[內(nèi)容摘要] 文中介紹嘉興發(fā)電廠為了節(jié)能降耗，對(duì)水力排渣系統(tǒng)的高壓水泵進(jìn)行變頻改造。闡述高壓變頻器的具體方案、選型和變頻原理，并分析應(yīng)用高壓變頻調(diào)速產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

1、前言：
　　浙江嘉興發(fā)電廠擁有兩臺(tái)裝機(jī)容量各為300兆瓦的機(jī)組和四臺(tái)600兆瓦的機(jī)組，總裝機(jī)為6000兆瓦。其300兆瓦機(jī)組配置1025t/h燃煤鍋爐，2000年將鍋爐干式排渣系統(tǒng)改造為水力排渣系統(tǒng)。
交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速是在現(xiàn)代微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，它不但比傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速*，而且也比調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等調(diào)速方式*。它的特點(diǎn)是調(diào)速平滑、調(diào)速范圍寬、效率高特性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械特性硬、保護(hù)功能齊全，運(yùn)行平穩(wěn)安全可靠，在生產(chǎn)過程中能獲得*速度參數(shù)，是理想的調(diào)速方式是國(guó)家重點(diǎn)推廣的節(jié)電新技術(shù)。在2005年，為節(jié)能降耗，對(duì)水力排渣系統(tǒng)的高壓水泵進(jìn)行變頻改造。
2、高壓水泵的運(yùn)行工況
　　水力排渣系統(tǒng)由底渣斗、石子煤排渣系統(tǒng)、排渣供水系統(tǒng)及脫水倉(cāng)系統(tǒng)組成。水力排渣的主要任務(wù)是將爐膛內(nèi)的底渣經(jīng)冷卻、裂化，以高壓水作動(dòng)力源，將管道中的渣水混合物送至中轉(zhuǎn)倉(cāng)。在中轉(zhuǎn)倉(cāng)出口，由渣漿泵把渣漿送至1km以外的脫水倉(cāng)，將濾出的干渣用車裝外運(yùn)，水由高壓水泵回收利用。由于國(guó)內(nèi)水力排渣計(jì)算方法有缺陷，不能滿足系統(tǒng)水再循環(huán)利用要求，需開高壓水泵維持循環(huán)zui小流量。在發(fā)電機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，鍋爐產(chǎn)生的灰渣也會(huì)隨之發(fā)生變化，高壓水的用量也會(huì)不同。因而，高壓水泵每天約有15小時(shí)不需要滿負(fù)荷出力，處于大馬拉小車狀態(tài)下運(yùn)行（今后爐底攝像頭投用正常后，不沖洗時(shí)間將由15小時(shí)增到18小時(shí)），增加了發(fā)電成本。因此，根據(jù)本公司實(shí)際應(yīng)用情況，我們通過改進(jìn)高壓水泵控制方式，使水力排渣系統(tǒng)運(yùn)行更加合理、可靠。將高壓水泵的電機(jī)控制改為高壓變頻器控制，通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速來平衡水力系統(tǒng)，保證水力資源的利用充分，減少二次污染；提供平滑、無級(jí)的電動(dòng)加速，減少因離心泵突然啟、停時(shí)產(chǎn)生液流喘振，對(duì)保證機(jī)組出渣和節(jié)能均有重要意義。
3、具體方案的選擇及選型
3.1具體方案的選擇
在選擇調(diào)速方案時(shí)，我們從節(jié)省投資的角度曾考慮過使用調(diào)速型液力偶合器，但由于液力耦合器使用中維護(hù)工作量大，安裝施工周期長(zhǎng)，將影響正常生產(chǎn)，我們放棄了該方案。通過詳細(xì)的調(diào)研，考慮到技術(shù)的*性和產(chǎn)品的成熟度，zui終決定采用高壓變頻調(diào)速器對(duì)高壓水泵進(jìn)行調(diào)速改造。面對(duì)當(dāng)今國(guó)內(nèi)外的眾多高壓變頻產(chǎn)品（如：羅賓康、利德華福、AB、西門子等），專業(yè)人員對(duì)這一新技術(shù)進(jìn)行了全面慎重的考察論證，zui后決定采用國(guó)產(chǎn)高電壓、大功率變頻調(diào)速裝置，原因如下：
　　1、目前國(guó)產(chǎn)高壓大功率變頻器已具備和國(guó)外產(chǎn)品相抗衡的技術(shù)水平；
　　2、性價(jià)比高于國(guó)外同類產(chǎn)品。
　　我公司zui終選用了國(guó)內(nèi)實(shí)力雄厚的北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的6kV 高壓變頻器。
3.2產(chǎn)品選型
（1） 適用于高壓水泵的電機(jī)為6kV，容量為450kW，選用高－高變頻器調(diào)速方案。
由于運(yùn)行方式不同時(shí)，變頻器容量的計(jì)算方式和選擇方法不同。選擇變頻器容量時(shí)，變頻器的額定電流是一個(gè)關(guān)鍵量。變頻器的容量按異步電動(dòng)機(jī)的額定電流和運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的zui大工作電流來選擇。此時(shí)，變頻器應(yīng)同時(shí)滿足以下三個(gè)條件：


