合康變頻大功率水冷變頻器在紅陽熱電大規模應用

摘要：在全國發電量中,其中電動機的用電量約占60%～70%,全國電力年耗電量中風機、水泵等設備約占1/3,在國家大力提倡節能降耗的政策下,在熱電廠供熱發電機組的燃燒系統中應用高壓變頻器節能降耗是必然選擇。本文詳細介紹了高壓變頻器在紅陽熱電廠2*330MW供熱發電機組的一次、二次風機與凝結水泵的節能改造的應用，通過風機、水泵變頻調速改造達到節能的目的。

關鍵詞：水冷變頻器、一次、二次風機、凝結水泵、節能降耗

1 工程概況

遼寧沈煤紅陽熱電有限公司總裝機容量為2*330MW供熱發電機組，是遼寧省主力電廠及遼陽市唯一熱源廠。但由于市場原因，機組長期在70%負荷下運行，廠內各類風機水泵都具有很大節能空間。

由于變頻器室建于廠內2臺機組灰庫的中間位置，現場灰塵極大，運行環境惡劣。而且室內變頻器臺數多、變頻器容量大，集中布置在一起時，傳統的強迫風冷型變頻器采用風道（灰塵大）或者空調冷卻（冷卻功率大）已經不能完全滿足大功率變頻器的散熱要求。由于水冷散熱方式具有優異的散熱性能和高靠性，且對環境適應能力強，此次紅陽熱電公司經過多次考察調研后最終選用了我公司12套全水冷型變頻器。

2 變頻改造方案

2.1 一、二次風機高壓變頻器主回路方案

紅陽熱電廠1#、2#機組的一、二次風機接入方案采用“一拖一自動旁路（見圖1）”即單套變頻器帶一臺風機運行的方式。

圖1

此系統由高壓開關柜、自動旁路柜、高壓變頻器、高壓電機組成。

旁路柜主要配置：三個真空接觸器（KM1、KM2、KM3）和兩個隔離開關QS1、QS2（在變頻器退出而電機運行于旁路時，能安全地進行變頻器的故障處理或維護工作）。KM2與KM3實現電氣互鎖，當KM1、KM2閉合，KM3斷開時，電機變頻運行；當KM1、KM2斷開，KM3閉合時，電機工頻運行。另外，KM1閉合時，QS1操作手柄被鎖死，不能操作；KM2閉合時，QS2操作手柄被鎖死，不能操作。

電機工頻運行時，若需對變頻器進行故障處理或維護，在KM1、KM2分閘狀態下，將隔離刀閘QS1和QS2斷開。

1) 合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯于KM1、KM2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時，真空接觸器KM1、KM2合閘不允許；在KM1、KM2合閘狀態下，若變頻器出現故障，則“合閘允許”斷開，KM1、KM2跳閘，分斷變頻器高壓輸入電源。

2) 旁路投入：將變頻器“旁路自動投入”信號并聯于KM3合閘回路。變頻運行狀態下，若變頻器出現故障且自動投入允許，系統將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開關KM1和KM2，經過一定延時后，“旁路自動投入”信號閉合，即工頻旁路開關KM3合閘，電機投入電網工頻運行。

3) 保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。

2.2 凝結水泵高壓變頻器主回路方案

紅陽熱電廠1#、2#機組的凝結水泵接入方案采用“一拖二自動旁路（見圖2）”即單套變頻器帶二臺水泵運行的方式。

圖2

凝結水泵設計時有一定裕量，1臺機組配備2臺凝結水泵，1臺運行，1臺備用。通過對機組凝結水系統和凝結水泵運行方式、動力系統結構的分析認為，凝結水泵屬一用一備運行方式，因此采用一拖二方案，兩臺電機任何時候只有一臺由變頻器驅動，保證兩臺電機運轉時間匹配，另一臺可由用戶決定是備用或工頻運行。高壓柜斷路器與高壓變頻器內6組隔離開關之間的電氣連鎖由硬接線組成，盡量不通過變頻器或上級控制系統，以保證系統切換時的安全性。

改造為高壓變頻器后，凝結水泵變頻運行時，凝結水至除氧器副調節閥保持全開，主調節閥全關，1號凝結水泵工頻備用，僅在倒泵過程中由上水調整門來控制除氧器水位，正常運行時通過調節變頻器的輸出頻率改變凝結水泵轉速，達到調節出口流量控制除氧器水位的目的，滿足運行工況的要求。

QS2、QS3位雙刀雙擲開關，他與QS1設有機械、電氣聯鎖，即QS1，合閘前，必須先合QS2;QS3合閘前，必須先斷開QS1.

QS5、QS6位雙刀雙擲開關，他與QS4設有機械、電氣聯鎖，即QS4，合閘前，必須先合QS5;QS6合閘前，必須先斷開QS4.

