摘要：本文針對210MW機(jī)組鍋爐給水系統(tǒng)，應(yīng)用利德華福5.5MW級高壓超大功率變頻器代替液力偶合器機(jī)械調(diào)速，提高給水泵系統(tǒng)效率、節(jié)能降耗的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了積極探討。通過實(shí)踐證明：在既有液力偶合器調(diào)速的基礎(chǔ)上，通過
高壓變頻器應(yīng)用仍可以取得良好的節(jié)能收益。
關(guān)鍵詞：給水泵大功率高壓變頻應(yīng)用
一、項(xiàng)目現(xiàn)狀
1.1概況
大唐耒陽發(fā)電廠原名湖南省耒陽電廠，籌建于1983年，正式建廠在1987年。2002年，國家電力體制改革，在全國范圍內(nèi)成立五家發(fā)電集團(tuán)公司。因此，湖南省耒陽電廠被歸于中國大唐集團(tuán)公司，改名大唐耒陽發(fā)電廠，屬大唐集團(tuán)公司獨(dú)資企業(yè)。耒陽發(fā)電廠地處我國古代造紙發(fā)明家蔡倫的故鄉(xiāng)——湖南省耒陽市（屬衡陽市管轄），座落在耒水河畔，廠區(qū)占地260公頃，三面環(huán)水，一面靠山，是湖南省“花園式工廠”。一期工程兩臺20萬千瓦國產(chǎn)燃煤機(jī)組分別于1988、1989年投產(chǎn)發(fā)電；二期擴(kuò)建工程兩臺30萬千瓦機(jī)組分別于2003年12月、2004年6月投產(chǎn)發(fā)電，為湖南第一個百萬級火力發(fā)電廠。目前正在籌建三期擴(kuò)建工程。
耒陽電廠210MW機(jī)組鍋爐給水系統(tǒng)主要由2臺5500kW全容量給水泵、前置泵和負(fù)荷調(diào)節(jié)閥門組成。系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，改造前給水泵采用一運(yùn)一備工頻方式運(yùn)行。
針對大唐耒陽電廠給水泵節(jié)能改造的需求，我公司配合大唐先一節(jié)能科技有限公司，對大唐耒陽電廠1#機(jī)組1#給水泵進(jìn)行了變頻改造。包括液偶、油站、前置泵、變頻器冷卻等方面。
1.2給水系統(tǒng)
是指鍋爐的水系統(tǒng)，它不斷地向鍋爐供應(yīng)給水以保證正常的水循環(huán)。給水泵將除氧器的水升壓后送往高壓
加熱器，經(jīng)過給水操作臺進(jìn)入鍋爐的省煤器，省煤器將給水加熱后送往汽包，下降管把汽包的水分配到水冷壁的各個下聯(lián)箱，水冷壁吸收爐膛高溫火焰（煙氣）的輻射熱使水變成汽水混合物，汽水混合物進(jìn)入汽包進(jìn)行汽水分離，分離出來的水繼續(xù)進(jìn)行水循環(huán)，分離出來的飽和蒸汽進(jìn)入頂棚過熱器。右圖為給水系統(tǒng)示意圖：
圖二:鍋爐給水系統(tǒng)示意圖
為保證鍋爐運(yùn)行處于安全狀態(tài)，目前機(jī)組通過調(diào)節(jié)給水泵液偶輸出轉(zhuǎn)速的方式改變給水流量，控制汽水分離器液位穩(wěn)定。給水泵液力偶合器配有增速齒輪，使渦輪的轉(zhuǎn)速高于原動機(jī)的轉(zhuǎn)速，在這個較高的轉(zhuǎn)速值下向降低轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)調(diào)速運(yùn)行。
1.3給水泵改造的可選方案
1.3.1 不拆除液力偶合器方案
（1）不拆除液偶，變頻運(yùn)行時，把液偶位置開到最大，液偶相當(dāng)于一個聯(lián)軸器的作用。
（2）由于主油泵與電機(jī)同軸，采用變頻調(diào)速后，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，油泵油壓、油量不足，某電廠油泵要求潤滑油壓力不低于0.25MPa，潤滑油量不低于360 L/min；工作油壓力不低于0.25MPa，所以為滿足油泵供油，單獨(dú)配置油站。拆除原液偶主油泵，具體內(nèi)容包括油站的油管路改造，油站的基礎(chǔ)制作、安裝，油管路的連接液力偶合器主油泵葉輪拆除及改造等。
（3）配置油站：根據(jù)油量，油壓需求配置油泵及備用油泵，運(yùn)行泵故障跳閘，連鎖備用泵啟動。油站還需配置符合油泵控制要求的電氣控制箱，油溫、油壓，油量檢測裝置及其他配套附件等，檢測信號能輸出4-20mA信號。
（4）當(dāng)變頻器故障或檢修時，通過變頻器旁路切換到工頻運(yùn)行。此時還是沿用原來的運(yùn)行方式，用液偶調(diào)速。
