大功率高压变频装置在核电厂海水循环系统中的首次应用.pdf

收稿日期:作者简介:林玉山(),男,河北衡水人,高级工程师,学士,现从事核电厂电气设计管理工作(E m a i l l i n y s c n n p 敭 c o m敭 c n).大功率高压变频装置在核电厂海水循环系统中的首次应用林玉山,吴震(江苏核电有限公司,江苏连云港 ;中国核电工程有限公司,北京 )摘要:田湾核电、号机组的海水循环冷却系统中采用了高压变频装置,对其中的大功率循环水泵电机采用高压变频控制,通过调整电机转速调整循环水流量,在国内已运行核电厂中属首次应用.在项目建设时,江苏核电通过组织设计院、制造厂等单位进行大量调研和专家论证及评审,对变频器布置机房设计、变频器控制逻辑、水工参数匹配以及水泵电机制造工艺的完善和确定提出了决策性意见,已全部固化并落实在田湾核电、号机组变频装置的设计施工和设备制造中,对核电厂海水循环系统的冷却水流量设计及应用起到了开创性作用.关键词:大功率高压变频装置;核电厂海水循环水系统;首次应用中图分类号:TM 文献标志码:A文章编号:()T h eF i r s tU s e o f t h eL a r g eP o w e rH i g h v o l t a g eF r e q u e n c yC o n v e r t e rD e v i c e i nt h eS e aW a t e rC i r c u l a t i o nS y s t e mo fN u c l e a rP o w e rP l a n tL I NY u s h a n,WUZ h e n(J i a n g s uN u c l e a rP o w e rC o,L t d,L i a n y u n g a n g,J i a n g s uP r o v ,C h i n a;C h i n aN u c l e a rP o w e rE n g i n e e r i n gC o,L t d,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h eh i g h v o l t a g e f r e q u e n c yc o n v e r t e rd e v i c e i sa d o p t e di nt h es e a w a t e rc i r c u l a t i o nc o o l i n gs y s t e mo fT i a n w a n&(w h i c hw e r ep u t i n t oc o mm e r c i a lo p e r a t i o ni n a n d r e s p e c t i v e l y,b e l o n g i n gt oJ i a n g s uN u c l e a rP o w e rC o,L t d),a n d t h e l a r g ep o w e r c i r c u l a t i n gw a t e rp u m pm o t o r i s c o n t r o l l e db yh i g hv o l t a g e f r e q u e n c yc o n v e r s i o n T h e c i r c u l a t i n gw a t e r f l o wi s a d j u s t e db ya d j u s t i n g t h em o t o r s p e e d,w h i c h i s t h e f i r s t a p p l i c a t i o n i nd o m e s t i cn u c l e a r p o w e r p l a n t s D u r i n g t h e i m p l e m e n t a t i o no f t h ep r o j e c t,J N P Cp r o v i d e dd e c i s i o n m a k i n go p i n i o n so nt h ed e s i g no f t h e l a y o u to f t h e f r e q u e n c yc o n v e r t e rc o m p u t e r r o o m,f r e q u e n c yc o n v e r t e r c o n t r o ll o g i c,h y d r a u l i c p a r a m e t e rm a t c h i n g,a n d t h e i m p r o v e m e n t a n dd e t e r m i n a t i o no fw a t e r p u m pm o t o rm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yb yo r g a n i z i n ga l a r g en u m b e ro f i n v e s t i g a t i o n s,e x p e r t a r g u m e n t a t i o na n de v a l u a t i o nw i t hd e s i g ni n s t i t u t e sa n dm a n u f a c t u r i n gp l a n t s,e t c A l l o f t h e mh a v eb e e ns o l i d i f i e da n d i m p l e m e n t e d i nt h ed e s i g n,c o n s t r u c t i o na n de q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n go f t h ef r e q u e n c yc o n v e r t e rd e v i c eo fT i a n w a n&I tp l a y sap i o n e e r i n gr o l e i n t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no f t h e c o o l i