变频器在火力发电厂凝结水系统中的应用

变频器在火力发电厂凝结水系统中的应用

赵长龙20084073316

摘要:分析了发电厂凝结水系统的概况及实施变速调节的必要性,对水泵节能原理和异步电机各种调速方法进行了简要对比,重点讨论了静态电力电子装置变压变频器工作原理，并对马鞍山发电厂凝结水系统所采用的LB系列变频器作了详细介绍和应用说明。

关键词: 变频器;火电厂;凝结水系统

The Application of Frequency Converter in Condensation

Water System of Power Plants

Zhao Chang-Long 20084073316

Abstract : On the basis 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 motors 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 : frequency converter ;power plant ;condensation system

截止2003年底,我国发电总装机容量已达到3. 5 ×108kW ,预计2004 年底总装机容量将达到4. 2 ×108kW.其中火力发电容量占整个电力系统总装机容量的80 %左右.

巨大的电能消耗越来越引起社会各界的重视,特别是在《中华人民共和国节约能源法》实施后,各地对节能降耗产品更加关注.

随着人们生活水平的提高和对用电时段选择自主性的加强,电力系统峰谷差也将进一步扩大,作为电能消耗较为集中的用户,发电厂有义务进行节能降耗、提高用电效率、促进新技术和新产品普及的研究.

凝结水系统是火电厂热力循环中的重要环节,采用先进技术对凝汽器水位和凝结水母管压力进行控制对整个热力循环的安全性与经济性均有重要意义.

马鞍山发电厂对2 × 125MW 机组凝结水系统实施变频改造获得成功,从而为节能降耗和推广新技术起到了积极的示范作用.本文就这一问题进行分析和论述. 1.离心水泵节能原理及调速

现代火力发电厂凝结水系统绝大多数使用的是离心水泵,根据流体力学原理,离心水泵轴功率P与出口扬程H,流量Q ,机械效率η的关系为

η

Q

H

P?

=

出口压力与流量的关系见图

1.

图1 出口压力H与流量Q 的关系由图1可知,当前工作点在“1”处,欲将流量Q1 降至Q2 ,有两条途径:

(1)转速不变,保持n = n1 ,增加阻力,关小阀门,工作点将沿N1 线移至“2”处,此时消耗

轴功率

η

2

22Q H P ?

=

(2)阻力不变,保持 R = R1 ,降低转速,使 n =n2 ,工作点将沿 R1 线移至“3”处,消耗轴

功率

η

2

33Q H P ?

=

由于机械效率η几乎不变,可以认为是常数,因此,两轴功率差为δΔP = P2 - P3 . 通常ΔP

约占 P2 的30 %～50 %.由此可见,采用调速方法比改变阻力方法节能更显著.

2.电机调速技术的历史与现状分析

20世纪的大多数时期为直流传动调速和交流传动恒速阶段,直至 20 世纪末,交直流传动按调速分工的格局才被打破,主要原因是直流电机换向器受容量限制(极限容量与转速乘积应小于106kW/ r· min - 1) ,为此 ,世界先进国家投入了大量的人力和财力去研究高效节能的交流调速系统 ,并取得了极大成功.

由交流异步电动机原理可知:从定子传入转子的电磁功率s m e P P P += ,即为机械功率和转差功率.根据转差功率消耗情况,目前异步电动机调速系统的基本类型可分为3类.

2.1转差功率消耗型调速系统

该调速系统主要通过降低电压调速、电磁转差离合器调速和转子绕阻串电阻调速. 主要通过增加转差功率的消耗来换取转速的降低,因而效率较低.

2.2转差功率回馈型调速系统

该调速方法使转差功率的一部分消耗掉,而大部分则通过变流装置回馈给电网或转为机械能.主要采用转子绕阻串级调速,但

新增变流装置后会消耗一定的功率.

2.3转差功率不变型调速系统

该调速系统的转差功率消耗基本保持不变,如改变磁极对数进行调速等. 由于转差功率消耗基本不变,因此,效率最高.但改变磁极对数只能进行有级调速,因而应用场合有限.最理想的交流调速应采用无级变频调速. 保持每极磁通量为额定值,既可防止磁通太弱,没有充分利用铁心造成的浪费,又可防止过分增大磁通使铁心饱和、导致励磁电流过大而损坏电机的现象,根据电机学理论

m N K N f E Φ=11144.4

要保持Φm 不变,且 E 接近电动机电源电压,可近似要求 V/ f =常数,这就能满足Φm 不变.我们将此称为恒压频比控制,也称变压变频控制,即VVVF 型(V ariable V oltage V ariable Frequency) .

由于传统的逆变环节采用相控方式 ,调压、调频两极可控 ,造成电路复杂、成本高、功率因数低、输出谐波分量大;采用 SPWM 后 ,用不控整流 ,输入端功率因数不变 ,调压、调频在同一环节完成 ,可以较好地抑制和减少输出谐波 ,使输出波形接近正弦波 ,这是当前变频装置中较为理想的结构形式 ,见图2.

马鞍山电厂变频改造采用了这种结构方式.

