ,首先在蒸汽流量上會(huì)反映出來 ,此時(shí)控制器1迅速改變凝結(jié)水流量 ,以適應(yīng)蒸汽流量的變化 ,控制凝汽器水位達(dá)到正常值.控制器2由凝汽器水位與設(shè)定水位的偏差值形成反饋信號(hào) ,其任務(wù)是維持水位恒定.當(dāng)水位偏離給定值時(shí) ,通過控制器1調(diào)節(jié)凝結(jié)水流量 ,即改變凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速 ,使水位回到設(shè)定值.3.2化補(bǔ)水閥的自動(dòng)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(dāng)除氧器水位與凝汽器水位的值小于整定值時(shí) ,控制器3會(huì)自動(dòng)打開

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

15、調(diào)節(jié) ,來完成從測(cè)量到控制的任務(wù).實(shí)施中 ,將控制邏輯與機(jī)組DCS結(jié)合在一起 ,利用DCS便可對(duì)凝結(jié)水泵變頻控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面進(jìn)行編程、組態(tài) ,實(shí)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(jìn)行.(1)系統(tǒng)主要由LB4245變頻器、電抗器、凝結(jié)水泵電機(jī)等組成 ,運(yùn)行頻率由手操器設(shè)定.(2)變頻器輸出端電抗器 DK因變頻器與電機(jī)之間的電纜超過60 m ,為抑制運(yùn)行中產(chǎn)生高次諧波過電壓、保護(hù)電機(jī)安全而加裝.(3)在乙凝結(jié)水泵安裝一臺(tái)LB4245 變頻器 ,將變頻器串接在原來輸入到電機(jī)的一次線中;將甲凝結(jié)水泵作為備用泵 ,當(dāng)變頻器發(fā)生故障或電氣回路發(fā)生故障時(shí) ,由

16、主回路中的原 DW15 開關(guān)控制其啟、停及故障開斷、復(fù)位 ,自動(dòng)連鎖啟動(dòng)甲泵工頻運(yùn)行.(4)將DCS輸出信號(hào)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(jī)轉(zhuǎn)速.(5)變頻器輸出的420 mA轉(zhuǎn)速模擬量信號(hào)212端子送入DCS系統(tǒng).(6)乙凝結(jié)水泵啟動(dòng)時(shí) ,由變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng) (啟動(dòng)頻率2 Hz) ,以降低啟動(dòng)電流.4.2軟件編制和自動(dòng)調(diào)試軟件編制和自動(dòng)調(diào)試主要按以下步驟進(jìn)行.(1)畫出凝結(jié)水系統(tǒng)自動(dòng)控制的流程圖 ,再在DCS系統(tǒng)中編制軟件 ,進(jìn)行全局點(diǎn)目錄的組態(tài)及畫面組態(tài).通過計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試得出 PID調(diào)節(jié)器的KP (穩(wěn)態(tài)位置誤差系數(shù))及 Ti(穩(wěn)態(tài)時(shí)間常數(shù))等參

17、數(shù).(2)把被控對(duì)象除氧器水位、凝汽器水位經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出的(420 mA)模擬控制信號(hào)送入變頻器 ,以控制凝結(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速.5.經(jīng)濟(jì)效益估算馬鞍山發(fā)電廠的N125 機(jī)組汽輪機(jī)為 N125 -135/ 535/ 535型 ,超高壓、中間再熱、雙缸、雙排汽、冷凝式汽輪機(jī).凝結(jié)水泵規(guī)范為:型號(hào) 12NL2160 ,流量 335 t/ h ,出口壓力 1. 55 MPa ,轉(zhuǎn)速 1 475r/ min ;配套電機(jī)功率 225 kW ,額定電壓 380 V ,額定電流400 A.凝結(jié)水母管壓力為1. 31. 4 MPa.系統(tǒng)變頻改造后 ,自動(dòng)化程度明顯提高 ,運(yùn)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(duì)比改造前改造后運(yùn)行狀況 靠運(yùn)行人員手動(dòng)調(diào)節(jié),誤差大,系統(tǒng)運(yùn)行不可靠、不穩(wěn)定,水位曲線尖峰多、振幅大實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)調(diào)節(jié),自動(dòng)投入率達(dá)98 %. 閥門所帶來的問題電機(jī)啟動(dòng)電流大(46倍的額定電流) ,對(duì)設(shè)備及電網(wǎng)沖擊大實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)調(diào)節(jié),自動(dòng)投入率達(dá)98 %. 由變頻器實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)速,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,調(diào)整靈活穩(wěn)定,運(yùn)行及維護(hù)工作量小,控制質(zhì)量大大提高通過改變變頻器的頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,大大簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)手段,變頻器既是動(dòng)力源,又是執(zhí)行機(jī)構(gòu),取代了電動(dòng)閥門,克服了電動(dòng)閥門所帶來的問題通過分析兩年來的運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn) ,在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí) ,具有非常明顯的節(jié)電效果.實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)后 , 電耗下降 1

19、1. 11 %39. 02 % ,帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益.馬鞍山發(fā)電廠11 #和12 #機(jī)的兩臺(tái)凝結(jié)水泵年運(yùn)行均為5 000 h ,僅按 80 MW 負(fù)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(wǎng)價(jià)計(jì)算 ,每年可節(jié)約電費(fèi)21萬元. 6.存在問題變頻柜放置在 400 V 開關(guān)室內(nèi) ,運(yùn)行環(huán)境良好 ,但往往由于距電機(jī)較遠(yuǎn) ,需用電纜長(zhǎng)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(dāng)傳輸距離大于 60 m時(shí) ,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(jié)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(yùn)行中產(chǎn)生的熱量 ,對(duì)電子元件的安全、穩(wěn)定性構(gòu)成威脅 ,因此 ,散熱問題須高度重視.變頻改造后 ,對(duì)設(shè)備質(zhì)量和管理工作的要求更高 ,因此 ,自動(dòng)投入率和調(diào)節(jié)品質(zhì)仍需改善.下列問題有待解決.(1)機(jī)組AGC投用后 ,若負(fù)荷變化速率大 ,自動(dòng)變頻則難以跟上負(fù)荷變化;(2) 變頻器距電機(jī)較遠(yuǎn)時(shí) , 電抗器取值0. 08 mH ,大于此值時(shí)過熱嚴(yán)重 ,通過頻譜儀分析 ,有針對(duì)性增