1.3.2拆除液力偶合器方案
現(xiàn)場進(jìn)行變頻改造后，代替了原液偶調(diào)速方式，并且由于液力偶合器自身的種種弊端，考慮到長期運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此建議拆除液力偶合器。
（1）本改造方案將給水泵的液力偶合器更換為增速齒輪箱，給水泵電機(jī)用變頻器調(diào)速運(yùn)行。供貨范圍需增加一套增速齒輪箱（含輸入輸出聯(lián)軸器，增速箱安裝在電機(jī)與給水泵之間變速）。由于大部分電廠有備用給水泵，當(dāng)變頻退出時，可啟動備用泵（液偶調(diào)速），所以拆除液偶后不需要增加軟起裝置。工程改造部分需要解決拆除液偶后電機(jī)與泵之間的連接問題以及電機(jī)的潤滑油系統(tǒng)。
安裝示意圖如下所示：
（2）針對極個別電廠（如廣州某電廠）沒有配置備用泵的情況，當(dāng)一臺變頻器退出運(yùn)行時，可考慮通過提高另外一臺給水泵的給水量來滿足鍋爐給水的需求（機(jī)組同時配合給水降負(fù)荷），如果還不能滿足給水要求，則一臺給水泵切換到工頻運(yùn)行，另外一臺變頻泵提速到工頻頻率，通過給水母管閥門調(diào)節(jié)以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行（此部分需要根據(jù)鍋爐負(fù)荷與閥門及變頻器進(jìn)行聯(lián)調(diào)）。
（3）針對電廠沒有備用泵，拆除液偶后電機(jī)的啟動問題，可考慮配置軟起動裝置。
（4）針對電廠沒有備用泵的工況，變頻器改造時建議采用一拖一自動旁路方案。
1.3.3拆除液偶后的電機(jī)與給水泵聯(lián)接問題
施工說明：
方法1：將電機(jī)基礎(chǔ)前移
（1）現(xiàn)場擬采用鋼底座作為電機(jī)基礎(chǔ)，其底座均布六個底腳螺栓，并要求進(jìn)行混凝土二次灌漿；
（2）為保證設(shè)備投運(yùn)后的安全，對電機(jī)移位后與負(fù)載直聯(lián)的磨擦片接手需要重新定制；
（3）六個底腳孔采用鉆孔成型，底腳螺栓采用環(huán)氧樹脂澆注固定工藝；
（4）基礎(chǔ)完成后，需要重新進(jìn)行電機(jī)的動平衡試驗(yàn)。
方法2：電機(jī)基礎(chǔ)不動，采用長軸聯(lián)接
由于（方法1）中將電機(jī)基礎(chǔ)前移，施工工期較長，工程量較大，從現(xiàn)場了解到由于電機(jī)與給水泵之間增加了齒輪箱（齒輪箱寬度為1500mm左右），而現(xiàn)場液力偶合器安裝尺寸為2500mm左右，所以可以考慮在電機(jī)與齒輪箱之間增加一根長1米左右的軟軸或剛性軸（距離很近的話，可以使用）連接，連接軸建議安裝在電機(jī)與齒輪箱之間，不要安裝在齒輪箱與給水泵之間，因?yàn)殡姍C(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速低，這樣軸的擾動會小一些。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是不需要重新改變電機(jī)的安裝位置，工程量小，施工周期短。
耒陽電廠選擇保留液偶的解決方案。
二、給水泵及電機(jī)參數(shù)介紹
圖三: 前置泵現(xiàn)場照片
圖四: 給水泵現(xiàn)場照片
圖五: 現(xiàn)場電機(jī)照片
三、變頻器改造技術(shù)方案
3.1變頻系統(tǒng)基本配置及接線方案
電廠一臺機(jī)組配置兩臺全容量給水泵，一運(yùn)一備，本次改造將#1機(jī)組#1給水泵增加變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用一拖一帶手動旁路方式。變頻裝置與電機(jī)的連接方式如下：
圖六:變頻改造主回路示意圖
3.2 電動給水泵電機(jī)變頻改造后運(yùn)行方式
（1）保留現(xiàn)有DCS系統(tǒng)對#1電動給水泵電機(jī)的控制邏輯及其二次線，并將新增變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入電廠DCS系統(tǒng)中。
（2）正常情況下，6kV電源經(jīng)斷路器QF1、
