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【摘 要】 本文介绍了电机高压变频装置在姚孟第二发电有限公司凝泵电机上的应用，着重阐述了改造方案及实施情况。该改造不仅解决了凝结水系统存在的管道振动问题，通过分析计算改造前后凝泵电机耗电量，还表明该改造节能效果显著。
【关键词】 高压变频;凝结水泵;节能
一、设备介绍
姚孟第二发电有限公司#5、6机组为两台超临界600MW机组，分别于2007年10月、2007年12月建成投产。汽轮机是哈尔滨汽轮机厂与三菱公司联合设计的CLN600-24.2/566/566型超临界、一次中间再热、三缸、四排汽、单轴、凝汽式汽轮机;锅炉是由东方锅炉厂引进技术制造的DG1900/25.4-II1型国产超临界滑压直流锅炉，为单炉膛，一次中间再热，尾部双烟道结构;发电机是哈尔滨电机有限责任公司制造的QFSN-600-2YHG型三相交流隐极式同步汽轮发电机。每台机组凝结水系统配备两台100%容量的立式筒袋型多级离心泵，型号为NLT500-570X4S，电机功率2000KW，型号为YLKS630-4。
二、提出问题
在正常运行中，机组凝结水系统管道出现较大的振动，严重威胁机组安全运行。通过运行人员仔细检查发现，管道振动源来自除氧器上水调门。在与调门厂家沟通后得知，阀门前后差压高于设计值是振动的根本原因，其他同类型电厂也出现过类似问题，即要从根本上消除振动，必须降低调门前后差压。
与此同时，在对标过程中，我们也发现我公司凝泵耗电率远高于国内同级别机组。在当今国家大力倡导节能减排的形势下，在做好非生产用能管理的同时，如何根据机组运行工况降低生产设备用能消耗是大型火力发电厂关注的一个重要问题。为顺应发展趋势，我们决定对凝泵电机进行改造。
三、改进措施
针对机组出现的上述问题，厂内专业技术人员通过大量的调研对比，决定对6KV电源变频改造，增加高压变频调速装置，利用高压变频器技术改变水泵电机驱动电源的周波，实现凝结水泵无极变速，使得水泵的凝结水流量与压力适应机组负荷的变化，在满足工况需要的基础上减小除氧器上水调门前后差压，消除系统管道振动，同時达到节能降耗。
3.1变频调速原理
变频调速是通过改变电源频率来调节电动机转速的。对于异步电动机而言，设f为定子电源频率，s为转差率，p为磁极对数，n为转速，按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：
由上式可见，电机的同步转速n0（n0=60f/p）正比于电机的运行频率f，由于转差率s一般情况下比较小（0～0.05），电机的实际转速n约等于电机的同步转速n0，所以改变电机的电源频率f，就能改变电机的实际转速。
变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源变频，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。即变频调速系统是从电网直接接收工频50Hz的交流电，经变频器，将输入的工频交流电变换成为变频幅值都可调节的交流电直接输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。
3.2动力改造方案
#5、6机组共设计为两套凝泵变频器，每台机组配一套，每套变频对应两台凝泵为一拖二设计，正常只能满足一台凝泵变频运行。
#5、6机组凝结水泵变频器是由东方日立（成都）电控设备有限公司提供的产品，产品型号HIVECTOL——HVI，此变频器系统安装在#5机0米，由8面柜子组成，其中控制柜1面（PLC装置），变频单元柜2面，变压器柜1面，旁通柜4面。
凝泵变频装置可以在就地和DCS进行操作对凝泵转速进行控制，通过热工控制逻辑实现凝结水母管压力调节、除氧器水位调节功能，来满足机组运行的需要。
如图1所示。