1QF、2QF實現電氣聯鎖，變頻器正常運行時，只能有一臺電機在變頻下運行。

3 變頻器選型及性能特性

根據紅陽熱電公司1#機組與2#機組電機容量，選用合康變頻自主研發生產的水冷型高壓變頻器4臺HIVERT-Y06/425,額定輸出電流為425A，適配3600kW及以下高壓異步電動機、4臺HIVERT-Y06/340,額定輸出電流為340A，適配2800kW及以下高壓異步電動機、

4臺HIVERT-Y06/077,額定輸出電流為77A，適配630kW及以下高壓異步電動機。

3.1 變頻器主要技術性能指標

現場高壓變頻調速系統HIVERT-Y06/425及HIVERT-Y06/340共計8臺設備的旁路柜外部動力電纜及控制電纜均采用上進上出的方式，高壓變頻器與旁路柜動力電纜及控制電纜采用下進下出方式；高壓變頻調速系統HIVERT-Y06/077共計4臺設備的動力電纜及控制電纜均采用下進下出的方式。

3.2 水冷變頻器水循環系統

圖3 水冷變頻器水循環系統原理圖

水冷變頻器水循環系統包括內水循環系統和外水循環系統兩部分。如圖3所示，水冷柜中板式換熱器與功率單元之間的水循環稱為內水循環系統，又稱一次循環；水冷空調中換熱器和板式換熱器內的熱量通過外面的冷源水將熱量帶出，此水循環稱為外水循環系統，又稱二次循環。

3.2.1水冷變頻器內水循環系統

水冷柜中恒定壓力和流速的去離子水源源不斷地流經板式換熱器進行熱交換，換熱后再進入變頻器功率單元帶走熱量，溫升水流回至主循環泵的進口，通過電動三通閥調節進入板式換熱器的流量，達到精確控制純水冷卻裝置中冷卻水溫度的目的。同時一部分水會通過離子交換器進行離子交換，以達到滿足要求的去離子水。

3.3變壓器水冷空調(內置空水冷換熱器)

循環工作原理

一側是變壓器柜內的熱空氣，經冷卻風機提供動力，通過熱交換器進行熱量交換，冷卻后空氣返回到變壓器柜；另一側為外發面低溫冷源水進入熱交換器，換熱后流出。冷源水流經管路設有儀表，以便檢測流體流量，判斷流體狀態。熱換熱器頂部最高處配有排氣閥，底部最低處配備排水閥，方便排水、加水。

圖4 變壓器水冷空調原理圖

3.4水冷變頻器外水循環系統

現場提供滿足條件的外水水質及溫度要求如表7所示：

表7 現場外水水質及溫度要求

系統外水第一次加水運行30分鐘，停止泵運轉。關閉水冷柜內外源水過濾器前后端的閥門，拆卸過濾器，清理濾芯，排出臟物。裝上后切換為冗余過濾器繼續運行系統30分鐘，重復以上步驟，直到系統壓力穩定且過濾網中沒有雜質，沖洗完成。如果現場外水水質渾濁，在外水進水閥前需要增加過濾器，過濾器精度為200μm（目數為80目），水冷柜內部外源水過濾器與柜外過濾器都具有旁路功能，根據現場水質情況需要定期清理4個外水管道過濾器。

紅陽熱電廠現場4臺變頻器共用1個條冷卻水管道。

4、變頻綜合改造項目節能評估

（1）此次變頻綜合節能改造投入運行后表現突出，主要表現在變頻節能、功率因數補償和軟啟動功能。對比工頻狀態下運行工況，在機組的不同負荷階段節電效果不同，但改造后的平均節電率均在30%左右。

（2）對廠用電網及設備有較好的保護作用。一二次風機的功率大、電壓等級高，大型電機采用硬啟動的方式會對電網造成嚴重的沖擊，對電網容量要求較高，啟動時產生的大電流和震動對電機及機械設備的損害也較大，極大地降低了設備、管路的使用壽命。而使用變頻節能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不至于超過額定電流，減輕了對電網的沖擊，電機和機械設備的使用壽命相應地得到了延長。

（3）由于單元水冷板代替原來散熱器，使得單元外形尺寸減小，變頻器整機外形尺寸減小，節省空間。

（4）水冷變頻器不受環境限制，可在粉塵及飄浮物的現場中正常運行。高壓變頻器的功耗一般為其容量的3~5%，其中移相變壓器約占45%，整流及逆變約占40%，控制系統、主回路電纜與銅排等約占15%。強迫風冷變頻器必須安裝風道將變頻器熱風排出室外，或者用大制冷量的空調來對變頻器進行冷卻，滿足功率元件對散熱的要求。而使用水冷變頻器后室內不需要設置額外的冷卻裝置，變頻器可以在密閉環境中運行，大大增加了變頻器運行的可靠性。

5、總結

通過改造后的運行工況分析、測試的數據及結果分析可知，高壓變頻器在技術經濟等方面都是優越的、先進的，與工頻運行工況相比投資回報期在3年左右。而水冷變頻和強迫風冷變頻器相比，不僅技術更先進，應用范圍更加廣泛，尤其在電廠的風機水泵這類重要負荷的改造中，運行上安全可靠，節能成效顯著，經濟效益可觀。