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案例頻道 摘要：本文針對210MW機組鍋爐給水系統，應用國產5.5MW級高壓超大功率變頻器代替液力偶合器機械調速，提高給水泵系統效率、節能降耗的經驗進行了積極探討。通過實踐證明：在既有液力偶合器調速的基礎上，通過高壓變頻器應用仍可以取得良好的節能收益。
關鍵詞：給水泵大功率高壓變頻應用
一、項目現狀
1.1概況
大唐耒陽發電廠原名湖南省耒陽電廠，籌建于1983年，正式建廠在1987年。2002年，國家電力體制改革，在全國范圍內成立五家發電集團公司。因此，湖南省耒陽電廠被歸于中國大唐集團公司，改名大唐耒陽發電廠，屬大唐集團公司獨資企業。耒陽發電廠地處我國古代造紙發明家蔡倫的故鄉——湖南省耒陽市（屬衡陽市管轄），座落在耒水河畔，廠區占地260公頃，三面環水，一面靠山，是湖南省“花園式工廠”。一期工程兩臺20萬千瓦國產燃煤機組分別于1988、1989年投產發電；二期擴建工程兩臺30萬千瓦機組分別于2003年12月、2004年6月投產發電，為湖南第一個百萬級火力發電廠。目前正在籌建三期擴建工程。
圖一大唐耒陽電廠全景圖
耒陽電廠210MW機組鍋爐給水系統主要由2臺5500kW全容量給水泵、前置泵和負荷調節閥門組成。系統正常運行情況下，改造前給水泵采用一運一備工頻方式運行。
針對大唐耒陽電廠給水泵節能改造的需求，我公司配合大唐先一節能科技有限公司，對大唐耒陽電廠1#機組1#給水泵進行了變頻改造。包括液偶、油站、前置泵、變頻器冷卻等方面。
1.2給水系統
是指鍋爐的水系統，它不斷地向鍋爐供應給水以保證正常的水循環。給水泵將除氧器的水升壓后送往高壓加熱器，經過給水操作臺進入鍋爐的省煤器，省煤器將給水加熱后送往汽包，下降管把汽包的水分配到水冷壁的各個下聯箱，水冷壁吸收爐膛高溫火焰（煙氣）的輻射熱使水變成汽水混合物，汽水混合物進入汽包進行汽水分離，分離出來的水繼續進行水循環，分離出來的飽和蒸汽進入頂棚過熱器。右圖為給水系統示意圖：
圖二:鍋爐給水系統示意圖
為保證鍋爐運行處于安全狀態，目前機組通過調節給水泵液偶輸出轉速的方式改變給水流量，控制汽水分離器液位穩定。給水泵液力偶合器配有增速齒輪，使渦輪的轉速高于原動機的轉速，在這個較高的轉速值下向降低轉速的范圍內調速運行。
1.3給水泵改造的可選方案
1.3.1 不拆除液力偶合器方案
（1）不拆除液偶，變頻運行時，把液偶位置開到最大，液偶相當于一個聯軸器的作用。
（2）由于主油泵與電機同軸，采用變頻調速后，電機轉速降低后，油泵油壓、油量不足，某電廠油泵要求潤滑油壓力不低于0.25MPa，潤滑油量不低于360 L/min；工作油壓力不低于0.25MPa，所以為滿足油泵供油，單獨配置油站。拆除原液偶主油泵，具體內容包括油站的油管路改造，油站的基礎制作、安裝，油管路的連接液力偶合器主油泵葉輪拆除及改造等。
（3）配置油站：根據油量，油壓需求配置油泵及備用油泵，運行泵故障跳閘，連鎖備用泵啟動。油站還需配置符合油泵控制要求的電氣控制箱，油溫、油壓，油量檢測裝置及其他配套附件等，檢測信號能輸出4-20mA信號。
（4）當變頻器故障或檢修時，通過變頻器旁路切換到工頻運行。此時還是沿用原來的運行方式，用液偶調速。
1.3.2拆除液力偶合器方案
現場進行變頻改造后，代替了原液偶調速方式，并且由于液力偶合器自身的種種弊端，考慮到長期運行的穩定性，因此建議拆除液力偶合器。
（1）本改造方案將給水泵的液力偶合器更換為增速齒輪箱，給水泵電機用變頻器調速運行。供貨范圍需增加一套增速齒輪箱（含輸入輸出聯軸器，增速箱安裝在電機與給水泵之間變速）。由于大部分電廠有備用給水泵，當變頻退出時，可啟動備用泵（液偶調速），所以拆除液偶后不需要增加軟起裝置。工程改造部分需要解決拆除液偶后電機與泵之間的連接問題以及電機的潤滑油系統。
