10MW級高壓變頻器在600MW機(jī)組給水系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：本文針對600MW機(jī)組鍋爐給水系統(tǒng)，應(yīng)用國產(chǎn)10MW級高壓超大功率變頻器代替液力耦合器機(jī)械調(diào)速，提高給水泵系統(tǒng)機(jī)械效率、節(jié)能降耗的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了積極探討。通過實(shí)踐證明：在既有液力耦合器調(diào)速的基礎(chǔ)上，通過高壓變頻器應(yīng)用仍可以取得良好的節(jié)能收益。

關(guān)鍵詞：給水泵 高壓變頻 應(yīng)用

一、項(xiàng)目現(xiàn)狀

1、概況

國電河北某發(fā)電公司現(xiàn)有600MW火力發(fā)電機(jī)組兩座，采用單元制運(yùn)行結(jié)構(gòu)。每臺鍋爐給水系統(tǒng)配備有凱士比生產(chǎn)的機(jī)組滿發(fā)流量50%的電動(dòng)變速給水泵三臺，采取兩用一備方式運(yùn)行。給水泵系統(tǒng)由前置泵、電動(dòng)機(jī)、液力耦合器、給水泵本體組成。其工藝流程是將除氧器水箱出來的三根低壓給水管分別經(jīng)前置泵、給水泵增壓后匯管進(jìn)高壓加熱器、鍋爐省煤器、等加熱設(shè)備，進(jìn)入汽水分離器維持液位穩(wěn)定運(yùn)行。該系統(tǒng)工藝流程如圖一所示。

圖一、給水系統(tǒng)工藝流程圖

為保證鍋爐運(yùn)行處于安全狀態(tài)，目前機(jī)組通過調(diào)節(jié)給水泵液耦輸出轉(zhuǎn)速的方式改變給水流量，控制汽水分離器液位穩(wěn)定。給水泵液力耦合器配有增速齒輪，使渦輪的轉(zhuǎn)速高于原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在這個(gè)較高的轉(zhuǎn)速值下往降低轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)調(diào)速運(yùn)行。機(jī)組在350MW及以下低負(fù)荷時(shí)，單臺給水泵運(yùn)行;350MW以上高負(fù)荷時(shí)，兩臺給水泵并聯(lián)運(yùn)行，液耦調(diào)速器輸出轉(zhuǎn)速在69%~91%之間調(diào)節(jié)，系統(tǒng)無給水調(diào)門。

2、液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)存在的問題

2.1 給水泵采用液耦傳動(dòng)調(diào)速運(yùn)行，傳動(dòng)損失大、系統(tǒng)效率低，造成大量能源浪費(fèi)。

2.2 液耦調(diào)速器屬柔性連接驅(qū)動(dòng)，采用勺管開度調(diào)節(jié)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)死區(qū)大、線性度差。

2.3 液耦調(diào)速器采用高壓傳動(dòng)油工作，在機(jī)械能傳遞過程中產(chǎn)生大量熱量損失。

2.4 10MW級高壓給水泵直接啟動(dòng)過程中，5~8In峰值電流對電網(wǎng)沖擊明顯。

解決上述問題的重要手段之一，是采用目前高效、節(jié)能、并廣泛應(yīng)用的高壓變頻器電子調(diào)速方式替代液力耦合器的機(jī)械調(diào)速方式。利用高壓變頻器替換目前給水泵液耦調(diào)速控制，滿足給水系統(tǒng)工藝調(diào)節(jié)需求的情況下，降低給水泵組的廠用電率耗能水平。這樣，不僅改善和提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能，而且提高系統(tǒng)運(yùn)行效率、降低給水泵電耗，為降低電廠用電率提供了良好的途徑。

二、技術(shù)方案的選擇

目前，600MW機(jī)組鍋爐給水泵組的動(dòng)力系統(tǒng)具有功率大、無其它第三方調(diào)速手段、不能夠帶載直啟、技術(shù)安全可靠性要求高等特點(diǎn)。如果采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造，變頻器調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速效率高，啟動(dòng)能耗低、調(diào)速范圍寬、可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、死區(qū)小、操作簡便，且易于汽包水位PID調(diào)節(jié)策略實(shí)現(xiàn)。變頻改造系統(tǒng)宜采用簡單的一對一直聯(lián)拖動(dòng)結(jié)構(gòu)。