SPWM 是根据能量等效原理 在惯性环节中不同形状的窄脉冲能量作用近似相同 ,将正弦波用若干等幅不等宽的窄方波等效 ,见图3.

设正弦波电压t M U U ωsin 1= ,直流矩形波电压 2/s U U =.将正弦波半个波作 n 等分,则每等分为π/ n ,则对应第 i 个直流矩形波窄脉冲宽度为δi ,根据面积相等的等效原则

图2 LB4245整机电原理框图

图3 与正弦波等效的等幅不等宽矩形波序列

i

m n

Q n

Q m s i Q n U t d t U U i i sin 2sin 2)(sin 2

2/2/πωωδππ=

?=?

?

+-

当 n 较大时

n

n

22sin π

π≈

于是

i

s m i Q nU U sin 2πδ=

可见,随着正弦波幅值的变化,矩形波宽度也会发生相应变化.根据数学分析可知,期望的正弦波分段越多,脉冲宽度越窄,等效性越好.依据上述原理,可以用计算方法求得 SPWM 脉冲波形的宽度 ,而且采用数字控制是很容易实现的.马鞍山电厂使用的LB 系列变压变频器 ,控制元件采用的就 是 Intel 公司的16位微处理器芯N87C196mc ,

在软件控制下可直接产生高质量的SPWM 脉冲序列.功放元件采用的是绝缘栅双极晶体管 IGBT ,其开关频率可达 20 kHz ,按基频50Hz 计算 ,每个周波可分段 40 次 ,从而满足了波形要求.

3.凝结水系统自动控制方案分析

凝汽器水位一般采用与除氧器水位协调控制的方法.影响凝汽器和除氧器水位的因素很多 ,如负荷变化、给水流量变化、化学补水阀开度等.在研究了被控对象的动态特性及扰动因素后 ,我们在设计方案时将控制系统分成3部分 ,即:凝结水泵转速的自

动控制;化学补水阀的自动控制;凝结水调整门的自动控制.这样 ,使除氧器水位 、凝汽器水位及凝结水母管压力维持在最佳状态 ,使机组各系统稳定运行.

3.1除氧器水位和凝汽器水位的自动控制

由于除氧器水位和凝汽器水位的结构性质不同 ,因此 ,调节对象的动态特性差别较大.这主要反映在容量系数、阻力和传递距离上 ,特别是反映在容量系数上的差异较大.当机组负荷变化、除氧器水位变化 10 %时 ,可能导致凝汽器水位变化50 %左右 ,而化学补水对凝汽器水位变化的影响较为直接 ,对除氧器水位变化的影响要滞后得多.凝汽器水位稳定 ,除氧器水位才会相对稳定 ,因此 ,我们重点是对凝汽器水位进行及时有效的调节.我们主要采取调节化学补水的方法来调整除氧器水位.为了能达到较好的调节效果 ,我们将凝汽器水位的控制设计为串级控制系统 ,如图 4a 所示(图 4 方框内均为

DCS 组态) .串级控制系统由控制器1和控制器2组成

.

图4 凝汽器水位的程序流程组态简图

控制器1由蒸汽流量与凝结水流量的差值形成反馈信号,其任务是及时反映调节效果和迅速消除凝结水流量的自发扰动.当凝结水母管调整门开度发生变化时,凝结水流量发生变化,控制器1快速消除扰动,使凝结水流量回到扰动前的值;当机组负荷发生变化时,首先在蒸汽流量上会反映出来,此时控制器1迅速改变凝结水流量,以适应蒸汽流量的变化,控制凝汽器水位达到正常值.控制器2由凝汽器水位与设定水位的偏差值形成反馈信号,其任务是维持水位恒定.当水位偏离给定值时,通过控制器1调节凝结水流量,即改变凝结水泵的转速,使水位回到设定值.

3.2化补水阀的自动控制

由除氧器水位、凝汽器水位的值作为除氧器水位的控制信息,当除氧器水位与凝汽器水位的值小于整定值时,控制器3会自动打开补水阀,如图4b所示.

3.3凝结水调整门的自动控制

由于凝结水系统工况要求母管压力必须保证在1. 3～1. 4 MPa 下运行(最低不小于 1. 1 MPa) ,故用母管压力作为主调信号,变频器输出频率作为前馈信号,控制母管调整门的开度;取额定负荷的60 %(75 MW)及以下负荷段,作为凝结水调整门自动控制的调节范围. 当负荷高于75 MW ,或母管压力大于 1. 1 MPa 时,阀门全开,无需调节.见图4c.

4.LB4245 变频器与凝结水变频改造方案的实施

马鞍山发电厂凝结水系统变频改造的实施分为两个步骤:一是通过硬件改造,实现变频器控制凝结水泵;二是通过软件改造,实现自动调节,来完成从测量到控制的任务.实施中,将控制逻辑与机组DCS结合在一起,利用DCS便可对凝结水泵变频控制系统监控画面进行编程、组态,实现闭环控制,从而使改造工作量和投资大为降低.

