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合康水冷型高壓變頻器在電動給水泵的應用

瀏覽次數: 日期:2018-1-25 13:31:17

摘要: 河南能信熱電廠2×210MW熱電聯產機組的1號機組A泵改造應用合康變頻提供的高壓純水冷變頻調速系統拖動5500kW電機進行變頻調速,以滿足不同工況下A泵發電機的啟動、發電及加速要求。

關鍵詞:變頻調速、液力耦合器、電動給水泵


引言

河南能信熱電廠2×210MW熱電聯產機組,每臺機組給水泵按2×100%額定容量計的輔機設備的電動給水泵為鍋爐供水,采用液力耦合器作為調速裝置控制。電動給水泵作為生產過程的主要輔機,其耗電量是很大的,直接影響供電煤耗、影響發電本錢、影響能源消耗。因此對電動給水泵的調節方式進行優化,對電動給水泵進行變頻改造是十分必要的。


電動給水泵工藝簡介及要求

現場電動給水泵組的基本配置為:前置泵+電動機+偶合器+主給水泵,由電動機同軸驅動。在整個電動給水泵組中,前置泵、電動機及鍋爐給水泵的效率相對穩定,但是偶合器存在較大的能耗。

設備參數如下:

表1  給水泵參數

給水泵型號

200TSBⅡ-J

項  目

單位

銘牌工況

出口流量

t/h

737

揚程

mH2O

1850

必需汽蝕余量

m

6

轉速

RPM

5010

軸功率

kW

4572

廠家

鄭州電力機械廠

表2  電動機參數

給水泵電機規范

制造廠

東元電機

型    號

YKS710-4異步電機

額定功率(kW)

5500

電壓(V)

6000

額定電流(A)

609

轉速(r/min)

1492

允許溫升(℃)

80

環境溫度(℃)

40

功率因素

0.88



表3 液力偶合器參數

廠家

上海電力修造總廠

型    號

YOT5I

項    目

單  位

數    值

輸入/輸出轉速

rpm

1495/5400

傳遞功率

kW

4700

調速范圍

rpm

25%-100%

額定轉差

%

(小于3%)

動作時間

s

<25

液力耦合調速電動給水泵是發電廠生產過程的主要輔機之一,因液力耦合器相對于定速泵+調節閥的控制方式有著無級調速的優點,但因其調速轉換效率隨著轉速降低而下降,綜合效率相對較低。另外,液力耦合器屬于轉差損耗型調速裝置,在調速的過程中,轉差功率以熱能的形式損耗在油中,額外增加了能耗。如圖1

0001.png

圖1 液耦在不同轉速時應對的效益

通過觀察,可以清楚地看到即便液力耦合給水泵能夠利用轉速調節方式控制給水量但在變負荷工況下,尤其在低負荷如給水泵轉速在69%時能量損耗就達到60%左右。而社會需求電量的方式決定了發電機組絕無可能始終維持在90%MCR以上負荷運行。

0002.png

圖2  各調節方式的能耗-流量曲線

通過上圖可知,在相同負荷下,變頻器在電動給水泵調速的能耗遠低于液力耦合器能耗。可通過變頻器改變電機轉速來實現給水泵節能目的。


高壓變頻調速技術在電動給水泵上的改造應用

此次改造僅針對河南能信熱電廠2×210MW熱電聯產機組的1號機組中常用的A泵(給水泵)進行變頻改造,B泵仍保持原有狀態不進行改造,即A泵采用高壓變頻調速方式,B泵工頻備用。給水泵變頻運行后,原調節方式保留,調速運行時,調節門100%全開,通過改變電解轉速來調節汽包水位,并保持改造后的給水泵組變頻運行潤滑油壓與工作油壓要求與改造前一致。

由于在給水泵上使用變頻驅動后,液力偶合器的輸入轉子變成了變速運行,將會導致液力偶合器內部油泵轉速降低而影響潤滑油壓力大幅度降低,滿足不了工作油壓及整個泵組的潤滑要求。所以必須對液力偶合器的油回路重新進行設計,增加一油穩壓系統,增配恒速驅動電動機,使液力偶合器滿足變頻運行時的要求,確保改造后的工作油及潤滑油的運行參數與改造前現有的運行參數一致。

改造時液偶可直接進行改造,無需返廠。改造后泵組可實現變頻、工頻運行,并保證液偶的完整性,提高了機組的運行安全性。


1. 高壓變頻器選型及性能

根據上訴電機參數,選用HIVERT-Y 06/750YW(6kV/5600kW)高壓變頻器,額定輸出電流為750A,適配 5600kW及以下高壓異步電動機,且0-50Hz加速時間不高于原液力耦合器勺管加速時間30秒。