图1 姚孟第二发电有限公司凝泵高压变频装置动力方式示意图
本变频器为自动一拖二方式，有两路6KV电源，由隔离刀闸QS1、QS2、QS3、QS4和断路器QF1、QF2、QF3、QF4及接触器KM1、KM2控制变频与工频的自动切换。
3.3控制方案
（1）修改原则
凝结水泵变频改造不仅要实现除氧器上水流量的变负荷调节，保证除氧器水位调节品质不变，解决控制阀调节性线性度差及低负荷情况下上水调阀前后差压大造成管道振动等问题，提高系统运行的可靠性，延长设备使用寿命，最关键是能实现当变频运行凝结水泵故障跳闸后，备用凝结水泵以工频方式立即快速启动，保持凝结水母管压力和流量稳定，以保证除氧器水位稳定。
（2）实际修改情况
在正常情况下凝泵变频器投自动（除氧器水位设定2100mm），除氧器补水调节阀保持70%以上开度，当机组负荷变化时，凝泵变频装置通过改变输入到交流电机的电源频率，调节交流电动机的输出转速。从而改变凝泵出口压力。这种调节方式不仅快速灵敏，而且大大减少了上水调门前后压差，彻底解决了因调门前后压差大管道振动的问题。
3.4冷却系统
因此在变频器室内安装有空调系统。据资料表明，在高压变频器运行过程中，其故障率随温度升高而成指数上升;使用寿命随温度升高而成指数下降，环境温度每升高10℃，变频器使用寿命就减半。在改造前期的调研过程中，也了解到部分电厂由于冷却方式选择不当以及运行环境差，变频器可控硅出现过烧损甚至爆炸现象，严重影响了机组的安全稳定运行。产品说明书中要求，变频器柜与电机之间的电缆距离限制在500米以内，单台设备运行中产生的热量约108kW（总空气流量应不小于40000m3/h）。为此，我厂采用了密闭式空调冷却方式，即在#5机0米汽机房内建造了一个密封性能好、保温效果好的房间，两台机组的变频装置共用，房间内安装2台10P空调，房间内温度控制在25℃左右。经运行证明这种方式完全能够满足高频变频装置对温度、环境的要求。 四、经济性分析
2010年5月和6月姚孟第二发电有限公司#5、6机组相继进行了凝泵变频装置改造。根据流体机械的转速变化与其流量、压力和功率之间的变化关系可以知道，当通过降低转速以减少流量来达到节流的目的时，所消耗的功率将降低很多。这是因为泵的输入功率与其转速的3次方成正比。例如：当转速降低到80%时，流量减少到80%，而轴功率却下降到额定功率的51.2%;若流量需减少到40%，则转速相应减少到40%，此时轴功率下降到额定功率的6.4%。当然，调速节电效果即节电率大小，主要取决于泵负荷变化的幅度和频繁程度，即负荷变化幅度越大、变化越频繁，节电率越大。
4.1凝结水泵及配套电机的相关参数：
凝泵项目 单位 内容 电机项目 单位 内容
流量 t/h 1667 功率 KW 2000
扬程 m 328 电压 V 6000
转速 r/min 1490 电流 A 225.5
效率 % 83.8 轉速 r/min 1490
轴功率 KW 1535 功率因数 % 89
4.2不同负荷下凝结水泵运行参数统计：
负荷
（MW） 凝水流量
（T/H） 变频出口压力（调阀全开）（Mpa） 工频出口压力
（MPa） 变频输入电流（调阀全开）（A） 工频电流
（A）
600 1320 2.18 2.58 135 179
580 1270 2.08 2.66 131 175
550 1200 1.85 2.72 127 170
530 1160 1.80 2.80 122 165
500 1100 1.81 2.82 119 162
480 1055 1.75 2.86 116 159
450 990 1.70 2.92 112 156
420 930 1.55 2.97 108 152
350 780 1.48 3.30 98 145
300 660 1.40 3.42 90 140
4.3不同负荷下凝泵工频—变频电流对比图：
4.4不同负荷下凝结水泵工频—变频出口压力对比图：