由于給水泵設(shè)備原先使用液力耦合器實(shí)現(xiàn)給水泵的啟動(dòng)、調(diào)速等功能;現(xiàn)改用高壓變頻調(diào)速控制后，結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考慮有以下兩種方案可選擇：

方案一：將液力耦合器保留不變，勺管開度至100%輸出，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)和增速作用。變頻器通過電氣特性控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)給水泵的流量調(diào)節(jié)。這種方法的弊端是，沒有拆除液力耦合器，對液力耦合器的維護(hù)同樣存在;同時(shí)由于液力耦合器本身的效率問題，仍存在一定的節(jié)能率下降。

方案二：拆除液力耦合器，更換為增速齒輪箱實(shí)現(xiàn)剛性傳遞聯(lián)接;解決系統(tǒng)機(jī)械力矩傳遞中的效率損失問題。由于需重新制作更換機(jī)械設(shè)備，工程改造周期長，設(shè)備投入和停機(jī)損失均較大。因此，在實(shí)際操作中存在一定的實(shí)施問題。

鑒于上述情況，結(jié)合國電河北某電廠的實(shí)際情況，擬采用方案一的改造方式予以論證是實(shí)施。

三、技術(shù)方案

1、一次動(dòng)力系統(tǒng)方案

主動(dòng)力系統(tǒng)方案為兩臺給水泵使用兩臺變頻器一拖一的方式。原3#給水泵工頻備用的方式不變，仍處于備用模式。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖二所示。

圖二、一次動(dòng)力系統(tǒng)原理圖

其中，QF表示高壓開關(guān)、TF表示高壓變頻器、QS表示高壓隔離開關(guān)，M表示給水泵電動(dòng)機(jī);QF10、QF20、QF30、QF31、M為現(xiàn)場原有設(shè)備。正常運(yùn)行時(shí)QF11、QF12、QF21、QF22處于合閘狀態(tài)，將變頻器輸出與電動(dòng)機(jī)連接。當(dāng)給水泵或電動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行檢修時(shí)，停止變頻器運(yùn)行，并將高開隔離開關(guān)柜手車?yán)鰯嚅_位，確保運(yùn)行及檢修安全。變頻器對輸出側(cè)電動(dòng)機(jī)提供過壓、欠壓、過流、過載、速斷、缺相、接地等完全電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能，可省去中性電柜和差動(dòng)保護(hù)裝置的變頻條件應(yīng)用。

當(dāng)變頻器故障檢修時(shí)，給水泵可以切換為工頻運(yùn)行，開關(guān)狀態(tài)為：QF11、QF12、QF21、QF22在斷開位，QF13、QF23在閉合位。

2、二次系統(tǒng)控制

該系統(tǒng)經(jīng)變頻改造后，原電氣系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)回路取消，電動(dòng)機(jī)過載、過流、過壓、欠壓、缺相、速斷、接地等保護(hù)功能由變頻器實(shí)現(xiàn)。液力耦合器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)指令與轉(zhuǎn)速反饋信號接至變頻器側(cè)用于變頻器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。其它有關(guān)液力耦合器的控制監(jiān)測信號取消，原有DCS給水系統(tǒng)控制策略不變。

為確保系統(tǒng)的安全可靠性，系統(tǒng)采用分級、分段、模式識別的多重保護(hù)措施，確保保護(hù)有效不拒動(dòng)、不誤動(dòng)、保護(hù)適當(dāng)有效。該系統(tǒng)保護(hù)主要包括：

1) 變頻器上口輸入高壓開關(guān)QF1配備變壓器綜合保護(hù)裝置對變頻器實(shí)施保護(hù);

2) 變頻器輸入側(cè)配備過流、過載、接地、缺相、過電壓、欠壓、變壓器過熱保護(hù);

3) 變頻器輸出側(cè)配備過流、速斷、過載、缺相、過電壓、欠壓、單元過熱等保護(hù);

本技術(shù)方案提供HARSVERT系列完美無諧波系列高壓變頻器。該系列變頻采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以適用于普通異步電機(jī)等優(yōu)勢

四、10MW級超大功率高壓變頻技術(shù)要點(diǎn)

1、關(guān)鍵器件選擇

高壓變頻器內(nèi)部的主要逆變部分，采用的是德國優(yōu)質(zhì)品牌第四代IGBT芯片和PRIMEPACK封裝技術(shù)生產(chǎn)的高性能IGBT，其技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