上述式中：PM、η、cosφ、UM、IM分別為電動(dòng)機(jī)輸出功率、效率（取0.85）、功率因數(shù)（取0.75）、電壓（V）、電流（A）。K：電流波形的修正系數(shù)（PWM方式取1.05～1.1）。PCN：變頻器的額定容量（KVA）。ICN：變頻器的額定電流（A）。
（2） 一次接線方案：采用“一拖一”帶工頻旁路方案。
為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，為變頻器同時(shí)加裝工頻旁路裝置，變頻器異常時(shí)，變頻器停止運(yùn)行，電機(jī)可以直接手動(dòng)切換到工頻下運(yùn)行。工頻旁路由3個(gè)高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成（見圖，其中QF為甲方原有高壓開關(guān)）。要求QS2不能與QS3同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖。變頻運(yùn)行時(shí)，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運(yùn)行時(shí)，QS3閉合，QS1和QS2斷開。為了實(shí)現(xiàn)變頻器故障的保護(hù)，變頻器對(duì)6KV開關(guān)QF進(jìn)行聯(lián)鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF，要求對(duì)QF的合分閘電路進(jìn)行適當(dāng)改造。工頻旁路時(shí)，變頻器應(yīng)允許QF合閘，撤消對(duì)QF的跳閘信號(hào)，使電機(jī)能正常通過QF合閘工頻啟動(dòng)。


（3） 控制原理：用PLC實(shí)現(xiàn)壓力PI調(diào)節(jié)控制，保證管道壓力恒定。經(jīng)控制系統(tǒng)處理，輸出4-20mA的速度給定信號(hào)給變頻器，實(shí)現(xiàn)泵轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速系統(tǒng)配置上位機(jī)，上位機(jī)可安裝在控制室，通過上位機(jī)可以對(duì)變頻器進(jìn)行啟動(dòng)、停機(jī)、調(diào)速等控制，并可在上位機(jī)上顯示變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)。為了保障調(diào)速系統(tǒng)的可靠性，在操作臺(tái)配置對(duì)變頻器的控制按鈕，也可以對(duì)變頻器實(shí)施啟動(dòng)、停機(jī)、加速和減速控制。
（4） 隔離開關(guān)、泵出、入口閥門、泵故障等聯(lián)鎖保護(hù)。
（5） 設(shè)置過流保護(hù)，泵低速保護(hù)。
（6） 保護(hù)行為：用PLC實(shí)現(xiàn)，為了提高系統(tǒng)的可靠性，盡可能減少對(duì)變頻器停送電次數(shù)。　　
4、HARSVERT-A06/130型高壓變頻器原理及特點(diǎn)
　　Harsvert-A系列高壓變頻器是由北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)，該系統(tǒng)為電壓源型高壓變頻器，具有運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、輸出波形好、輸入電流諧波低、功率因數(shù)高、效率高等特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，不必采用輸入諧波濾波器，功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)。
　　Harsvert-A系列高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱CSML）。由若干個(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,高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠；
　　電網(wǎng)電壓（6kV）經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電機(jī)。6kV輸出電壓每相有7個(gè)額定電壓為480V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓3450V，線電壓達(dá)到6kV左右，每個(gè)功率單元承受全部的電機(jī)電流，但只提供1/7的相電壓和1/21的輸出功率。
　　每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用延邊三角形接法，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的，即使在電動(dòng)機(jī)電流出現(xiàn)不平衡的情況下，也能保證各相位組的電流基本相同，達(dá)到理想的諧波抵消效果。對(duì)6kV輸出電壓，給21個(gè)功率單元供電的21個(gè)二次繞組每3個(gè)一組，分為7個(gè)不同的相位組，互差60/7度電度角，形成42脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真低于4%，輸入功率因數(shù)可以達(dá)到0.95以上。
