一、引言

　　本文以國產多電平型高壓變頻器在大唐寧德電廠凝結水泵的應用為例，分別對凝結水泵應用高壓變頻器前后的運行工況、基本原理及注意事項進行闡述，并通過電耗對比試驗，對凝結水泵變頻調節和傳統調節閥門調節的節能效果進行比對，進而說明，超超臨界機組采用高壓變頻器對凝結水泵進行調速節能改造的應用方法，具有投資省、見效快等特點。

　　超超臨界燃煤發電機組具有煤耗低、技術含量高、環保性能好、節約資源的特點，必將是今后我國火電機組的發展方向。大唐寧德電廠二期工程為2×660MW超超臨界發電機組，分別于2008年12月和2009年6月投入商業運行。自投產以來，機組各項運行指標良好。2臺機組各配置2臺100%容量的多級離心式凝結水泵，凝結水系統原設計運行方式為兩臺100%容量定速凝結泵互為備用，即由定速電動機驅動，一臺運行，一臺備用。凝結水流量靠除氧器上水調節門調節，并配備旁路以保證凝結泵在各種工況下安全運行。正常運行方式下，凝結水泵一臺運行一臺投備用，當運行凝結泵出現故障時，另外一臺自動投入運行。在負荷變動時，通過除氧器上水調節門開度來控制除氧器水位，這就造成較大的節流損失。在啟停機及低負荷時，為了維持凝結泵最小流量還要打開旁路門，造成能量白白流失。另外，即便機組處于滿負荷運行狀態，由于設計留有較大的裕量，除氧器上水調節門也不能處于全開位置。采用凝結泵定速運行，系統存在以下問題：

　　（1） 閥門調調節節流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統效率低，造成能源的浪費。

　　（2） 當流量降低，位開度減小時，調節閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴重，造成能耗增加。

　　（3） 長期10～40％低閥門開度，加速閥體自身磨損，導致閥門控制特性變差，并造成凝結水附近管道震動較大，對安全生產有極大影響。

　　（4） 管網壓力過高威脅系統設備密封性能，嚴重時導致閥門泄漏，不能關嚴，凝結泵出口精處理器泄露等情況發生。

　　（5） 設備使用壽命短、日常維護量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費。

　　如果采用高壓變頻器對凝結泵電機進行變頻控制，實現除氧器水流量的變負荷調節。除氧器上水調節門可以始終處于全開的狀態，而且旁路門始終處于關閉狀態，從而避免上述的各種功率損失。除此之外，變頻器可以使電動機實現軟啟動，避免電動機直接啟動引起的電網沖擊和機械沖擊，大大延長電機的壽命、減小管路振動、提高系統的可靠性。這樣，不僅解決了控制閥調節線性度差、純滯延大等難以控制的缺點，而且提高了系統運行的可靠性；更重要的是減小了因調節閥門孔口變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了系統對管路密封性能的破壞，延長了設備使用壽命，維護量減小，改善了系統的經濟性，節約能源，為降低廠用電率提供了良好的途徑。

　　國家將能源利用效率列為重中之重，主要目標是到2010年單位GDP的能源消耗減少20％。其中，每1萬元GDP標準煤消耗量應減少到0.98噸；單位GDP的能耗每年必需減至4．4％；單位工業附加值的水資源消耗必需減少30％；主要污染物排放應減少10％。為此，國家制定并實施了《節能中長期專項規劃》，確定了“十一五”期間能耗降低目標。國資委和原國家環保總局就節能減排指標還分別與國內五大發電集團公司簽訂了責任狀，將能源消耗納入企業綜合評價和年度考核，按照“一票否決”制，實施節能目標責任制和問責制。

　　大唐寧德電廠作為大唐集團的代表性企業，積極響應國家節能減排、建設資源節約型社會的重要政策，09年我們先后對兩臺機組凝結泵系統進行了變頻改造。一年多來機組運行實踐表明，改造后凝結水系統各項安全經濟性指標達到了預期的目標，凝結泵變頻改造工作取得了成功。

      二、高壓變頻調速技術

　　2.1 水泵負載調速節能原理

　　變頻調速在水泵應用上和風機有所區別，在很多場合，負載管路特性的改變是用戶用水量減少（即用戶人為關閥）造成的。水泵在調速過程中還往往要求壓力恒定，這時水泵的工作點變化如下圖1所示：

　　流量由Q1變為Q2時，如果水泵定速運行，工作點將由A點變為B點，壓力將升高，威脅管網安全；如果通過調速方式，水泵工作點將由A點變為C點，在提供需要流量的同時，保持壓力不變。水泵在B、C兩點的輸出功率差為：PB －PC＝（H3－H2）×Q2。

　　在A、C兩點，盡管水泵速度不同，但由于在兩種情況下水泵所承擔的流量不同，其出口壓力和外管網壓力仍然保持平衡。由于壓力平衡的需要，水泵并聯運行時，調速水泵的速度不能低于N3，否則將出現根本不對外出水的現象。非但不節能，還出現水泵空轉耗能的現象。

