黄秋雄
东莞中电新能源热电有限公司
摘要：目前火力发电厂中的大量高功率辅机都存在着耗电量大的问题，而这些辅机所属的系统大多是采用出口挡板或调节门进行截流调节的，这就存在大量的能源损耗，也是电厂厂用电率居高不下的重要因素。而高压变频器的应用，可以使给水泵电机在电厂持续发电过程中，根据负荷的变化高效的改变出力，从而节约大量电能，获得较工频运行状态下无选择最大出力所无法得到的可观的经济效益。
关键词：给水泵；高压变频器；变频改造
交流电机无级调速的广泛需求促使变频技术的诞生。传统的直流调速技术因维护量加大，最高转速、单机容量以及使用环境苛刻而受到限制。异步电动机以其结构简单、运行可靠、维护方便和价格低廉等特点进入了人们的视野，但其调速性能难以满足生产的需要。从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，但进展缓慢。在很长的一段时期内，电气传动领域一直被直流调速统治着。从20世纪60年代以后，电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品，但其调速性能远远无法满足需要。70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM－VVVF）调速的研究得到突破，80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。到了80 年代中后期，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器技术实用化，商品投入市场，得到了广泛应用。
一、火电厂给水系统
火电厂给水系统属于汽水系统的一部分，如图1，锅炉给水的流程为：在锅炉中产生的过热蒸汽沿着主蒸汽管道进入汽轮机，高速流动的蒸汽带动汽轮机叶片转动，从而使发电机旋转产生电能。在汽轮机内做功后，蒸汽的温度和压力大大降低，被排入凝汽器冷却成凝结水，汇集在凝汽器的热水井中。凝结水由凝结水泵打至低压加热器中加热后再经过除氧器并继续加热。除氧器中的水通过给水泵提高压力，并经过高压加热器进一步加热之后，输送到锅炉的省煤器入口，作为锅炉的给水。此外，给水系统还向锅炉再热器的减温器、过热器的一、二级减温器以及汽轮机高压旁路装置的减温器提供减温水，用以调节上述设备出口蒸汽的温度。
图1 火电厂汽水系统
所以，给水泵是用来将除氧器水箱中的具有一定温度、压力的水连续不断地输送到锅炉中去的设备。随着单元机组容量的增大，给水泵越来越趋向于大容量、高转速、高效率、高自动化程度。使给水泵具有如下特点：
1、由于输送的给水温度和压力不断提高，要求给水泵耐高温和高压；
2、输送的给水接近饱和状态，当外界工况变化时（如除氧器压力降低、给水箱水位降低或给水泵长时间低负荷运行等），给水泵极易汽蚀，所以要求给水泵应具有较好的抗汽蚀性能；
3、给水泵是火力发电厂辅机中功率消耗最大的设备之一，要求具有较高的效率；
4、需要保证连续不断的供水，要求给水泵有较好适应机组负荷变化的性能，其 qv-H 性能曲线为流量变化较大时扬程变化较小的平坦型曲线。
二、液力耦合器的工作原理及调速方法
电动给水泵的调速方式为液力耦合器调速，属于低效调速，其工作原理是：电动机运行时带动液力耦合器的壳体和泵轮一同转动，泵轮叶片内的液压油在泵轮的带动下随之一起旋转，在离心力作用下，液压油被甩向泵轮叶片外缘，并在外缘处冲向涡轮叶片，使涡轮在受到液压油冲击力而旋转；冲向涡轮叶片的液压油沿涡轮叶片向内缘流动，返回到泵轮内缘，然后又被泵轮再次甩向外缘。液压油就这样从泵轮流向涡轮，又从涡轮返回到泵轮而形成循环的液流。液力耦合器中的循环液压油，在从泵轮叶片内缘流向外缘的过程中，泵轮对其做功，其速度和动能逐渐增大；而在从涡轮叶片外缘流向内缘的过程中，液压油对涡轮做功，其速度和动能逐渐减小。液压油循环流动的产生，是泵轮和涡轮之间存在着转速差，使两轮叶片外缘处产生压力差。液力耦合器工作时，电动机的动能通过泵轮传给液压油，液压油在循环流动的过程中又将动能传给涡轮输出。液力耦合器的结构如图2所示。
图2 液力耦合器简图
通过改变液力耦合器中的油压可实现无级调速的目的。当电动机驱动泵轮旋转时，泵轮带动液压油进行旋转，涡轮即受到力矩的作用，在液压油量较小时，当其力矩不足于克服负载的起步阻力矩时，所以涡轮还不会随泵轮的转动而转动，增加液压油，作用在涡轮上的力矩随之增大，作用在涡轮上的力矩足以克服负载起步阻力而起步，其液压油传递的力矩与负载力矩相等时，转速随之稳定。负载的力矩和转速平方成正比，随着液压油量的增加，输出力矩加大，涡轮的转速随之加大。
