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案例頻道 1、前 言
目前，在我國電源結(jié)構(gòu)中，火電裝機(jī)容量占74%，發(fā)電量占80%；因此火電機(jī)組及其輔機(jī)設(shè)備的節(jié)能改造工作是非常重要的。火電廠中的各類輔機(jī)設(shè)備中，風(fēng)機(jī)水泵類設(shè)備占了絕大部分，而在國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的當(dāng)代，火電機(jī)組調(diào)峰力度也隨之加大，這些機(jī)組的負(fù)荷變化范圍很大，必須實時調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵的流量，蘊藏著巨大的節(jié)能潛力。目前調(diào)節(jié)流量的方式多為節(jié)流閥調(diào)節(jié)，他并不能大范圍調(diào)節(jié)電動機(jī)的輸出功率，所以浪費了大量的能源。隨著世界能源危機(jī)影響范圍越來越廣，人們對節(jié)約能源的意識也越來越強(qiáng)，我國在電力行業(yè)的改革為適應(yīng)新形勢逐步的深化。降低發(fā)電成本發(fā)提高單位能耗的發(fā)電量，已成為各火電廠努力追求的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，要求也越來越迫切。而采用變速調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和泵類達(dá)到節(jié)能目的，已成為共識。
另外，交流高壓電機(jī)的直接起動會產(chǎn)生巨大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，在很短的起動過程中，轉(zhuǎn)子籠型繞組及阻尼繞組將承受很高的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，致使籠條的端環(huán)斷裂。而且能造成定子繞組絕緣的機(jī)械損傷和磨損，從而導(dǎo)致定子繞組絕緣擊穿。直接起動時的大電流還會引起鐵芯振動，使鐵芯松馳，引起電機(jī)發(fā)熱增加。由于變頻器可以做到起動轉(zhuǎn)矩高且平滑無沖擊，對延長電動機(jī)的使用壽命，減少對電網(wǎng)的沖擊，保證機(jī)組正常運行是很有必要的。還有現(xiàn)在電廠的自動化程度不斷提高，運行工藝對輔機(jī)設(shè)備的控制性能的改善也是十分迫切的，例如在燃料控制系統(tǒng)中，采用精確度很高的變頻調(diào)速可以大幅度地改善爐內(nèi)的燃燒工況，從而節(jié)煤、節(jié)水，并可節(jié)省這些物料的運輸，處理能量等。有更精準(zhǔn)得設(shè)備是必然會出現(xiàn)更優(yōu)良的工藝，從而生產(chǎn)效率，這已不再簡單地局限在節(jié)能的范疇。
本文針對電廠泵類輔機(jī)的電動機(jī)的實際運行工況，介紹一個變頻改造案例。
2、宣威電廠凝結(jié)水泵
在汽輪機(jī)內(nèi)做完功的蒸汽在凝汽器冷卻凝結(jié)之后，集中在熱水井中，這時凝結(jié)水泵的作用是把凝結(jié)水及時地送往除氧器中。維持凝結(jié)水泵連續(xù)、穩(wěn)定運行是保持電廠安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)地一個重要方面。
監(jiān)視、調(diào)整凝汽器內(nèi)的水位是凝結(jié)水泵運行中的一項主要工作。在正常運行狀態(tài)下，凝汽器內(nèi)的水位不能過高或過低。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升高時，凝結(jié)水量增加，凝汽器內(nèi)的水位相應(yīng)上升。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低時，凝汽器內(nèi)水位相應(yīng)降低國電云南宣威電廠凝結(jié)泵電機(jī)為6KV/1250KW電機(jī)，設(shè)計時有較大裕量，每臺機(jī)組配備二臺凝結(jié)泵，一臺變頻運行，一臺工頻運行或備用，為安全起見要求變頻器可以在兩個高壓開關(guān)柜間切換以實現(xiàn)雙電源供電，還可經(jīng)旁路刀閘直接起動電動機(jī)。進(jìn)出線刀閘和旁路刀閘的作用是：一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開進(jìn)出線刀閘，將變頻裝置隔離，再閉合旁路刀閘，在工頻電源下起動電機(jī)運行。
3、HIVERT-Y06/096型變頻器原理
3.1 原理
HIVERT系列大功率高壓變頻器屬直接高-高方式，采用先進(jìn)的功率單元串聯(lián)疊波技術(shù)、空間矢量控制的正弦波PWM調(diào)制方法、新穎的全中文操作界面和高性能IGBT功率器件，可用于各類高壓電動機(jī)驅(qū)動的風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的調(diào)速、節(jié)能、軟啟動和智能控制等。