1.1高壓變頻器主要性能指標

序號

規范

單位

參數

備注

1

使用標準


Q/SJHKY 0001-2012


2

型式及型號


HIVERT-Y06/750YW


3

安裝地點

室內

室內


4

技術方案


多級模塊串聯、交直交、高-高方式


5

對電動機要求


普通鼠籠式異步電機


6

輸出濾波器是否標準配置


否且無需


7

變頻裝置輸入側有無熔斷器


變壓器輸入側無,功率單元輸入側有


8

額定輸入電壓/允許變化范圍

kV

6kV/-20%~+15%


9

系統輸入電壓

kV

6kV


10

變頻裝置輸出電壓/變化范圍

kV

6kV/0~6kV


11

變頻裝置輸出電流/變化范圍

A

750A/0~750A


12

逆變側最高輸出電壓

kV

6kV


13

額定容量

kVA

8000kVA


14

額定輸入頻率/允許變化范圍


50 Hz/±10%


15

諧波


諧波≤4%

額定

負荷

16

變頻裝置效率


>98%

17

系統總效率(含變壓器)


>96%(額定,含變壓器)

18

可靠性指標(平均無故障工作時間)

H

40000   H


19

輸入側功率因數


≥0.96


20

控制方式


空間矢量控制,無速度傳感器矢量控制


21

控制電源


380VAC(三相四線),20kVA


22

UPS型式、參數及容量


無需


23

整流形式


36脈沖二極管全橋整流/二極管


功率元件參數/廠家


1600V/德國西門康


24

逆變形式


六單元串聯脈寬調制輸出/IGBT


功率元件參數/廠家


1700V/德國英飛凌


25

傳動象限


一、三象限


26

電隔離部分是否采用光纖電纜



27

噪聲等級


≤75dB


28

冷卻方式


水冷


冷卻器安裝位置/數量


單元內部及頂部風機2臺


冷卻器工作方式


水循環制冷


29

冷卻器平均無故障工作時間


40000H


30

過載能力


120%  2min,170%立即保護。


31

變頻器損耗

kW

126kW(單臺)


32

系統總損耗

kW

252kW(單臺)


33

標準控制連接


MODBUS或硬接線


34

模擬量信號(輸入)規格及數量


4-20mA或0-10V/2路


35

模擬量信號(輸出)規格及數量


4-20mA/4路


36

開關量信號(輸入)規格及數量


中間繼電器隔離/12點


37

開關量信號(輸出)規格及數量


中間繼電器隔離/13點


38

防護等級


IP30


39

操作鍵盤


輕觸按鍵式液晶屏


40

界面語言


英飞娱乐人機界面


41

盤前維護或盤后維護


前后維護


42

是否需要輸出濾波器


否且無需提供


43

是否提供輸出濾波器


否且無需提供


44

變壓器副邊繞組線徑


變壓器副邊繞組線徑是650mm。


45

進出線開孔位置


上開孔


46

變壓器柜與單元柜是否擺放一起



47

是否配置旁路柜



48

旁路柜(如有)擺放位置


左置


49

旁路柜(如有)是否與變頻器擺放一起



1.2 油寖式變壓器

高壓水冷變頻器采用油寖進線變壓器。絕緣等級為H級。額定容量為8000kVA。

1.3單元柜水冷循環系統

水冷系統分為純水內循環和冷卻水外循環,變頻器內部功率單元IGBT等大型電子元件產生的熱量,由純水帶到板式水-水冷卻器(以下簡稱:板式式冷卻器),再通過板式冷卻器外循環水冷、熱換熱,熱量由外循環水帶走;冷水再次進入單元繼續循環。為防止外部環境溫度引起變頻器內部有凝露現象產生,在水冷管道內加入加熱裝置。變頻器外部水溫低于25℃時,水冷系統會自動啟動加熱器,同時將散熱外水通過旁路管道直接回流,當水溫高于25℃時,自動關閉加熱器,根據溫度的大小,自動調節外水通過散熱板的流量,讓外循環水帶走內循環水的熱量。

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圖2水冷循環原理圖

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圖3 水冷系統管道示意圖

1.4冷卻方式

據現場實際情況、投資、運營、可靠性及維護成本變頻器單元采用水-水冷卻方式,變壓器采用油浸式油-水冷卻方式。水源采用現場輔冷水或循環水。

1.5 變頻運行控制方式

0005.png

圖5 改造后系統一次回路圖

通過上圖可知,該系統主要由QF1、QF2、QF3三臺高壓開關柜組成,變頻運行時,QF3斷開,QF1和QF2閉合。高壓電機由變頻裝置驅動,實現調速控制。變頻器出現重故障時,自動斷開QF2、QF1,合閘QF3,系統自動投入到工頻旁路運行。

