[摘要] 文中介紹嘉興發電廠為了節能降耗，對水力排渣系統的高壓水泵進行變頻改造。闡述高壓變頻器的具體方案、選型和變頻原理，并分析應用高壓變頻調速產生的經濟效益。
[關鍵詞] 水渣系統 變頻 應用

1、前言
　　浙江嘉興發電廠擁有兩臺裝機容量各為300兆瓦的機組和四臺600兆瓦的機組，總裝機為6000兆瓦。其300兆瓦機組配置1025t/h燃煤鍋爐，2000年將鍋爐干式排渣系統改造為水力排渣系統。
　　交流電動機變頻調速是在現代微電子技術基礎上發展起來的新技術，它不但比傳統的直流電機調速優越，而且也比調壓調速、變極調速、串級調速等調速方式優越。它的特點是調速平滑、調速范圍寬、效率高特性好、結構簡單、機械特性硬、保護功能齊全，運行平穩安全可靠，在生產過程中能獲得最佳速度參數，是理想的調速方式是國家重點推廣的節電新技術。在2005年，為節能降耗，對水力排渣系統的高壓水泵進行變頻改造。

2、高壓水泵的運行工況
　　水力排渣系統由底渣斗、石子煤排渣系統、排渣供水系統及脫水倉系統組成。水力排渣的主要任務是將爐膛內的底渣經冷卻、裂化，以高壓水作動力源，將管道中的渣水混合物送至中轉倉。在中轉倉出口，由渣漿泵把渣漿送至1km以外的脫水倉，將濾出的干渣用車裝外運，水由高壓水泵回收利用。由于國內水力排渣計算方法有缺陷，不能滿足系統水再循環利用要求，需開高壓水泵維持循環最小流量。在發電機組負荷變化時，鍋爐產生的灰渣也會隨之發生變化，高壓水的用量也會不同。因而，高壓水泵每天約有15小時不需要滿負荷出力，處于大馬拉小車狀態下運行（今后爐底攝像頭投用正常后，不沖洗時間將由15小時增到18小時），增加了發電成本。因此，根據本公司實際應用情況，我們通過改進高壓水泵控制方式，使水力排渣系統運行更加合理、可靠。將高壓水泵的電機控制改為高壓變頻器控制，通過調節水泵轉速來平衡水力系統，保證水力資源的利用充分，減少二次污染；提供平滑、無級的電動加速，減少因離心泵突然啟、停時產生液流喘振，對保證機組出渣和節能均有重要意義。

3、具體方案的選擇及選型
3.1具體方案的選擇
　　在選擇調速方案時，我們從節省投資的角度曾考慮過使用調速型液力偶合器，但由于液力耦合器使用中維護工作量大，安裝施工周期長，將影響正常生產，我們放棄了該方案。通過詳細的調研，考慮到技術的先進性和產品的成熟度，最終決定采用高壓變頻調速器對高壓水泵進行調速改造。面對當今國內外的眾多高壓變頻產品（如：羅賓康、利德華福、AB、西門子等），專業人員對這一新技術進行了全面慎重的考察論證，最后決定采用國產高電壓、大功率變頻調速裝置，原因如下：
　　1、目前國產高壓大功率變頻器已具備和國外產品相抗衡的技術水平；
　　2、性價比高于國外同類產品。
　　我公司最終選用了國內實力雄厚的北京利德華福電氣技術有限公司生產的6kV 高壓變頻器。