　　 逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯(cuò)開一定電角度，實(shí)現(xiàn)多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，功率單元采用較低的開關(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗，且輸出電平數(shù)增加。6kV輸出電壓輸出相電壓為15電平，線電壓為29電平，輸出等效開關(guān)頻9KHz，電平數(shù)和等效開關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱、噪音、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等都大大降低，可以直接用于普通異步電機(jī)，不會(huì)產(chǎn)生輸出電纜較長(zhǎng)時(shí)行波反射引起的浪涌電壓增加而造成電機(jī)絕緣破壞問題。
　　采用功率單元串聯(lián)，而不是功率器件串聯(lián)，器件承受的zui高電壓為單元內(nèi)直流母線的電壓，器件不必串聯(lián)，不存在器件串聯(lián)引起的均壓?jiǎn)栴}。直接使用低壓IGBT功率模塊，器件工作在低壓狀態(tài)，不易發(fā)生故障；6kv變頻器共使用42對(duì)1200V低壓IGBT，低壓IGBT門極驅(qū)動(dòng)功率較低，驅(qū)動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單，開關(guān)頻率很低，不必采取均壓電路和浪涌吸收電路，系統(tǒng)效率高，同時(shí)功率單元采用電容濾波的結(jié)構(gòu)，總體技術(shù)成熟可靠。
　　變頻器可以承受30%的電源電壓下降而繼續(xù)運(yùn)行，變頻器的6KV主電源*失電時(shí)，變頻器可以在3秒內(nèi)不停機(jī)，能夠全面滿足變頻器動(dòng)力母線切換時(shí)不停機(jī)的需要。另外6KV主電源欠壓時(shí)可不停機(jī)，自動(dòng)降額，電壓正常后再恢復(fù)到原來速度。
　　功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，同一變頻器內(nèi)所有功率單元結(jié)構(gòu)上*一致，可以互換，維修非常方便，更換功率單元只要拆除3個(gè)交流輸入端子和2個(gè)交流輸出端子，以及1個(gè)光纖插頭，就可抽出整個(gè)單元。當(dāng)某一功率模塊發(fā)生故障時(shí)，用戶在5分鐘內(nèi)，經(jīng)過簡(jiǎn)單的操作就可以用備用功率模塊進(jìn)行更換，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，所有功率模塊均有兩個(gè)指示燈，一個(gè)是帶電指示，另一個(gè)是運(yùn)行指示，模塊的運(yùn)行狀態(tài)一目了然。
　　功率單元為多極模塊串聯(lián)，某個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)旁路運(yùn)行，便于現(xiàn)場(chǎng)采取對(duì)應(yīng)措施；即在每個(gè)功率單元輸出端之間并聯(lián)旁路電路，當(dāng)功率單元故障時(shí)，封鎖對(duì)應(yīng)功率單元IGBT的觸發(fā)信號(hào)，然后讓旁路SCR導(dǎo)通，保證電機(jī)電流能通過，仍形成通路。為保證三相輸出電壓對(duì)稱，在旁路故障功率單元的同時(shí)，另外兩相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)功率單元也同時(shí)旁路。對(duì)于6kv的變頻器每相由7個(gè)功率單元串聯(lián)而成，當(dāng)每相1個(gè)單元被旁路后，每相剩下6個(gè)功率單元，輸出zui高電壓為額定電壓的86%，輸出電流仍可達(dá)到*，輸出功率仍可達(dá)到86%左右，對(duì)于水泵負(fù)載轉(zhuǎn)速仍可達(dá)92%以上，基本能維持生產(chǎn)要求，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
　　輸入干式變壓器免維護(hù)，可靠性高。變壓器的防護(hù)與變頻器共同防護(hù)為IP21防護(hù)外殼，可防止直徑大于12mm的固體異物及鼠、蛇、貓、雀等小動(dòng)物進(jìn)入，造成短路停電等惡性故障，為帶電部分提供安全屏障。
　　率（>96%），輸入功率因數(shù)高（>0.95），電流諧波少（<4%），無須功率因數(shù)補(bǔ)償/諧波抑制裝置；輸出階梯正弦PWM波形，無須輸出濾波裝置，對(duì)電纜、電機(jī)絕緣無損害，電機(jī)諧波少，減少軸承、葉片的機(jī)械振動(dòng)，輸出線可以長(zhǎng)達(dá)1000米；減少配件的損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。