工頻運行狀態下,系統可在線恢復變頻方式。斷開QF3,合閘QF1、QF2,在負載旋轉過程中投入變頻運行。QF2、QF3高壓開關之間具有互為閉鎖邏輯,確保系統安全可靠。


2.液力耦合器改造

變頻改造時,液力耦合器內部不做改動,電動給水泵組變頻運行時勺管開度100%,增加一套外置油穩壓系統,同時補充電動給水泵組低速運行時的工作油和潤滑油壓。變頻器故障時,液偶可恢復原調速狀態;此改造方式滿足電動給水泵工頻、變頻兩種模式運行。

0006.png

圖4  油穩壓系統拓撲圖

將增設的穩壓系統就近安裝在給水泵組的旁側。穩壓系統一般配置一用一備兩臺流量、壓力滿足要求(依實際工況計算)的油泵,和溢流閥、逆止閥、手動閥以及壓力表等零部件組成一個系統。

外部油泵的油量供給可以從液偶的底部油箱供給,如果電機轉速高不需要補壓的時候,該供給油通過溢油閥再回流至液偶的底部油箱中,需在箱體油箱底部打兩個孔,一個是入口,給穩壓系統提供油,該孔位位置較出口偏低一些。另一個是溢油回流至油箱中。

啟機前提前將該穩壓系統啟動,正常運行無故障后方能啟動電泵其它輔助設備。機組啟動前,同樣是先啟動輔助油泵,變頻啟動后如果壓力建立則停掉輔助油泵做備用,此時潤滑油的油壓由液偶內部機械油泵和外部穩壓系統一起供給。機組停機時,同樣先啟動輔助油泵,然后停變頻器,停高壓柜等電泵輔助設備,等電泵完全停轉后停止輔助油泵,最后停止穩壓系統電源即可。


3.DCS軟件系統改造

(1)增設給水泵變頻器各信號與原給水泵系統的兼容等軟件功能(包括畫面、操作及聯鎖保護等等)。

(2)增設液偶外部穩壓系統各信號與原系統的兼容等軟件功能(包括畫面、操作及聯鎖保護等等)。

(3)增設的液偶外置穩壓系統的啟停控制、與變頻器的聯動控制、變頻器故障或停機狀態下的聯鎖控制等

(4)增設電泵變頻器運行頻率自動跟蹤母管壓力的邏輯組態。

(5)給水泵系統變頻改造后的總體聯鎖控制的改造。

4.改造前后系統對比

0007.png

圖6 改造前系統圖

0008.png

圖7 改造后系統圖

5.電動給水泵變頻改造效果分析

1)降低了給水泵單耗,節約廠用電量。變頻改造后相比改造前可節電10%-20%。

2)電動給水泵調速更加精確:變頻器調節頻率精度為0.01HZ,對電泵可實現更精確的轉速控制,可實現1轉以內的精準控制。

3)提高自動化水平,同時也提高電廠發電工藝。

4)減少電機啟動時的電流沖擊,延長了設備的使用壽命。電機為軟啟動,對電機機械部分以及線苞無沖擊,可實現頻繁啟動。啟動沖擊少,只有額定電流0.5倍左右(工頻啟動電流是額定電流的6-7倍),對電網零沖擊。

5)減少了閥門助力損失,提高了系統的效率。給水泵變頻改造后,鍋爐給水調節處于全開狀態,減少了閥門處阻力損失,提高系統效率。

6)減低噪聲。給水泵改用變頻后,降低了水邊轉速,噪聲也大幅度地降低。

6.設備優勢

1)由于單元水冷板代替原來散熱器,使得單元外形尺寸減小,變頻器整機外形尺寸減小,節省空間;

2)解決原來強制風冷散熱受風機風壓的限制不能遠距離放置變頻器風道,水管道可以不受傳輸距離限制且體積小;

3)水冷變頻器能將系統溫度降至室溫以下,不受室溫的限制;

4)水冷變頻器不受環境限制,可一在粉塵及飄浮物的環境中正常運行。

7.節能優勢

120MW-160MW負荷期間節電率為:15.71%-28.79%,每小時節電量為:578KWh-825KWh。節能效果遠比預測的要好。

電泵占廠用電比例由原來的:2.25%-2.35%(工頻),下降到1.75%-1.85% (變頻),下降了0.5%。

電泵影響電廠煤耗量由原來的:8.1g-8.46g(工頻),下降到6.3g-6.66g(變頻),下降了1.8g。

 

結束

河南能信熱電廠2×210MW熱電聯產機組1#機組實施高壓變頻調速技術改造后,改善了電動給水泵調節系統的性能,解決了過去給水泵系統運行中的常見問題,達到節能降耗目的,對提高企業競爭力具有積極意義。


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