三、变频调速方式的特性
变频调速是通过改变电动机定子供电频率来改变旋转磁场同步转速进
行调速的，是无附加转差损耗的高效调节方式。由转速公式n=60f/p可知，交流异步电动机的同步转速 n 与电源的频率f成正比，只要改变f就能进行电动机调速。但由于电动机的气隙磁通和电源频率 f 的乘积是与电源电压U成正比的，如果只调节 f 而不改变电源电压 U，将引起电机气隙磁通的变化，从而使电磁转矩下降或励磁电流上升。为了使电机的磁通保持不变，在调频时必须同时进行调压，保持 U/f 的不变。在这种条件下进行调速，能保证电动机过载能力不变，得到近似直流调压调速的调速特性如图3所示。
图3交流变频调速特性
变频器调速的突出优点是启动能耗低、调速效率高；调速范围宽，动态响应速度快，可实现无级调速；调速精度高，易于实现生产工艺控制自动化，且操作简便。另外，在装置发生故障后能自动投入工频运行，不会影响生产作业。由于它的调速性能远优于其他调速技术，安装场地条件又比较灵活，应用范围非常广泛，是市场需求增长最快的调速方式。而它最大的缺点是变频器技术复杂，初始投资较高（尤其是高压变频器），并且对电网有干扰，需要较高的使用和维护技术。比较适合于要求调速范围宽、较长时间低速运行、启停频繁的场所，以及调速精度要求高的过程工艺控制设备上。
四、变频器技术要求
1、对变频器的基本要求：
变频装置整个系统必须在出厂前进行整体测试，以确保整套系统的可靠性。
变频装置的防护等级≥IP20。柜内元器件的安装应整齐美观，应考虑散热要求及与相邻元件之间的间隔距离，并应充分考虑电缆的引接方便。变频器控制电源使用直流电源和交流电源，要求两路电源互为备用，在工作电源掉电时，备用电源自动切换，在切换时间内，不应出现停机现象。变频小间采用空水冷却方式，以保证变频器长期稳定运行。空水冷却装置应和变频器设置必要的联锁功能。变频器应对本体控制系统的就地控制柜无谐波影响。所有的柜体必须至少有两点明显的接地点，与地网可靠连接。
2、对变频器本体的要求：
变频器整流用移相变压器应采用干式变压器，干式变压器要求铜线绕制，并应有柜体封闭。变频装置类型选用高-高方式，逆变主电路拓扑应采用多电平形式，变频器的功率单元串联级数为六级，且为模块化设计，方便从机架上抽出、移动和变换，所有单元可以互换。变频装置内部通讯应采用光纤电缆连接，以提高通讯速率和抗干扰能力变频器柜内强信号电和弱电信号应分开布置，以避免干扰。变频器的旁路采用自动旁路，即给水泵电动机原来的电源开关做为变频器旁路开关，新增 1 面厦门 ABB 公司生产的型号为 VD4 真空断路器做为变频器的输出断路器，并配置厦门 ABB 原厂 KYN28-12 型开关柜。真空断路器操作电源为直流 220V。开关要具备电动和手动两种操作方式。
3、对变频器控制系统的要求：
为保证调速精度变频器应采用矢量控制技术。控制系统采用数字微处理器控制器，具有就地监控方式和远方监控方式。在就地监控方式下，通过变频器上液晶人机界面控制，可进行就地人工启动、停止变频器，可以调整转速、频率；功能设定、参数设定等均采用中文。变频装置带故障自诊断功能，能对所发生的故障类型及故障位置提供中文指示，能在就地显示并远方报警，便于运行人员和检修人员能辨别和解决所出现的问题。变频装置能远距离操作，并可对其进行远程本地控制的切换。变频装置应设有交流输出电压、输出电流、输出频率等参数的数据显示。变频器应具备飞车启动功能及瞬时停电再启动功能。
结语：
火电厂辅机的变频器改造可以有效的降低煤耗和厂用电率，但是变频器的应用会导致厂用电系统的谐波污染问题，主要表现在：
1.输出波形的失真使电机的电压升高，对电机绝缘有较大影响。
2.谐波会导致电机发热，使电机额外温升升高。
解决办法：
1.采用降噪声设计的电动机，并避免可能产生的振动。
2.适当放大电机容量，然后降频使用。
与低压变频技术相比，高压变频是一项新的技术，通过理论的不断发展和技术的不断进步，相信高压变频器会应用于更多的领域。
参考文献：
[1]赵相宾等.谈我国变频调速技术的发展及应用[J].电气传动，2000，30（2）：3-6.
[2]白恺等.火电厂大型电动机应用变频调速技术的可行性[J].华北电力技术，1999（11）：33-35
[3]陈伯时，陈敏逊编著.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，2005
论文作者:黄秋雄
论文发表刊物:《基层建设》2016年2期
论文发表时间:2016/5/30
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