1) 第四代IGBT改善了IGBT的動(dòng)作特性，使之比第三代IGBT的動(dòng)作更加柔軟;

2) 第四代IGBT在不產(chǎn)生嚴(yán)重電壓尖峰毛刺的情況下可以適應(yīng)更小的驅(qū)動(dòng)電阻，實(shí)現(xiàn)了較第三代IGBT更低的開關(guān)損耗;

3) 第四代IGBT增強(qiáng)了的芯片的溫度特性，可以運(yùn)行于150℃，最高耐受溫度為175℃,而第三代IGBT只能運(yùn)行于125℃，最高耐受僅為150℃;

4) 第四代IGBT與第三代IGBT擁有一樣的短路耐受能力，可以保證工作的安全可靠;

5) 第四代IGBT與第二代第三代IGBT相比較，在功率循環(huán)壽命方面表現(xiàn)優(yōu)異，具體如下表：

6) 第四代IGBT保持了第三代IGBT的正溫度特性，易于并聯(lián)。

2、器件均流問題

由于單只IGBT芯片的通流能力有限，大功率產(chǎn)品通常采用IGBT并聯(lián)來提高輸出電流能力。IGBT本身具有正溫度系數(shù)，具有自均流能力，適合并聯(lián)。為了保證設(shè)備的可靠性，元器件首先在容量計(jì)算時(shí)提高設(shè)計(jì)裕量系數(shù)，近似兩倍的余量。

采用動(dòng)態(tài)均流和靜態(tài)均流技術(shù)，降低IGBT的飽和壓降Vce(sat)、反并聯(lián)二極管的正向壓降Vf對靜態(tài)均流效果的影響;以及IGBT的跨導(dǎo)gfs和柵極-發(fā)射級閾值電壓Vge_th、反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)特性對動(dòng)態(tài)均流效果的影響。

3、器件散熱問題

在超大功率變頻器中，發(fā)熱功率密度遠(yuǎn)大于常規(guī)變頻器，采用常規(guī)的散熱結(jié)構(gòu)無法滿足高密度散熱的需要。為此我們采用特殊的散熱結(jié)構(gòu)及布局設(shè)計(jì)，提高散熱功率密度，優(yōu)化熱場分布，以避免IGBT結(jié)溫過高導(dǎo)致器件損壞。

4、大電流電磁噪聲抑制問題

IGBT開關(guān)動(dòng)作時(shí)，在母排寄生電感上產(chǎn)生的尖峰電壓是造成IGBT損壞的一個(gè)主要原因。該電壓正比于工作電流、寄生電感、反比于IGBT動(dòng)作時(shí)間。由于IGBT動(dòng)作時(shí)間在不同電流下變化很小，在設(shè)備電流增大時(shí)，尖峰電壓將隨之等比例增加。IGBT并聯(lián)的主電路結(jié)構(gòu)造成線路感抗差異，這些感抗的不同將嚴(yán)重影響IGBT的動(dòng)態(tài)工作特性，采用對稱型主電路結(jié)構(gòu)，大電流噪聲得到有效抑制。

五、節(jié)能效益分析

在600MW鍋爐給水系統(tǒng)中采用高壓變頻調(diào)速取代液力耦合器調(diào)速方式后，液力耦合器的效率穩(wěn)定在97%，液耦損失減到了最低水平。通過變頻調(diào)速的應(yīng)用，給水泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率得到提高。系統(tǒng)傳動(dòng)效率和功率傳遞關(guān)系如下圖四所示。

圖四、變頻改造后效率與功率傳動(dòng)示意圖

給水系統(tǒng)經(jīng)變頻改造后，在不同負(fù)荷條件的功耗計(jì)算數(shù)據(jù)如下表一所示。

由上述數(shù)據(jù)分析可知，在600MW機(jī)組鍋爐給水系統(tǒng)超大功率設(shè)備應(yīng)用條件下，采取高壓變頻器調(diào)速替代液力耦合器調(diào)速方式，仍可取得良好的節(jié)能效果和顯著的節(jié)能收益。對進(jìn)一步降低機(jī)組廠用電率水平具有切實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：倚鵬.高壓大功率變頻器技術(shù)原理與應(yīng)用.北京:人民郵電出版社，2008.