通过《工频-变频出口压力对比图》及《凝泵工频-变频电流对比图》，我们可以清楚地看出：凝泵工频运行时，凝泵出口压力随机组负荷下降而升高，而凝泵电流却下降很小，其原因就是由于凝泵出口调节阀随机组负荷下降不断关小造成凝结水系统通道的通流阻抗不断增大，消耗掉凝泵大量功率。凝泵变频运行时，凝泵出口压力随机组负荷下降而下降，且变频器输入电流也大幅下降，消耗在克服凝结水系统通道的通流阻抗功率大大减小，机组相同负荷下凝泵变频电流小于工频电流，且机组负荷越低其两种运行状态的电流差越大，从而体现出凝泵变频调速的优越性。
8.5凝泵改造前后经济性计算：
凝泵变频改造前，在日平均负荷480MW工况下，电机在工作频率50Hz下工作，电机电压U=6KV，电机电流I=159A，功率因数=0.89，每小时消耗功率：
改造后，同样480MW工况下，电机工作在工作频率43Hz，电机电压U=6KV，电机电流=119A，功率因数=0.89，每小时消耗功率：
以每台机组全年运行时间t=6800小时计算，每年节约电量为：
W全年节约=（W改造前-W改造后）×t=（1469-1072）×6800=269.96万kW·h
节电率：
以上网电价0.43元/kW·h计算，每年节约电量折合人民币为：
Y=269.96×0.43=116.1万元/年
根据以上分析计算结果，可以得出以下结论：若机组不发生停运或停运时间越短，其利用凝泵变频调速产生的节能效果就越明显，其节电率就相对越高，尤其在机组低负荷段节能效果更加明显。可见，对厂用6KV凝结水泵电机进行变频改造后的经济效益是相当可观的。
五、结语
姚孟第二发电有限公司两台超临界600MW机组凝结水泵采用高压变频调速装置后，设备运行稳定、安全可靠，从根本上解决了凝结水系统管道振动大的问题;同时显著降低了凝结水系统的节流损失。经过不断优化调整，两台机组每年大约能节约人民币116万元，取得了较好经济效益。实践证明姚孟第二发电有限公司凝泵变频改造方案是成功的，也为其它电厂的改造方案提供了参考。
参考文献：
[1]《凝泵变频器说明书》
[2]《600MW机组集控运行规程》
【关键词】 高压变频;凝结水泵;节能
一、设备介绍
姚孟第二发电有限公司#5、6机组为两台超临界600MW机组，分别于2007年10月、2007年12月建成投产。汽轮机是哈尔滨汽轮机厂与三菱公司联合设计的CLN600-24.2/566/566型超临界、一次中间再热、三缸、四排汽、单轴、凝汽式汽轮机;锅炉是由东方锅炉厂引进技术制造的DG1900/25.4-II1型国产超临界滑压直流锅炉，为单炉膛，一次中间再热，尾部双烟道结构;发电机是哈尔滨电机有限责任公司制造的QFSN-600-2YHG型三相交流隐极式同步汽轮发电机。每台机组凝结水系统配备两台100%容量的立式筒袋型多级离心泵，型号为NLT500-570X4S，电机功率2000KW，型号为YLKS630-4。
二、提出问题
在正常运行中，机组凝结水系统管道出现较大的振动，严重威胁机组安全运行。通过运行人员仔细检查发现，管道振动源来自除氧器上水调门。在与调门厂家沟通后得知，阀门前后差压高于设计值是振动的根本原因，其他同类型电厂也出现过类似问题，即要从根本上消除振动，必须降低调门前后差压。
与此同时，在对标过程中，我们也发现我公司凝泵耗电率远高于国内同级别机组。在当今国家大力倡导节能减排的形势下，在做好非生产用能管理的同时，如何根据机组运行工况降低生产设备用能消耗是大型火力发电厂关注的一个重要问题。为顺应发展趋势，我们决定对凝泵电机进行改造。
三、改进措施
针对机组出现的上述问题，厂内专业技术人员通过大量的调研对比，决定对6KV电源变频改造，增加高压变频调速装置，利用高压变频器技术改变水泵电机驱动电源的周波，实现凝结水泵无极变速，使得水泵的凝结水流量与压力适应机组负荷的变化，在满足工况需要的基础上减小除氧器上水调门前后差压，消除系统管道振动，同時达到节能降耗。