　　如果在管網特性不變的系統中進行水泵調速，并且對水壓沒有要求，這種情況下節能效益比恒壓供水要顯著得多。

　   2.2 變頻調速原理

　　變頻調速是通過改變電源頻率來調節電動機轉速的。對于異步電動機而言，設f為定子電源頻率，s為轉差率，p為磁極對數，n為轉速，按照電機學的基本原理，電機的轉速滿足如下的關系式：

　　由上式可見，電機的同步轉速n0（n0=60f/p）正比于電機的運行頻率f，由于轉差率s一般情況下比較小（0~0.05），電機的實際轉速n約等于電機的同步轉速n0，所以改變電機的電源頻率f，就能改變電機的實際轉速。

　　變頻調速就是通過改變輸入到交流電機的電源變頻，從而達到調節交流電動機的輸出轉速的目的。即變頻調速系統是從電網直接接收工頻50 Hz的交流電，經變頻器，將輸入的工頻交流電變換成為變頻幅值都可調節的交流電直接輸出到交流電動機，實現交流電動機的變速運行。

　　2.3 高壓變頻器特點

　　變頻器是運動控制系統中的功率變換器。目前，我國高壓變頻器呈現三大趨勢：

　　（1）功率單元串聯多電平技術依然是市場主流；

　　（2）向大功率方向發展；

　　（3）隨著高壓變頻技術的成熟，將大幅拓展工藝控制對于變頻調速的需求。

　　高壓變頻不像低壓變頻那樣具有成熟的一致性的主電路拓撲結構，而是限于功率器件的電壓耐量和高壓使用條件的矛盾，國內各變頻生產廠商，采用不同的功率器件和不同的主電路結構，以適應各種拖動設備的要求，因而在各項性能指標和適應范圍上也各有差異。

　　高壓變頻器一般可分為兩大類：

　　（1）交—交變頻器（無直流環節）

　　（2）交—直—交變頻器（有直流環節）

　　其中交—直—交變頻器又可根據直流環節采用大電感以平抑電流脈動的變頻器稱為電流源型變頻器，直流環節采用大電容抑制電壓波動的變頻器則稱為電壓源型變頻器。圖2所示為三種高壓變頻器框圖。

　　無論何類變頻器，判斷其優劣，首先要看其輸出交流電壓的諧波對電機的影響；其次要看對電網的諧波污染和輸入功率因數；再次要看其本身的能量損耗（即效率）如何。

　　目前，市場上眾多生產廠家推出了各種原理和結構各異的高壓變頻器，選擇一種適用于火電廠風機和水泵變頻調速改造的產品是非常重要的。實踐經驗表明：單元串聯多平電壓源型變頻器是火電廠風機和水泵變頻調速改造的首選。這種變頻器采用的拓撲結構由美國羅賓康公司率先開發研制，所以又稱羅賓康結構。國內廠商包括利德華福、東方日立以及微能科技等公司均采用這種主電路結構。其結構特點是：

　　（1）在輸出逆變部分采用了具有獨立電源的單相橋式SPWM逆變器的直接串聯疊加，不存在器件均壓的問題；

　　（2）在輸入整流部分采用了多相多重疊加整流技術，可以降低開關損耗提高等效開關頻率，從而減小輸出諧波、降低噪聲和電動機的脈動轉矩；

　　（3）在結構上采用了功率單元模塊化技術，雖然使元件數目增加，但由于IGBT驅動功率低可以使變頻器的效率高達96%以上。

　　（4）這些技術的采用使得這種變頻器驅動功率小、總體效率高、諧波污染最小，堪稱完美無諧波變頻器。單元串聯多電平電壓源型變頻器的主要優點是：

　　①由于采用功率單元串聯，可采用技術成熟，價格低廉的低壓IGBT組成逆變單元，通過改變聯單元的個數適應不同的輸出電壓要求；

　　②完美的輸入、輸出波形，可以降低電機脈動轉矩，使其能適應任何場合及電動機使用，對電機電纜長度無特殊要求；

　　③由于多功率單元具有相同的結構及參數，便于將功率單元做成模塊化，實現冗余設計，在個別單元故障時可以通過旁路功能使系統能夠正常或降額使用；

　　④變頻器可承受-35電源電壓降低和5個周波的電源喪失，能夠適應發電廠廠用電系統工作和備用之間電源切換、電動給水泵等大負荷啟動時造成的電壓波動。

　　2.4 單元串聯多電平型高壓變頻調速系統結構

　　我公司本次改造采用利德華福HARSVERT-A系列高壓變頻器，其調速系統采用多電平串聯的結構控制方式，系統結構如圖3所示。系統主要有移相變壓器、功率單元、旁路單元組成。6kV系列有5個功率單元，每5個功率單元串聯構成一相，每個功率單元結構上完全一致，可以互換。串聯方式采用星型接法，中性點浮空。每個功率單元由電網電壓經移相變壓器的次級繞組供電，所有功率單元都通過光纖接收來自同一個中央控制器的指令，以調節輸出電壓，功率單元輸出電壓串聯后得到可變頻率的高壓電供給電動機。