安裝示意圖如下所示：
（2）針對極個別電廠（如廣州某電廠）沒有配置備用泵的情況，當一臺變頻器退出運行時，可考慮通過提高另外一臺給水泵的給水量來滿足鍋爐給水的需求（機組同時配合給水降負荷），如果還不能滿足給水要求，則一臺給水泵切換到工頻運行，另外一臺變頻泵提速到工頻頻率，通過給水母管閥門調節以保證系統穩定運行（此部分需要根據鍋爐負荷與閥門及變頻器進行聯調）。
（3）針對電廠沒有備用泵，拆除液偶后電機的啟動問題，可考慮配置軟起動裝置。
（4）針對電廠沒有備用泵的工況，變頻器改造時建議采用一拖一自動旁路方案。
1.3.3拆除液偶后的電機與給水泵聯接問題
施工說明：
方法1：將電機基礎前移
（1）現場擬采用鋼底座作為電機基礎，其底座均布六個底腳螺栓，并要求進行混凝土二次灌漿；
（2）為保證設備投運后的安全，對電機移位后與負載直聯的磨擦片接手需要重新定制；
（3）六個底腳孔采用鉆孔成型，底腳螺栓采用環氧樹脂澆注固定工藝；
（4）基礎完成后，需要重新進行電機的動平衡試驗。
方法2：電機基礎不動，采用長軸聯接
由于（方法1）中將電機基礎前移，施工工期較長，工程量較大，從現場了解到由于電機與給水泵之間增加了齒輪箱（齒輪箱寬度為1500mm左右），而現場液力偶合器安裝尺寸為2500mm左右，所以可以考慮在電機與齒輪箱之間增加一根長1米左右的軟軸或剛性軸（距離很近的話，可以使用）連接，連接軸建議安裝在電機與齒輪箱之間，不要安裝在齒輪箱與給水泵之間，因為電機側轉速低，這樣軸的擾動會小一些。這種方案的優點是不需要重新改變電機的安裝位置，工程量小，施工周期短。
耒陽電廠選擇保留液偶的解決方案。
二、給水泵及電機參數介紹
表一前置泵參數：
圖三：前置泵現場照片
表二給水泵參數：
圖四: 給水泵現場照片
表三電機參數
圖五: 現場電機照片
三、變頻器改造技術方案
3.1變頻系統基本配置及接線方案
電廠一臺機組配置兩臺全容量給水泵，一運一備，本次改造將#1機組#1給水泵增加變頻調速系統，采用一拖一帶手動旁路方式。變頻裝置與電機的連接方式如下：
圖六:變頻改造主回路示意圖
3.2 電動給水泵電機變頻改造后運行方式
（1）保留現有DCS系統對#1電動給水泵電機的控制邏輯及其二次線，并將新增變頻調速系統進入電廠DCS系統中。
（2）正常情況下，6kV電源經斷路器QF1、隔離開關QS1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經隔離開關QS2送至電動機，電動機變頻運行。變頻器接受DCS調節器的轉速控制信號調節給水泵轉速滿足不同負荷下的需求。
（3）當變頻器故障退出運行時，隔離開關QS1、QS2斷開，隔離開關QS3閉合，電動給水泵工頻運行。隔離開關QS1、QS2的作用是：變頻器進行維護時，有明顯的斷點，保障維護人員安全，非變頻器維護期，兩隔離開關處于合閘狀態。
（4）QS2與QS3不能同時閉合，在電氣上實現互鎖，以保證設備運行安全。
（5）旁路柜刀閘之間使用銅排進行電氣連接，同時也安裝了帶電顯示器。
（6）旁路柜的二次電氣盤內有刀閘位置接點端子，每個刀閘至少提供4常開4常閉輔助接點。
（7）旁路柜柜體上有工頻、變頻運行位置指示燈。
3.3保護配置
在變頻器出口新增一組TA（變比800/5），與給水泵中性點TA構成變頻工況下的差動保護，工頻運行時仍由原6kV開關柜內TA與給水泵中性點TA構成工頻下的差動保護；將給水泵6kV開關柜內的原保護裝置更換為南瑞繼保的PCS-9627電動機保護測控裝置（需具備變頻差動保護功能，能實現各種工況下給水泵保護及測控要求）。裝置由輸入的工、變頻切換刀閘輔助接點實現工、變頻狀態判別，以便自動投入相應的差動保護。后備保護工、變頻工況下相同。保護配置示意圖：