隔離開關(guān)QS1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)隔離開關(guān)QS2送至電動機(jī)，電動機(jī)變頻運(yùn)行。變頻器接受DCS調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速控制信號調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速滿足不同負(fù)荷下的需求。
（3）當(dāng)變頻器故障退出運(yùn)行時，隔離開關(guān)QS1、QS2斷開，隔離開關(guān)QS3閉合，電動給水泵工頻運(yùn)行。隔離開關(guān)QS1、QS2的作用是：變頻器進(jìn)行維護(hù)時，有明顯的斷點(diǎn)，保障維護(hù)人員安全，非變頻器維護(hù)期，兩隔離開關(guān)處于合閘狀態(tài)。
（4）QS2與QS3不能同時閉合，在電氣上實(shí)現(xiàn)互鎖，以保證設(shè)備運(yùn)行安全。
（5）旁路柜刀閘之間使用銅排進(jìn)行電氣連接，同時也安裝了帶電顯示器。
（6）旁路柜的二次電氣盤內(nèi)有刀閘位置接點(diǎn)端子，每個刀閘至少提供4常開4常閉輔助接點(diǎn)。
（7）旁路柜柜體上有工頻、變頻運(yùn)行位置指示燈。
3.3保護(hù)配置
在變頻器出口新增一組TA（變比800/5），與給水泵中性點(diǎn)TA構(gòu)成變頻工況下的差動保護(hù)，工頻運(yùn)行時仍由原6kV開關(guān)柜內(nèi)TA與給水泵中性點(diǎn)TA構(gòu)成工頻下的差動保護(hù)；將給水泵6kV開關(guān)柜內(nèi)的原保護(hù)裝置更換為南瑞繼保的PCS-9627電動機(jī)保護(hù)測控裝置（需具備變頻差動保護(hù)功能，能實(shí)現(xiàn)各種工況下給水泵保護(hù)及測控要求）。裝置由輸入的工、變頻切換刀閘輔助接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)工、變頻狀態(tài)判別，以便自動投入相應(yīng)的差動保護(hù)。后備保護(hù)工、變頻工況下相同。保護(hù)配置示意圖：
圖七:差動保護(hù)配置示意圖
變頻器安裝地點(diǎn)：大唐耒陽發(fā)電廠#1機(jī)鍋爐房零米制粉班工作間。變頻器小室需根據(jù)變頻器尺寸結(jié)構(gòu)改建。
四、給水泵改造技術(shù)要點(diǎn)
4.1前置泵改造
前置泵方案
現(xiàn)場設(shè)備工藝位置示意圖：前置泵-----電機(jī)---液偶----給水泵。
氣蝕現(xiàn)象：泵運(yùn)轉(zhuǎn)時，液體壓力沿著泵入口到葉輪入口而下降，在葉片入口附近的K點(diǎn)上，液體壓力pK最低。此后由于葉輪對液體作功，液體壓力很快上升。當(dāng)葉輪葉片入口附近的壓力pK小于液體輸送溫度下的飽和蒸汽壓力pv時，液體就汽化。同時，使溶解在液體內(nèi)的氣體逸出。它們形成許多汽泡。當(dāng)汽泡隨液體流到葉道內(nèi)壓力較高處時，外面的液體壓力高于汽泡內(nèi)的汽化壓力，則汽泡又重新凝結(jié)潰滅形成空穴，瞬間內(nèi)周圍的液體以極高的速度向空穴沖來，造成液體互相撞擊，使局部的壓力驟然增加(有的可達(dá)數(shù)百個大氣壓)。上述這種液體汽化、凝結(jié)、沖擊、形成高壓、高溫、高頻沖擊負(fù)荷，造成金屬材料的機(jī)械剝裂與電化學(xué)腐蝕破壞的綜合現(xiàn)象稱為氣蝕。
耒陽電廠現(xiàn)場前置泵改造說明：
經(jīng)過和現(xiàn)場工程師溝通，為了防止汽蝕，他們在給水泵運(yùn)行中將最低轉(zhuǎn)速設(shè)置在3200r/min。保證前置泵5.2米的必須汽蝕余量。沒有采取將前置泵脫開單獨(dú)加電機(jī)的方式。
4.2液力偶合器改造：
（1）變頻運(yùn)行時，把液偶位置開到最大，液偶相當(dāng)于一個聯(lián)軸器的作用。
（2）由于主油泵與電機(jī)同軸，采用變頻調(diào)速后，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，油泵油壓、油量不足，油泵要求潤滑油壓力不低于0.24MPa，潤滑油量不低于400 L/min；工作油壓力不低于0.24MPa，所以為滿足油泵供油，單獨(dú)配置油站。拆除原液偶主油泵，具體內(nèi)容包括油站的油管路改造，油站的基礎(chǔ)制作、安裝，油管路的連接液力偶合器主油泵葉輪拆除及改造。