4.1硬件改造硬件改造主要按以下步骤进行.

(1)系统主要由LB4245变频器、电抗器、凝结水泵电机等组成,运行频率由手操器设定.

(2)变频器输出端电抗器DK因变频器与电机之间的电缆超过60 m ,为抑制运行中产生高次谐波过电压、保护电机安全而加装. (3)在乙凝结水泵安装一台LB4245 变频器,将变频器串接在原来输入到电机的一次线中;将甲凝结水泵作为备用泵,当变频器发生故障或电气回路发生故障时,由主回路中的原DW15 开关控制其启、停及故障开断、复位,自动连锁启动甲泵工频运行.

(4)将DCS输出信号4～20 mA输入到变频器12～16 端子上,控制变频器输出频率,以改变电机转速.

(5)变频器输出的4～20 mA转速模拟量信号2～12端子送入DCS系统.

(6)乙凝结水泵启动时,由变频器实现软启动(启动频率2 Hz) ,以降低启动电流.

4.2软件编制和自动调试

软件编制和自动调试主要按以下步骤进行.

(1)画出凝结水系统自动控制的流程图,再在DCS系统中编制软件,进行全局点目录的组态及画面组态.通过计算、现场调试得出PID调节器的KP (稳态位置误差系数)及Ti (稳态时间常数)等参数.

(2)把被控对象除氧器水位、凝汽器水位经调节器输出的(4～20 mA)模拟控制信号送入变频器,以控制凝结水泵电机的转速.

5.经济效益估算

马鞍山发电厂的N125 机组汽轮机为N125 -135/ 535/ 535型,超高压、中间再热、双缸、双排汽、冷凝式汽轮机.凝结水泵规范为:型号12NL2160 ,流量335 t/ h ,出口压力1. 55 MPa ,转速1 475r/ min ;配套电机功率225 kW ,额定电压380 V ,额定电流400 A.凝结水母管压力为1. 3～1. 4 MPa.系统变频改造后,自动化程度明显提高,运行可靠性加大.其效果见表1.

表1 系统变频改造前后的状况对比

通过分析两年来的运行数据发现,在机组低负荷运行时,具有非常明显的节电效果.实现变频调节后, 电耗下降11. 11 %～39.

02 % ,带来了巨大的经济效益.

马鞍山发电厂11 #和12 #机的两台凝结水泵年运行均为5 000 h ,仅按80 MW 负荷考虑,每年至少节约电能W = 2 ( P1 - P2) ×5 000 = 56万kW· h如按0. 37元/ kW· h上网价计算,每年可节约电费21万元.

6.存在问题

变频柜放置在400 V 开关室内,运行环境良好,但往往由于距电机较远,需用电缆长距离传输非50 Hz交流电能,因此,高次谐波及过电压的威胁必须考虑.当传输距离大于60 m时,必须安装电抗器.这就增加了额外损耗.此外,变频柜安装在凝结水泵附近,虽然消除了高次谐波及过电压的威胁,但夏季的环境温度及变频器运行中产生的热量,对电子元件的安全、稳定性构成威胁,因此,散热问题须高度重视.变频改造后,对设备质量和管理工作的要求更高,因此,自动投入率和调节品质仍需改善.下列问题有待解决.

(1)机组AGC投用后,若负荷变化速率大,自动变频则难以跟上负荷变化;

(2) 变频器距电机较远时, 电抗器取值0.

08 mH ,大于此值时过热严重,通过频谱仪分析,有针对性增加阻波器是改进的方向; (3) IGBT温度保护测点采用双金属片传感器,误差较大,定值设置不便,应改用热敏电阻,经A/ D转换后送CPU处理;

(4)LB 变频器为马鞍山发电厂制造,控制电流与工作电流达 6 个数量级且共处于一体,工艺复杂,需要充分考虑布线与屏蔽.

7.前景展望

本文介绍的凝结水变频控制系统已在马鞍山发电厂11 #和12 #机的凝结水泵上投入运行,运行情况表明,系统的整体性能有了很大的改善,并且有明显的节能效果,创造了可观的经济效益.由于变频技术在发电厂的应用范围不应限于凝结水系统,按我国装机容量 3. 5 ×108kW 计算,厂用电占8 % ,其中80 %为转动机械电耗,而400 V 辅机又占转动机械电耗的22 % ,即492 ×104kW.如年运行6 000 h ,按节电30 %计算,每年可节电88 ×108kW· h ,具有极大的潜在效益,同时大大改善了异步电机的可控性,简化了控制手段,提高了效率,加快了调节速度,增强了系统的动态响应性能,并且减少了维护工作量.随着大功率电力电子设备制造技术的成熟,变频调速必将成为电力拖动工艺上的一场变革,因此前景非常广阔.

参考文献:

[1] 陈伯乐, 陈敏逊.交流调速系统[M] .北京:北京机械工业出版社,1998.

[2] 黄俊, 王兆安.电力电子交流技术[M] .北京:北京机械工业出版社,1999.

[3] 张锰珠, 离心式与轴流式水泵[M] .北京:北京电力工业出版社,1997