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案例頻道 1、前 言
目前，在我國電源結構中，火電裝機容量占74%，發電量占80%；因此火電機組及其輔機設備的節能改造工作是非常重要的。火電廠中的各類輔機設備中，風機水泵類設備占了絕大部分，而在國民經濟高速發展的當代，火電機組調峰力度也隨之加大，這些機組的負荷變化范圍很大，必須實時調節風機水泵的流量，蘊藏著巨大的節能潛力。目前調節流量的方式多為節流閥調節，他并不能大范圍調節電動機的輸出功率，所以浪費了大量的能源。隨著世界能源危機影響范圍越來越廣，人們對節約能源的意識也越來越強，我國在電力行業的改革為適應新形勢逐步的深化。降低發電成本發提高單位能耗的發電量，已成為各火電廠努力追求的經濟目標，要求也越來越迫切。而采用變速調節風機和泵類達到節能目的，已成為共識。
另外，交流高壓電機的直接起動會產生巨大的電流沖擊和轉矩沖擊，在很短的起動過程中，轉子籠型繞組及阻尼繞組將承受很高的熱應力和機械應力，致使籠條的端環斷裂。而且能造成定子繞組絕緣的機械損傷和磨損，從而導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，引起電機發熱增加。由于變頻器可以做到起動轉矩高且平滑無沖擊，對延長電動機的使用壽命，減少對電網的沖擊，保證機組正常運行是很有必要的。還有現在電廠的自動化程度不斷提高，運行工藝對輔機設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中，采用精確度很高的變頻調速可以大幅度地改善爐內的燃燒工況，從而節煤、節水，并可節省這些物料的運輸，處理能量等。有更精準得設備是必然會出現更優良的工藝，從而生產效率，這已不再簡單地局限在節能的范疇。
本文針對電廠泵類輔機的電動機的實際運行工況，介紹一個變頻改造案例。
2、宣威電廠凝結水泵
在汽輪機內做完功的蒸汽在凝汽器冷卻凝結之后，集中在熱水井中，這時凝結水泵的作用是把凝結水及時地送往除氧器中。維持凝結水泵連續、穩定運行是保持電廠安全、經濟生產地一個重要方面。
監視、調整凝汽器內的水位是凝結水泵運行中的一項主要工作。在正常運行狀態下，凝汽器內的水位不能過高或過低。當機組負荷升高時，凝結水量增加，凝汽器內的水位相應上升。當機組負荷降低時，凝汽器內水位相應降低國電云南宣威電廠凝結泵電機為6KV/1250KW電機，設計時有較大裕量，每臺機組配備二臺凝結泵，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柜間切換以實現雙電源供電，還可經旁路刀閘直接起動電動機。進出線刀閘和旁路刀閘的作用是：一旦變頻裝置出現故障，即可馬上斷開進出線刀閘，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，采用先進的功率單元串聯疊波技術、空間矢量控制的正弦波PWM調制方法、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驅動的風機、水泵類負載的調速、節能、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，主電路開關元件為IGBT。每相由5個功率單元串聯而成，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術，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；副邊繞組數量依變頻器電壓等級及結構而定，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）遠小于國家標準5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數。
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節電容充電，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 直流環節 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制（PWM）方式，控制Q1～Q4 IGBT的導通和關斷，輸出單相脈寬調制波形。每個單元僅有三種可能的輸出電壓狀態，當Q1和Q4導通時，L1和L2的輸出電壓狀態為1；當Q2和Q3導通時，L1和L2的輸出電壓狀態為-1；當Q1和Q2或者Q3和Q4導通時，L1和L2的輸出電壓狀態為0。
4、運行分析
相關數據實測結果如下：
表1 工頻和變頻調速凝結水泵的輸入功率對比
|
機組負荷
（MW） |
改造前頻率
（Hz） |
改造后頻率
（Hz） |
綜合節約功率
（KW） |
|
1500 |
50 |
30 |
875 |
|
2100 |
50 |
36.8 |
562.5 |
|
2400 |
50 |
44.8 |
250 |
|
3000 |
50 |
49.5 |
187.5 |
由于凝結水泵在設計時留有很大余量,實測結果50%負荷時節能率為70%，滿負荷時節能率也達15%。節能效果十分明顯。同時，電機變頻啟動時，啟動電流平穩上升,電機啟動非常平穩
5、節能效益計算：
全年發電機組運行時間按7200小時計算，其中雙泵運行時間和單泵運行時間各占一半，發電機組滿負荷、80%負荷、70%負荷、50%負荷運行時間均為1800小時，電費成本為0.2/元度
機組滿負荷時，在變頻泵運行情況下，年至少節省電費：67320元
機組80%負荷時，在變頻泵運行情況下，年至少節省電費：90000元
機組70%負荷時，在變頻泵運行情況下，年至少節省電費：202500元
機組50%負荷時，在變頻泵運行情況下，年至少節省電費：315000元
在滿負荷全年運行至50%負荷全年運行情況下，投入一臺北京合康億盛公司生產的國產高壓變頻器后，全年可節約電費平均達674820元左右。
6、結束語
變頻器至投入以來，運行穩定。而且HIVERT系列變頻器功率因數可達0.95以上，大于電機功率因數0.82，減少大量無功。并且實現電機軟啟動，可避免因大電流啟動沖擊造成對電機絕緣的影響，提高了生產工藝自動化程度，減輕了工人的勞動強度，減少電機維護量，節約檢修維護費用，同時電機壽命大幅度延長。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號