變頻器安裝地點：大唐耒陽發電廠#1機鍋爐房零米制粉班工作間。變頻器小室需根據變頻器尺寸結構改建。
圖七:差動保護配置示意圖
四、給水泵改造技術要點
4.1前置泵改造
前置泵方案
現場設備工藝位置示意圖：前置泵-----電機---液偶----給水泵。
氣蝕現象：泵運轉時，液體壓力沿著泵入口到葉輪入口而下降，在葉片入口附近的K點上，液體壓力pK最低。此后由于葉輪對液體作功，液體壓力很快上升。當葉輪葉片入口附近的壓力pK小于液體輸送溫度下的飽和蒸汽壓力pv時，液體就汽化。同時，使溶解在液體內的氣體逸出。它們形成許多汽泡。當汽泡隨液體流到葉道內壓力較高處時，外面的液體壓力高于汽泡內的汽化壓力，則汽泡又重新凝結潰滅形成空穴，瞬間內周圍的液體以極高的速度向空穴沖來，造成液體互相撞擊，使局部的壓力驟然增加(有的可達數百個大氣壓)。上述這種液體汽化、凝結、沖擊、形成高壓、高溫、高頻沖擊負荷，造成金屬材料的機械剝裂與電化學腐蝕破壞的綜合現象稱為氣蝕
耒陽電廠現場前置泵改造說明：
經過和現場工程師溝通，為了防止汽蝕，他們在給水泵運行中將最低轉速設置在3200r/min。保證前置泵5.2米的必須汽蝕余量。沒有采取將前置泵脫開單獨加電機的方式。
4.2液力偶合器改造：
（1）變頻運行時，把液偶位置開到最大，液偶相當于一個聯軸器的作用。
（2）由于主油泵與電機同軸，采用變頻調速后，電機轉速降低后，油泵油壓、油量不足，油泵要求潤滑油壓力不低于0.24MPa，潤滑油量不低于400 L/min；工作油壓力不低于0.24MPa，所以為滿足油泵供油，單獨配置油站。拆除原液偶主油泵，具體內容包括油站的油管路改造，油站的基礎制作、安裝，油管路的連接液力偶合器主油泵葉輪拆除及改造。
（3）配置油站：兩臺油泵（含驅動電機），一用一備，運行泵故障跳閘，連鎖備用泵啟動。流量900升/分鐘，壓力：0.40兆帕，功率：4級37千瓦，口徑：80。油站還需配置符合油泵電機容量及控制要求的電氣控制箱，需方提供電氣控制箱所需電源。油箱，油溫、油壓，油量檢測裝置及其他配套附件等，檢測信號能輸出4-20mA信號。
（4）當變頻器故障或檢修時，通過變頻器旁路切換到工頻運行。此時還是沿用原來的運行方式，用液偶調速。
圖八: 液力偶合器油站改造照片
4.3大功率變頻器設計和運行要點
高壓變頻器內部的主要逆變部分，采用的是德國優質品牌第四代IGBT芯片和PRIMEPACK封裝技術生產的高性能IGBT，其技術優勢主要體現在：
4.3.1新一代IGBT特點
（1）第四代IGBT改善了IGBT的動作特性，使之比第三代IGBT的動作更加柔軟；
（2）第四代IGBT在不產生嚴重電壓尖峰毛刺的情況下可以適應更小的驅動電阻，實現了較第三代IGBT更低的開關損耗；
（3）第四代IGBT增強了的芯片的溫度特性，可以運行于150℃，最高耐受溫度為175℃,而第三代IGBT只能運行于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，在功率循環壽命方面表現優異，具體如下表：
表 4
（6）第四代IGBT保持了第三代IGBT的正溫度特性，易于并聯。
4.3.2器件均流問題
由于單只IGBT芯片的通流能力有限，大功率產品通常采用IGBT并聯來提高輸出電流能力。IGBT本身具有正溫度系數，具有自均流能力，適合并聯。為了保證設備的可靠性，元器件首先在容量計算時提高設計裕量系數，近似兩倍的余量。
采用動態均流和靜態均流技術，降低IGBT的飽和壓降Vce(sat)、反并聯二極管的正向壓降Vf對靜態均流效果的影響；以及IGBT的跨導gfs和柵極－發射級閾值電壓Vge_th、反并聯二極管的反向恢復特性對動態均流效果的影響。