　　高的調(diào)速精度和的輸出頻率分辨率（0.01HZ），輸出頻率0.5Hz—120Hz連續(xù)可調(diào)，*可以滿足電力機(jī)組生產(chǎn)工藝工況的要求；電機(jī)可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)，轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制；啟動(dòng)電流小于電機(jī)的額定電流；電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間可連續(xù)可調(diào)，減少了對(duì)電網(wǎng)影響。
　　變頻器預(yù)裝具有自主版權(quán)的全中文操作和監(jiān)控軟件，本機(jī)及遠(yuǎn)程啟停操作、功能設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、故障查詢、運(yùn)行記錄查詢等均采用全中文操作界面；配備彩色液晶觸摸顯示屏，可實(shí)現(xiàn)完整的通用變頻器參數(shù)設(shè)定功能，可打印輸出運(yùn)行報(bào)表；調(diào)整觸摸式面板，可隨時(shí)顯示電壓及電流波形、頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速，可非常直觀地顯示電機(jī)在任何時(shí)間的實(shí)時(shí)狀態(tài)；具有很強(qiáng)的診斷、指示能力：可檢測(cè)變頻器各部分的運(yùn)行狀態(tài)，完整的故障監(jiān)測(cè)電路、的故障定位，所有的功率模塊均為智能化設(shè)計(jì)，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，將故障信息返回到主控單元中，主控單元會(huì)及時(shí)將主要功率元件IGBT關(guān)斷，保護(hù)主電路，同時(shí)在中文人機(jī)界面上定位顯示故障位置、類別，使故障點(diǎn)一目了然，適應(yīng)于一般操作工人和維護(hù)人員的技能水平。
　　變頻器直接內(nèi)置有PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場(chǎng)需要；與機(jī)組的DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正的無縫接口。
　　采用外部模擬信號(hào)控制變頻器輸出頻率時(shí)（變頻器作為DCS的執(zhí)行機(jī)構(gòu)），如果發(fā)生模擬信號(hào)掉線或短路時(shí)，變頻器可以提供報(bào)警信號(hào)，同時(shí)保持原有輸出頻率不變。
　　變頻器控制電源可接收交流220V和直流220V輸入，并配備有UPS，在控制電源發(fā)生故障時(shí)可以繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)提供報(bào)警。
5、 效益分析：
　　從節(jié)電的角度考慮，因節(jié)電而直接帶來的經(jīng)濟(jì)效益與機(jī)組的年運(yùn)行時(shí)間、平均負(fù)荷率、電費(fèi)水平等因素有關(guān)。假設(shè)渣系統(tǒng)的年運(yùn)行時(shí)間為6000小時(shí)，平均負(fù)荷率80%，廠用電為0.37元每度，高壓水泵總耗電在變頻改造前后分別占發(fā)電量的2.5%和1.4%，則：
　　改造前每年機(jī)組發(fā)電量為100000×0.8×6000=48000萬(wàn)度，高壓水泵總耗電為48000×2.5%=1200萬(wàn)度，改造后高壓水泵總耗電為48000×1.4%=672萬(wàn)度，改造前后高壓水泵節(jié)約用電為1200-672=528萬(wàn)度，折算電費(fèi)為195萬(wàn)元。
　　實(shí)際上，機(jī)組采用變頻調(diào)速改造后，由于對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)，對(duì)電機(jī)、水泵、閥門、高壓開關(guān)等設(shè)備以及電網(wǎng)的啟動(dòng)沖擊大大減少，它們的使用壽命得以延長(zhǎng)，可以大幅度節(jié)省這些設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。另外，變頻器高精度、寬范圍的無級(jí)調(diào)速功能，不僅全面滿足了電廠峰荷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的需要，而且變頻器屬于高度智能化的新型高科技設(shè)備，與電廠以太網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正的無縫連接，提高了生產(chǎn)效率和機(jī)組自動(dòng)化水平，大大改善了電廠的工作和生產(chǎn)環(huán)境。

參考資料：
　1、吳忠智，吳加林. 變頻器應(yīng)用手冊(cè)第2版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002
2、吳氏強(qiáng)，泵與風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)問答 中國(guó)電力出版社
3、HARSVERT-A系列高壓變頻器說明書

劉劍平 男 1970年7月生，現(xiàn)在嘉興發(fā)電有限責(zé)任公司設(shè)備管理部 從事發(fā)電廠電氣設(shè)備管理工作