（3）配置油站：兩臺油泵（含驅(qū)動電機(jī)），一用一備，運(yùn)行泵故障跳閘，連鎖備用泵啟動。流量900升/分鐘，壓力：0.40兆帕，功率：4級37千瓦，口徑：80。油站還需配置符合油泵電機(jī)容量及控制要求的電氣控制箱，需方提供電氣控制箱所需電源。油箱，油溫、油壓，油量檢測裝置及其他配套附件等，檢測信號能輸出4-20mA信號。
（4）當(dāng)變頻器故障或檢修時，通過變頻器旁路切換到工頻運(yùn)行。此時還是沿用原來的運(yùn)行方式，用液偶調(diào)速。
圖八: 液力偶合器油站改造照片
4.3大功率變頻器設(shè)計(jì)和運(yùn)行要點(diǎn)
高壓變頻器內(nèi)部的主要逆變部分，采用的是德國優(yōu)質(zhì)品牌第四代IGBT芯片和PRIMEPACK封裝技術(shù)生產(chǎn)的高性能IGBT，其技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：
4.3.1新一代IGBT特點(diǎn)
（1）第四代IGBT改善了IGBT的動作特性，使之比第三代IGBT的動作更加柔軟；
（2）第四代IGBT在不產(chǎn)生嚴(yán)重電壓尖峰毛刺的情況下可以適應(yīng)更小的驅(qū)動電阻，實(shí)現(xiàn)了較第三代IGBT更低的開關(guān)損耗；
（3）第四代IGBT增強(qiáng)了的芯片的溫度特性，可以運(yùn)行于150℃，最高耐受溫度為175℃,而第三代IGBT只能運(yùn)行于125℃，最高耐受僅為150℃；
（4）第四代IGBT與第三代IGBT擁有一樣的短路耐受能力，可以保證工作的安全可靠；
（5）第四代IGBT與第二代第三代IGBT相比較，在功率循環(huán)壽命方面表現(xiàn)優(yōu)異，具體如下表：
（6）第四代IGBT保持了第三代IGBT的正溫度特性，易于并聯(lián)。
4.3.2器件均流問題
由于單只IGBT芯片的通流能力有限，大功率產(chǎn)品通常采用IGBT并聯(lián)來提高輸出電流能力。IGBT本身具有正溫度系數(shù)，具有自均流能力，適合并聯(lián)。為了保證設(shè)備的可靠性，元器件首先在容量計(jì)算時提高設(shè)計(jì)裕量系數(shù)，近似兩倍的余量。
采用動態(tài)均流和靜態(tài)均流技術(shù)，降低IGBT的飽和壓降Vce(sat)、反并聯(lián)二極管的正向壓降Vf對靜態(tài)均流效果的影響；以及IGBT的跨導(dǎo)gfs和柵極－發(fā)射級閾值電壓Vge_th、反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)特性對動態(tài)均流效果的影響。
4.3.3 器件散熱問題
在超大功率變頻器中，發(fā)熱功率密度遠(yuǎn)大于常規(guī)變頻器，采用常規(guī)的散熱結(jié)構(gòu)無法滿足高密度散熱的需要。為此我們采用特殊的散熱結(jié)構(gòu)及布局設(shè)計(jì)，提高散熱功率密度，優(yōu)化熱場分布，以避免IGBT結(jié)溫過高導(dǎo)致器件損壞。
4.3.4 大電流電磁噪聲抑制問題
IGBT開關(guān)動作時，在母排寄生電感上產(chǎn)生的尖峰電壓是造成IGBT損壞的一個主要原因。該電壓正比于工作電流、寄生電感、反比于IGBT動作時間。由于IGBT動作時間在不同電流下變化很小，在設(shè)備電流增大時，尖峰電壓將隨之等比例增加。IGBT并聯(lián)的主電路結(jié)構(gòu)造成線路感抗差異，這些感抗的不同將嚴(yán)重影響IGBT的動態(tài)工作特性，采用對稱型主電路結(jié)構(gòu)，大電流噪聲得到有效抑制。5、冷卻問題，大功率變頻器由于變頻器發(fā)熱量占到了額定功率的3-4%，所以發(fā)熱量是必須要考慮的問題。直接影響到設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。
大唐耒陽電廠5.5MW給水泵變頻器采用該項(xiàng)目冷卻方式采用空水冷卻裝置型號：BLH-CK-260。制冷功率達(dá)260KW，現(xiàn)場環(huán)境很干凈。
圖九:空水冷現(xiàn)場圖片
1、變頻器出口風(fēng)道 2、變頻器室外風(fēng)道 3、空水冷增壓風(fēng)機(jī)
4、空水冷配電控制箱 5、空水冷室內(nèi)進(jìn)風(fēng)口
4.3.5 變頻器選用