HIVERT系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關(guān)元件為IGBT。每相由5個功率單元串聯(lián)而成，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術(shù)，因而具有很高的可靠性。
隔隔離變壓器為三相干式整流變壓器，變壓器原邊輸入可為任意電壓，Y接；副邊繞組數(shù)量依變頻器電壓等級及結(jié)構(gòu)而定，3kV系列為9個，6kV系列為15個，10kV系列為24個，延邊三角形接法，為每個功率單元提供三相電源輸入。
為了最大限度抑制輸入側(cè)諧波含量，同一相的副邊繞組通過延邊三角形接法移相，從而消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，所以HIVERT變頻器輸入電流的總諧波含量（THD）遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數(shù)。
6kV系列單元輸出及相電壓波形示意圖
每個功率單元輸出的電壓波形及其串聯(lián)后輸出的相電壓波形示意圖，可以得到5～0～-5共11個不同的電壓等級。增加電壓等級的同時，每個等級的電壓值大為降低，從而減小了dv/dt對電機(jī)絕緣的破壞，并大大削弱了輸出電壓的諧波含量，電壓等級數(shù)量的增加，大大改善了變頻器的輸出性能，輸出波形幾乎接近正弦波。
3.2功率單元
輸入電源端R、S、T接變壓器二次線圈的三相低壓輸出，三相二極管全波整流為直流環(huán)節(jié)電容充電，電容上的電壓提供給由IGBT組成的單相H形橋式逆變電路。
快熔 二極管整流 直流環(huán)節(jié) 逆變輸出 單元輸出 單元旁路
功率單元原理圖
功率單元通過光纖接收信號，采用空間矢量正弦波脈寬調(diào)制（PWM）方式，控制Q1～Q4 IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出單相脈寬調(diào)制波形。每個單元僅有三種可能的輸出電壓狀態(tài)，當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通時，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為1；當(dāng)Q2和Q3導(dǎo)通時，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為-1；當(dāng)Q1和Q2或者Q3和Q4導(dǎo)通時，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為0。
4、運行分析
相關(guān)數(shù)據(jù)實測結(jié)果如下：
表1 工頻和變頻調(diào)速凝結(jié)水泵的輸入功率對比
|
機(jī)組負(fù)荷
（MW） |
改造前頻率
（Hz） |
改造后頻率
（Hz） |
綜合節(jié)約功率
（KW） |
|
1500 |
50 |
30 |
875 |
|
2100 |
50 |
36.8 |
562.5 |
|
2400 |
50 |
44.8 |
250 |
|
3000 |
50 |
49.5 |
187.5 |
由于凝結(jié)水泵在設(shè)計時留有很大余量,實測結(jié)果50%負(fù)荷時節(jié)能率為70%，滿負(fù)荷時節(jié)能率也達(dá)15%。節(jié)能效果十分明顯。同時，電機(jī)變頻啟動時，啟動電流平穩(wěn)上升,電機(jī)啟動非常平穩(wěn)
5、節(jié)能效益計算：
全年發(fā)電機(jī)組運行時間按7200小時計算，其中雙泵運行時間和單泵運行時間各占一半，發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷、80%負(fù)荷、70%負(fù)荷、50%負(fù)荷運行時間均為1800小時，電費成本為0.2/元度
機(jī)組滿負(fù)荷時，在變頻泵運行情況下，年至少節(jié)省電費：67320元
機(jī)組80%負(fù)荷時，在變頻泵運行情況下，年至少節(jié)省電費：90000元
機(jī)組70%負(fù)荷時，在變頻泵運行情況下，年至少節(jié)省電費：202500元
機(jī)組50%負(fù)荷時，在變頻泵運行情況下，年至少節(jié)省電費：315000元
在滿負(fù)荷全年運行至50%負(fù)荷全年運行情況下，投入一臺北京合康億盛公司生產(chǎn)的國產(chǎn)高壓變頻器后，全年可節(jié)約電費平均達(dá)674820元左右。
6、結(jié)束語
變頻器至投入以來，運行穩(wěn)定。而且HIVERT系列變頻器功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，大于電機(jī)功率因數(shù)0.82，減少大量無功。并且實現(xiàn)電機(jī)軟啟動，可避免因大電流啟動沖擊造成對電機(jī)絕緣的影響，提高了生產(chǎn)工藝自動化程度，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，減少電機(jī)維護(hù)量，節(jié)約檢修維護(hù)費用，同時電機(jī)壽命大幅度延長。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號