摘  要：本文針對600MW機組鍋爐給水系統(tǒng)，應用國產10MW級高壓超大功率代替液力耦合器機械調速，提高給水泵系統(tǒng)機械效率、節(jié)能降耗的經驗進行了積極探討。通過實踐證明：在既有液力耦合器調速的基礎上，通過高壓變頻器應用仍可以取得良好的節(jié)能收益。

關鍵詞：給水泵  高壓變頻  應用

1、概況

    國電河北某發(fā)電公司現(xiàn)有600MW火力發(fā)電機組兩座，采用單元制運行結構。每臺鍋爐給水系統(tǒng)配備有凱士比生產的機組滿發(fā)流量50%的電動變速給水泵三臺，采取兩用一備方式運行。給水泵系統(tǒng)由前置泵、電動機、液力耦合器、給水泵本體組成。其工藝流程是將除氧器水箱出來的三根低壓給水管分別經前置泵、給水泵增壓后匯管進高壓加熱器、鍋爐省煤器、等加熱設備，進入汽水分離器維持液位穩(wěn)定運行。該系統(tǒng)工藝流程如圖一所示。

    為保證鍋爐運行處于安全狀態(tài)，目前機組通過調節(jié)給水泵液耦輸出轉速的方式改變給水流量，控制汽水分離器液位穩(wěn)定。給水泵液力耦合器配有增速齒輪，使渦輪的轉速高于原動機的轉速，在這個較高的轉速值下往降低轉速的范圍內調速運行。機組在350MW及以下低負荷時，單臺給水泵運行；350MW以上高負荷時，兩臺給水泵并聯(lián)運行，液耦調速器輸出轉速在69%~91%之間調節(jié)，系統(tǒng)無給水調門。

2、液力耦合器調速系統(tǒng)存在的問題

2.4     10MW級高壓給水泵直接啟動過程中，5~8In峰值電流對電網沖擊明顯。

      目前，600MW機組鍋爐給水泵組的動力系統(tǒng)具有功率大、無其它第三方調速手段、不能夠帶載直啟、技術安全可靠性要求高等特點。如果采用變頻調速技術進行節(jié)能改造，變頻器調速的優(yōu)點是調速效率高，啟動能耗低、調速范圍寬、可實現(xiàn)無級調速，動態(tài)響應速度快、死區(qū)小、操作簡便，且易于汽包水位PID調節(jié)策略實現(xiàn)。變頻改造系統(tǒng)宜采用簡單的一對一直聯(lián)拖動結構。 

    方案一：將液力耦合器保留不變，勺管開度至100%輸出，實現(xiàn)傳動和增速作用。變頻器通過電氣特性控制電動機轉速實現(xiàn)給水泵的流量調節(jié)。這種方法的弊端是，沒有拆除液力耦合器，對液力耦合器的維護同樣存在；同時由于液力耦合器本身的效率問題，仍存在一定的節(jié)能率下降。

1、一次動力系統(tǒng)方案

    主動力系統(tǒng)方案為兩臺給水泵使用兩臺變頻器一拖一的方式。原3#給水泵工頻備用的方式不變，仍處于備用模式。具體系統(tǒng)結構原理如圖二所示。

    其中，QF表示高壓開關、TF表示高壓變頻器、QS表示高壓隔離開關，M表示給水泵電動機；QF10、QF20、QF30、QF31、M為現(xiàn)場原有設備。正常運行時QF11、QF12、QF21、QF22處于合閘狀態(tài)，將變頻器輸出與電動機連接。當給水泵或電動機需要進行檢修時，停止變頻器運行，并將高開隔離開關柜手車拉出斷開位，確保運行及檢修安全。變頻器對輸出側電動機提供過壓、欠壓、過流、過載、速斷、缺相、接地等完全電動機保護功能，可省去中性電柜和差動保護裝置的變頻條件應用。

    當變頻器故障檢修時，給水泵可以切換為工頻運行，開關狀態(tài)為：QF11、QF12、QF21、QF22在斷開位，QF13、QF23在閉合位。

2、二次系統(tǒng)控制

    該系統(tǒng)經變頻改造后，原電氣系統(tǒng)中電動機差動保護回路取消，電動機過載、過流、過壓、欠壓、缺相、速斷、接地等保護功能由變頻器實現(xiàn)。液力耦合器的轉速調節(jié)指令與轉速反饋信號接至變頻器側用于變頻器轉速調節(jié)。其它有關液力耦合器的控制監(jiān)測信號取消，原有DCS給水系統(tǒng)控制策略不變。

        1)     變頻器上口輸入高壓開關QF1配備變壓器綜合保護裝置對變頻器實施保護；

    本技術方案提供HARSVERT系列完美無諧波系列高壓變頻器。該系列變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。變頻器具有對電網諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱、轉矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以適用于普通異步電機等優(yōu)勢。

四、10MW級超大功率高壓變頻技術要點

1、關鍵器件選擇

    高壓變頻器內部的主要逆變部分，采用的是德國優(yōu)質品牌第四代IGBT芯片和PRIMEPACK封裝技術生產的高性能IGBT，其技術優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

        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在不產生嚴重電壓尖峰毛刺的情況下可以適應更小的驅動電阻，實現(xiàn)了較第三代IGBT更低的開關損耗；

        3)    第四代IGBT增強了的芯片的溫度特性，可以運行于150℃，比較高耐受溫度為175℃,而第三代IGBT只能運行于125℃，比較高耐受僅為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)。

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)。為了保證設備的可靠性，元器件首先在容量計算時提高設計裕量系數(shù)，近似兩倍的余量。

    采用動態(tài)均流和靜態(tài)均流技術，降低IGBT的飽和壓降V_ce(sat)、反并聯(lián)二極管的正向壓降V_f對靜態(tài)均流效果的影響；以及IGBT的跨導g_fs和柵極－發(fā)射級閾值電壓V_{ge_th}、反并聯(lián)二極管的反向恢復特性對動態(tài)均流效果的影響。

3、器件散熱問題

    在超大功率變頻器中，發(fā)熱功率密度遠大于常規(guī)變頻器，采用常規(guī)的散熱結構無法滿足高密度散熱的需要。為此我們采用特殊的散熱結構及布局設計，提高散熱功率密度，優(yōu)化熱場分布，以避免IGBT結溫過高導致器件損壞。

4、大電流電磁噪聲抑制問題

        IGBT開關動作時，在母排寄生電感上產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)的主電路結構造成線路感抗差異，這些感抗的不同將嚴重影響IGBT的動態(tài)工作特性，采用對稱型主電路結構，大電流噪聲得到有效抑制。

    在600MW鍋爐給水系統(tǒng)中采用高壓變頻調速取代液力耦合器調速方式后，液力耦合器的效率穩(wěn)定在97%，液耦損失減到了比較低水平。通過變頻調速的應用，給水泵驅動系統(tǒng)的效率得到提高。系統(tǒng)傳動效率和功率傳遞關系如下圖四所示。

      給水系統(tǒng)經變頻改造后，在不同負荷條件的功耗計算數(shù)據(jù)如下表一所示。

    由上述數(shù)據(jù)分析可知，在600MW機組鍋爐給水系統(tǒng)超大功率設備應用條件下，采取高壓變頻器調速替代液力耦合器調速方式，仍可取得良好的節(jié)能效果和顯著的節(jié)能收益。對進一步降低機組廠用電率水平具有切實意義。