3.1变频调速原理
变频调速是通过改变电源频率来调节电动机转速的。对于异步电动机而言，设f为定子电源频率，s为转差率，p为磁极对数，n为转速，按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：
由上式可见，电机的同步转速n0（n0=60f/p）正比于电机的运行频率f，由于转差率s一般情况下比较小（0～0.05），电机的实际转速n约等于电机的同步转速n0，所以改变电机的电源频率f，就能改变电机的实际转速。
变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源变频，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。即变频调速系统是从电网直接接收工频50Hz的交流电，经变频器，将输入的工频交流电变换成为变频幅值都可调节的交流电直接输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。
3.2动力改造方案
#5、6机组共设计为两套凝泵变频器，每台机组配一套，每套变频对应两台凝泵为一拖二设计，正常只能满足一台凝泵变频运行。
#5、6机组凝结水泵变频器是由东方日立（成都）电控设备有限公司提供的产品，产品型号HIVECTOL——HVI，此变频器系统安装在#5机0米，由8面柜子组成，其中控制柜1面（PLC装置），变频单元柜2面，变压器柜1面，旁通柜4面。
凝泵变频装置可以在就地和DCS进行操作对凝泵转速进行控制，通过热工控制逻辑实现凝结水母管压力调节、除氧器水位调节功能，来满足机组运行的需要。
如图1所示。
图1 姚孟第二发电有限公司凝泵高压变频装置动力方式示意图
本变频器为自动一拖二方式，有两路6KV电源，由隔离刀闸QS1、QS2、QS3、QS4和断路器QF1、QF2、QF3、QF4及接触器KM1、KM2控制变频与工频的自动切换。
3.3控制方案
（1）修改原则
凝结水泵变频改造不仅要实现除氧器上水流量的变负荷调节，保证除氧器水位调节品质不变，解决控制阀调节性线性度差及低负荷情况下上水调阀前后差压大造成管道振动等问题，提高系统运行的可靠性，延长设备使用寿命，最关键是能实现当变频运行凝结水泵故障跳闸后，备用凝结水泵以工频方式立即快速启动，保持凝结水母管压力和流量稳定，以保证除氧器水位稳定。
（2）实际修改情况
在正常情况下凝泵变频器投自动（除氧器水位设定2100mm），除氧器补水调节阀保持70%以上开度，当机组负荷变化时，凝泵变频装置通过改变输入到交流电机的电源频率，调节交流电动机的输出转速。从而改变凝泵出口压力。这种调节方式不仅快速灵敏，而且大大减少了上水调门前后压差，彻底解决了因调门前后压差大管道振动的问题。
3.4冷却系统
因此在变频器室内安装有空调系统。据资料表明，在高压变频器运行过程中，其故障率随温度升高而成指数上升;使用寿命随温度升高而成指数下降，环境温度每升高10℃，变频器使用寿命就减半。在改造前期的调研过程中，也了解到部分电厂由于冷却方式选择不当以及运行环境差，变频器可控硅出现过烧损甚至爆炸现象，严重影响了机组的安全稳定运行。产品说明书中要求，变频器柜与电机之间的电缆距离限制在500米以内，单台设备运行中产生的热量约108kW（总空气流量应不小于40000m3/h）。为此，我厂采用了密闭式空调冷却方式，即在#5机0米汽机房内建造了一个密封性能好、保温效果好的房间，两台机组的变频装置共用，房间内安装2台10P空调，房间内温度控制在25℃左右。经运行证明这种方式完全能够满足高频变频装置对温度、环境的要求。 四、经济性分析