4.3.3 器件散熱問題
在超大功率變頻器中，發熱功率密度遠大于常規變頻器，采用常規的散熱結構無法滿足高密度散熱的需要。為此我們采用特殊的散熱結構及布局設計，提高散熱功率密度，優化熱場分布，以避免IGBT結溫過高導致器件損壞。
4.3.4 大電流電磁噪聲抑制問題
IGBT開關動作時，在母排寄生電感上產生的尖峰電壓是造成IGBT損壞的一個主要原因。該電壓正比于工作電流、寄生電感、反比于IGBT動作時間。由于IGBT動作時間在不同電流下變化很小，在設備電流增大時，尖峰電壓將隨之等比例增加。IGBT并聯的主電路結構造成線路感抗差異，這些感抗的不同將嚴重影響IGBT的動態工作特性，采用對稱型主電路結構，大電流噪聲得到有效抑制。5、冷卻問題，大功率變頻器由于變頻器發熱量占到了額定功率的3-4%，所以發熱量是必須要考慮的問題。直接影響到設備的穩定運行。
大唐耒陽電廠5.5MW給水泵變頻器采用該項目冷卻方式采用空水冷卻裝置型號：BLH-CK-260。制冷功率達260KW，現場環境很干凈。
圖九:空水冷現場圖片
1、變頻器出口風道
2、變頻器室外風道
3、空水冷增壓風機
4、空水冷配電控制箱
5、空水冷室內進風口
4.3.5 變頻器選用
針對耒陽電廠給水泵電機和負載特性。北京利德華福電氣技術有限公司提供型號為：HARSVERT-VA06/600，額定容量為7000KVA變頻器
4.3.6 DCS控制改造：
高壓變頻調速系統的控制系統安全可靠，其控制電源采用AC220V和DC220V，雙路供電，互為備用，實現無擾切換，確保控制電源的穩定。
變頻裝置具有與現場分散控制系統DCS的用戶接口，變頻裝置根據DCS控制指令，控制電動機的啟動、停止，控制電動機的轉速；變頻裝置通過硬連接線方式向DCS反饋變頻裝置的主要狀態信號和故障報警信號。在現有DCS系統中增加給水泵變頻器的控制功能。
圖十:DCS畫面截圖
五、改造后項目收益總結：
5.1項目效果總結
（1）加裝了變頻調速系統后，電機可通過變頻器實現軟啟動，改善了電機的啟動性能，延長了電機的使用壽命；同時因為電機實現軟啟動，大大降低了電機的啟動電流，減小了電機啟動對廠用電的沖擊。
（2）電機工頻運行時，實際運行功率因數遠低于額定值，采用高壓變頻調速系統后，電源側的功率因數可提高到0.95以上，大大的減少無功功率的吸收，進一步節約上游設備的運行費用。
（3）采用變頻調節后，通過調節電機轉速實現節能；轉速降低，主設備及相應輔助設備如軸承等磨損較前減輕，維護周期、設備運行壽命延長；
（4）采用變頻調節后，電機運行電流降低較大，節能率根據負荷變化在10%-30%之間，達到了項目預期效果。
（5）設備運行節能效果好，變頻器小室溫度穩定在28℃左右，冷卻系統冷卻效果好。
（6）該設備目前已運行兩年，從未出現故障，從未影響用戶生產。在湖南大唐華銀集團受到好評。
大唐耒陽電廠屬于調峰機組電廠負荷變化較大，引風機變頻器改造項目為電廠建成后投入，機組年運行大約250天。
變頻器運行數據如下：
2013.12.1日現場考察時機組負荷200MW，引風機變頻器運行頻率44.39HZ。輸入電流386.19A，輸出電流436.4A，輸入電壓6.05KV，輸出電壓5.55KV。
圖十一: 人機界面截圖(變頻器200MW負荷運行)
5.2、節能率數據分析（數據來源，用戶關于該項目竣工報告）
2.1 #1給水泵進行變頻改造后節能效果明顯，在140MW負荷下能達到17.3%的節能率。
2.2 #1給水泵進行變頻改造后節能效果明顯，在200MW負荷下能達到5.57%的節能率。
經過數據加權分析計算，給水泵改造后綜合節電率在10%-15%之間，效益非常明顯。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號