3.2產品選型
　　（1） 適用于高壓水泵的電機為6kV，容量為450kW，選用高－高變頻器調速方案。
　　由于運行方式不同時，變頻器容量的計算方式和選擇方法不同。選擇變頻器容量時，變頻器的額定電流是一個關鍵量。變頻器的容量按異步電動機的額定電流和運行過程中可能出現的最大工作電流來選擇。此時，變頻器應同時滿足以下三個條件：
　　上述式中：PM、η、cosφ、UM、IM分別為電動機輸出功率、效率（取0.85）、功率因數（取0.75）、電壓（V）、電流（A）。K：電流波形的修正系數（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。
　　為了充分保證系統的可靠性，為變頻器同時加裝工頻旁路裝置，變頻器異常時，變頻器停止運行，電機可以直接手動切換到工頻下運行。工頻旁路由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成（見圖，其中QF為甲方原有高壓開關）。要求QS2不能與QS3同時閉合，在機械上實現互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。為了實現變頻器故障的保護，變頻器對6KV開關QF進行聯鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF，要求對QF的合分閘電路進行適當改造。工頻旁路時，變頻器應允許QF合閘，撤消對QF的跳閘信號，使電機能正常通過QF合閘工頻啟動。
　　（3） 控制原理：用PLC實現壓力PI調節控制，保證管道壓力恒定。經控制系統處理，輸出4-20mA的速度給定信號給變頻器，實現泵轉速的自動調節。變頻調速系統配置上位機，上位機可安裝在控制室，通過上位機可以對變頻器進行啟動、停機、調速等控制，并可在上位機上顯示變頻器的運行數據和當前狀態。為了保障調速系統的可靠性，在操作臺配置對變頻器的控制按鈕，也可以對變頻器實施啟動、停機、加速和減速控制。
　　（4） 隔離開關、泵出、入口閥門、泵故障等聯鎖保護。
　　（5） 設置過流保護，泵低速保護。
　　（6） 保護行為：用PLC實現，為了提高系統的可靠性，盡可能減少對變頻器停送電次數。　　