2010年5月和6月姚孟第二发电有限公司#5、6机组相继进行了凝泵变频装置改造。根据流体机械的转速变化与其流量、压力和功率之间的变化关系可以知道，当通过降低转速以减少流量来达到节流的目的时，所消耗的功率将降低很多。这是因为泵的输入功率与其转速的3次方成正比。例如：当转速降低到80%时，流量减少到80%，而轴功率却下降到额定功率的51.2%;若流量需减少到40%，则转速相应减少到40%，此时轴功率下降到额定功率的6.4%。当然，调速节电效果即节电率大小，主要取决于泵负荷变化的幅度和频繁程度，即负荷变化幅度越大、变化越频繁，节电率越大。
4.1凝结水泵及配套电机的相关参数：
凝泵项目 单位 内容 电机项目 单位 内容
流量 t/h 1667 功率 KW 2000
扬程 m 328 电压 V 6000
转速 r/min 1490 电流 A 225.5
效率 % 83.8 轉速 r/min 1490
轴功率 KW 1535 功率因数 % 89
4.2不同负荷下凝结水泵运行参数统计：
负荷
（MW） 凝水流量
（T/H） 变频出口压力（调阀全开）（Mpa） 工频出口压力
（MPa） 变频输入电流（调阀全开）（A） 工频电流
（A）
600 1320 2.18 2.58 135 179
580 1270 2.08 2.66 131 175
550 1200 1.85 2.72 127 170
530 1160 1.80 2.80 122 165
500 1100 1.81 2.82 119 162
480 1055 1.75 2.86 116 159
450 990 1.70 2.92 112 156
420 930 1.55 2.97 108 152
350 780 1.48 3.30 98 145
300 660 1.40 3.42 90 140
4.3不同负荷下凝泵工频—变频电流对比图：
4.4不同负荷下凝结水泵工频—变频出口压力对比图：
通过《工频-变频出口压力对比图》及《凝泵工频-变频电流对比图》，我们可以清楚地看出：凝泵工频运行时，凝泵出口压力随机组负荷下降而升高，而凝泵电流却下降很小，其原因就是由于凝泵出口调节阀随机组负荷下降不断关小造成凝结水系统通道的通流阻抗不断增大，消耗掉凝泵大量功率。凝泵变频运行时，凝泵出口压力随机组负荷下降而下降，且变频器输入电流也大幅下降，消耗在克服凝结水系统通道的通流阻抗功率大大减小，机组相同负荷下凝泵变频电流小于工频电流，且机组负荷越低其两种运行状态的电流差越大，从而体现出凝泵变频调速的优越性。
8.5凝泵改造前后经济性计算：
凝泵变频改造前，在日平均负荷480MW工况下，电机在工作频率50Hz下工作，电机电压U=6KV，电机电流I=159A，功率因数=0.89，每小时消耗功率：
改造后，同样480MW工况下，电机工作在工作频率43Hz，电机电压U=6KV，电机电流=119A，功率因数=0.89，每小时消耗功率：
以每台机组全年运行时间t=6800小时计算，每年节约电量为：
W全年节约=（W改造前-W改造后）×t=（1469-1072）×6800=269.96万kW·h
节电率：
以上网电价0.43元/kW·h计算，每年节约电量折合人民币为：
Y=269.96×0.43=116.1万元/年
根据以上分析计算结果，可以得出以下结论：若机组不发生停运或停运时间越短，其利用凝泵变频调速产生的节能效果就越明显，其节电率就相对越高，尤其在机组低负荷段节能效果更加明显。可见，对厂用6KV凝结水泵电机进行变频改造后的经济效益是相当可观的。
五、结语
姚孟第二发电有限公司两台超临界600MW机组凝结水泵采用高压变频调速装置后，设备运行稳定、安全可靠，从根本上解决了凝结水系统管道振动大的问题;同时显著降低了凝结水系统的节流损失。经过不断优化调整，两台机组每年大约能节约人民币116万元，取得了较好经济效益。实践证明姚孟第二发电有限公司凝泵变频改造方案是成功的，也为其它电厂的改造方案提供了参考。
参考文献：
[1]《凝泵变频器说明书》
[2]《600MW机组集控运行规程》