針對耒陽電廠給水泵電機(jī)和負(fù)載特性。北京利德華福電氣技術(shù)有限公司提供型號為：HARSVERT-VA06/600，額定容量為7000KVA變頻器
4.3.6 DCS控制改造：
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制系統(tǒng)安全可靠，其控制電源采用AC220V和DC220V，雙路供電，互為備用，實(shí)現(xiàn)無擾切換，確保控制電源的穩(wěn)定。
變頻裝置具有與現(xiàn)場分散控制系統(tǒng)DCS的用戶接口，變頻裝置根據(jù)DCS控制指令，控制電動機(jī)的啟動、停止，控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；變頻裝置通過硬連接線方式向DCS反饋?zhàn)冾l裝置的主要狀態(tài)信號和故障報警信號。在現(xiàn)有
DCS系統(tǒng)中增加給水泵變頻器的控制功能。
圖十:DCS畫面截圖
圖十一: 人機(jī)界面截圖(變頻器200MW負(fù)荷運(yùn)行)
五、改造后項(xiàng)目收益總結(jié)：
5.1項(xiàng)目效果總結(jié)
（1）加裝了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，電機(jī)可通過變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動，改善了電機(jī)的啟動性能，延長了電機(jī)的使用壽命；同時因?yàn)殡姍C(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動，大大降低了電機(jī)的啟動電流，減小了電機(jī)啟動對廠用電的沖擊。
（2）電機(jī)工頻運(yùn)行時，實(shí)際運(yùn)行功率因數(shù)遠(yuǎn)低于額定值，采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)后，電源側(cè)的功率因數(shù)可提高到0.95以上，大大的減少無功功率的吸收，進(jìn)一步節(jié)約上游設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。
（3）采用變頻調(diào)節(jié)后，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能；轉(zhuǎn)速降低，主設(shè)備及相應(yīng)輔助設(shè)備如軸承等磨損較前減輕，維護(hù)周期、設(shè)備運(yùn)行壽命延長；
（4）采用變頻調(diào)節(jié)后，電機(jī)運(yùn)行電流降低較大，節(jié)能率根據(jù)負(fù)荷變化在10%-30%之間，達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期效果。
（5）設(shè)備運(yùn)行節(jié)能效果好，變頻器小室溫度穩(wěn)定在28℃左右，冷卻系統(tǒng)冷卻效果好。
（6）該設(shè)備目前已運(yùn)行兩年，從未出現(xiàn)故障，從未影響用戶生產(chǎn)。在湖南大唐華銀集團(tuán)受到好評。
大唐耒陽電廠屬于調(diào)峰機(jī)組電廠負(fù)荷變化較大，引風(fēng)機(jī)變頻器改造項(xiàng)目為電廠建成后投入，機(jī)組年運(yùn)行大約250天。
變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)如下：
2013.12.1日現(xiàn)場考察時機(jī)組負(fù)荷200MW，引風(fēng)機(jī)變頻器運(yùn)行頻率44.39HZ。輸入電流386.19A，輸出電流436.4A，輸入電壓6.05KV，輸出電壓5.55KV。
5.2、節(jié)能率數(shù)據(jù)分析（數(shù)據(jù)來源，用戶關(guān)于該項(xiàng)目竣工報告）
2.1 #1給水泵進(jìn)行變頻改造后節(jié)能效果明顯，在140MW負(fù)荷下能達(dá)到17.3%的節(jié)能率。
2.2 #1給水泵進(jìn)行變頻改造后節(jié)能效果明顯，在200MW負(fù)荷下能達(dá)到5.57%的節(jié)能率。
經(jīng)過數(shù)據(jù)加權(quán)分析計(jì)算，給水泵改造后綜合節(jié)電率在10%-15%之間，效益非常明顯。