4、HARSVERT-A06/130型高壓變頻器原理及特點
　　Harsvert-A系列高壓變頻器是由北京利德華福電氣技術有限公司生產，該系統為電壓源型高壓變頻器，具有運行穩定、調速范圍廣、輸出波形好、輸入電流諧波低、功率因數高、效率高等特點，對電網諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，不必采用輸入諧波濾波器，功率因數高，不必采用功率因數補償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、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。
　　Harsvert-A系列高壓變頻器采用單元串聯多電平PWM拓撲結構（簡稱CSML）。由若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出,高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠；
　　電網電壓（6kV）經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電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電機。6kV輸出電壓每相有7個額定電壓為480V的功率單元串聯而成，輸出相電壓3450V，線電壓達到6kV左右，每個功率單元承受全部的電機電流，但只提供1/7的相電壓和1/21的輸出功率。
　　每個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，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的，即使在電動機電流出現不平衡的情況下，也能保證各相位組的電流基本相同，達到理想的諧波抵消效果。對6kV輸出電壓，給21個功率單元供電的21個二次繞組每3個一組，分為7個不同的相位組，互差60/7度電度角，形成42脈沖的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真低于4%，輸入功率因數可以達到0.95以上。
　　 逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個電平臺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頻率，以降低開關損耗，且輸出電平數增加。6kV輸出電壓輸出相電壓為15電平，線電壓為29電平，輸出等效開關頻9KHz，電平數和等效開關頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機發熱、噪音、轉矩脈動等都大大降低，可以直接用于普通異步電機，不會產生輸出電纜較長時行波反射引起的浪涌電壓增加而造成電機絕緣破壞問題。
　　采用功率單元串聯，而不是功率器件串聯，器件承受的最高電壓為單元內直流母線的電壓，器件不必串聯，不存在器件串聯引起的均壓問題。直接使用低壓IGBT功率模塊，器件工作在低壓狀態，不易發生故障；6kv變頻器共使用42對1200V低壓IGBT，低壓IGBT門極驅動功率較低，驅動電路非常簡單，開關頻率很低，不必采取均壓電路和浪涌吸收電路，系統效率高，同時功率單元采用電容濾波的結構，總體技術成熟可靠。
　　變頻器可以承受30%的電源電壓下降而繼續運行，變頻器的6KV主電源完全失電時，變頻器可以在3秒內不停機，能夠全面滿足變頻器動力母線切換時不停機的需要。另外6KV主電源欠壓時可不停機，自動降額，電壓正常后再恢復到原來速度。
　　功率單元采用模塊化結構，同一變頻器內所有功率單元結構上完全一致，可以互換，維修非常方便，更換功率單元只要拆除3個交流輸入端子和2個交流輸出端子，以及1個光纖插頭，就可抽出整個單元。當某一功率模塊發生故障時，用戶在5分鐘內，經過簡單的操作就可以用備用功率模塊進行更換，保證系統可靠運行，所有功率模塊均有兩個指示燈，一個是帶電指示，另一個是運行指示，模塊的運行狀態一目了然。
　　功率單元為多極模塊串聯，某個模塊發生故障時自動旁路運行，便于現場采取對應措施；即在每個功率單元輸出端之間并聯旁路電路，當功率單元故障時，封鎖對應功率單元IGBT的觸發信號，然后讓旁路SCR導通，保證電機電流能通過，仍形成通路。為保證三相輸出電壓對稱，在旁路故障功率單元的同時，另外兩相對應的兩個功率單元也同時旁路。對于6kv的變頻器每相由7個功率單元串聯而成，當每相1個單元被旁路后，每相剩下6個功率單元，輸出最高電壓為額定電壓的86%，輸出電流仍可達到100%，輸出功率仍可達到86%左右，對于水泵負載轉速仍可達92%以上，基本能維持生產要求，大大提高了系統運行的可靠性。
　　輸入干式變壓器免維護，可靠性高。變壓器的防護與變頻器共同防護為IP21防護外殼，可防止直徑大于12mm的固體異物及鼠、蛇、貓、雀等小動物進入，造成短路停電等惡性故障，為帶電部分提供安全屏障。
　　高效率（>96%），輸入功率因數高（>0.95），電流諧波少（<4%），無須功率因數補償/諧波抑制裝置；輸出階梯正弦PWM波形，無須輸出濾波裝置，對電纜、電機絕緣無損害，電機諧波少，減少軸承、葉片的機械振動，輸出線可以長達1000米；減少配件的損耗，延長設備使用壽命，提高勞動生產效率。
　　高的調速精度和精確的輸出頻率分辨率（0.01HZ），輸出頻率0.5Hz—120Hz連續可調，完全可以滿足電力機組生產工藝工況的要求；電機可實現軟啟動、軟制動，轉速自動控制；啟動電流小于電機的額定電流；電機啟動時間可連續可調，減少了對電網影響。
　　變頻器預裝具有自主版權的全中文操作和監控軟件，本機及遠程啟停操作、功能設定、參數設定、故障查詢、運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，可實現完整的通用變頻器參數設定功能，可打印輸出運行報表；調整觸摸式面板，可隨時顯示電壓及電流波形、頻率和電機轉速，可非常直觀地顯示電機在任何時間的實時狀態；具有很強的診斷、指示能力：可檢測變頻器各部分的運行狀態，完整的故障監測電路、精確的故障定位，所有的功率模塊均為智能化設計，當有故障發生時，將故障信息返回到主控單元中，主控單元會及時將主要功率元件IGBT關斷，保護主電路，同時在中文人機界面上精確定位顯示故障位置、類別，使故障點一目了然，適應于一般操作工人和維護人員的技能水平。
　　變頻器直接內置有PLC，易于改變控制邏輯關系，適應多變的現場需要；與機組的DCS系統實現真正的無縫接口。
　　采用外部模擬信號控制變頻器輸出頻率時（變頻器作為DCS的執行機構），如果發生模擬信號掉線或短路時，變頻器可以提供報警信號，同時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，在控制電源發生故障時可以繼續運行，同時提供報警。

5、效益分析
　　從節電的角度考慮，因節電而直接帶來的經濟效益與機組的年運行時間、平均負荷率、電費水平等因素有關。假設渣系統的年運行時間為6000小時，平均負荷率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電量的2.5%和1.4%，則：
　　改造前每年機組發電量為100000×0.8×6000=48000萬度，高壓水泵總耗電為48000×2.5%=1200萬度，改造后高壓水泵總耗電為48000×1.4%=672萬度，改造前后高壓水泵節約用電為1200-672=528萬度，折算電費為195萬元。
　　實際上，機組采用變頻調速改造后，由于對電機實現真正的軟啟動，對電機、水泵、閥門、高壓開關等設備以及電網的啟動沖擊大大減少，它們的使用壽命得以延長，可以大幅度節省這些設備的維護費用。另外，變頻器高精度、寬范圍的無級調速功能，不僅全面滿足了電廠峰荷動態調節的需要，而且變頻器屬于高度智能化的新型高科技設備，與電廠以太網系統實現真正的無縫連接，提高了生產效率和機組自動化水平，大大改善了電廠的工作和生產環境。