n gw a t e r f l o wi n t h e s e a w a t e r c i r c u l a t i o ns y s t e mo f n u c l e a rp o w e rp l a n t K e yw o r d s:l a r g ep o w e rh i g h v o l t a g e f r e q u e n c yc o n v e r t e rd e v i c e;s e aw a t e r c i r c u l a t i o ns y s t e mo fn u c l e a rp l a n t;f i r s tu s eC L Cn u m b e r:TM A r t i c l e c h a r a c t e r:AA r t i c l e I D:()前言M 堆型的循环水系统水泵电机在参考电厂一直使用高压k V定速电机,在冬季环境温度较低时会对凝汽器产生过冷影响,减少凝汽器寿命,并对汽轮机的运行有一定影响.循环水系统的冷却介质为海水,具体如田湾核电、号机组,由于冬季时海水温度较低,如果循环水流量恒定不变,根据已订购的汽轮机和凝汽器的结构及技术参数,将会出现凝汽器过冷的现象,对凝汽器的寿命造成影响,进而将影响汽轮机的运行.依据连云港水文专题论证报告,多年逐月月平均海水水温如表所示.表连云港站海水多年表层水温月均值()T a b l eT h em o n t h l ya v e r a g ev a l u e()o f t h e s e aw a t e r s u r f a c e t e m p e r a t u r e f o ry e a r sa tL i a n y u n g a n gN P P月月份 平均温度 海水温度过低将会引起凝汽器的背压过低,从上表可以看出在冬季的、月份海水平均温度均较低,最低为 ,经估算,此时凝汽器背压仅能达到约 k P a,远低于设计背压值 k P a.经咨询汽轮机厂家,对于田湾核电冬季运行时出现的低温情况,如果按照常规M 机组的汽轮发电机循环系统采用一机(组)两泵定速运行方式,厂家经初步分析后认为将对汽轮机末级叶片安全性造成很大影响,不建议机组在此工况下运行;另对于凝汽器的长期半侧运行方式也不允许,该方式只适用于凝汽器停用时对半侧凝汽器进行在线清洗和堵漏工作.因此,为了实现循环水系统安全可靠运行,相对较易实现的方式就是对循环水泵的转速进行调节,使其具有根据海水温度变化进行相应调节水流量的能力,以减少低温导致的不利影响.目前调节水泵转速较为合理高效且较节能的方法就是采用变频调速技术,从实地到采用变频装置的火电站等调研情况看,该技术在实际应用上也是较为成熟可靠的.实施方案 具体方案)采用大功率高压变频装置用于循环水泵调速,如图所示,同时辅之以以下两个技术方案,以满足核电工程高可靠性的要求:在变 频 装 置 发 生 故 障 时,利 用 旁 路(图中的Q S 开关)功能将电机电源从可变频率电源紧急切换到厂用电工频电源,使系统以固定的转速运行,将对生产发电的危害降低到最小.采用多电平变频调速方式,对关键元件设置冗余器件(厂家原产品为一套变频装置每相个逆变功率模块I G B T,该项目增加为每相个),以提高其运行可靠性.)变频装置外形如图所示.图一拖一变频装置系统图F i g T h es y s t e mo f t h eo n e d r a g o n e f r e q u e n c yc o n v e r t e rd e v i c e图高压变频装置外形图F i g T h eo u t e ra p p e a r a n c eo f t h eh i g h v o l t a g e f r e q u e n c yc o n v e r t e rd e v i c e 技术方法)对装置运行时与水泵电机间产生的共振以及高次谐波对电机绝缘及温升的影响方面进行研究和试验,保障电机运行的可靠性.电机转子在临界转速运行时,会出现激烈的振动,而且轴的弯曲度明显增大,长时间运行还会造成轴的严重弯曲变形,甚至折断,因此必须使转子的临界转速避开电机转速工作区间,以免发生共振;低转速时电机内部冷却功能降低,但由于散热量减少,因此可不加强迫风冷.在额定及低转速下的电机温升需满足规范要求.)考虑变频拖动特性,为与变频装置良好配合,对电机部分结构进行了适应性改进,如为防止变频运行中产生的高陡波电压而增强了电机绝缘.)本项目实际采用的变频装置及循环水泵电机参数如下.变频装置:额定功率:k VA;额定电压:k V;功率因数:;谐波含量:装置输入电压谐波 (判断标准:);输入电流谐波 (判断标准:).循环水泵电机:额定功率:kW;额定电压:k V.实施过程的质量与可靠性因大功率高压变频装置在国内核电站为首次应用,因此江苏核电对采购该变频装置非常重视,采取多种有效措施,包括项目前期组织应用情况调研、项目开始后的技术方案专家审查会、审查产品制造质量计划和出厂试验大纲、赴工厂出席质量见证点、组织电站使用部门进行出厂试验及验收等,严把产品质量关;现场调试时安排厂家到现场进行指导;分别在厂家及现场进行了变频装置理论、组成、运维培训,保证了产品的制造、安装、调试质量,并为后续的可靠运行及运维打下了良好基础.国内外同类技术比较 国外同类技术从 世纪 年代开始,国外多家公司研制出了不同型号的高压大功率变频装置,主要在火电厂辅机和其他行业的节能改造中得到了广泛应用,并取得了良好效果.国内同类技术现国内生产高压变频器的厂家也较多,已与国外厂家产品形成竞争之势.在国内核电站中,一般循环系统冷却回路水泵配套电机多采用定速电机,少量采用双速电机(为进口电机,价格也较高).当定速电机以额定转速及功率运行时,在环境温度较低时将对凝汽器产生过冷现象,影响冷却器寿命,一旦出现故障还将影响汽轮机的运行,影响电厂发电效益.同时,循环水泵电机一直以额定功率运行,所消耗厂用电量也较多.而采用变频装置调速后,启动电流小,可延长电机的使用寿命,特别是可根据循环系统冷却水温度情况调整循环水泵电机转速及功率,在冬季环境温度较低时降低转速减少冷却水流量,避免对凝汽器设备产生过冷影响,延长了设备寿命,同时,低转速运行也减少了电机的功率输出,减少了厂用电量,达到了节能、降本增效的效果.关键技术与技术难点 关键技术大功率高压变频装置的关键技术是制造厂家的商业秘密,如逆变功率单元(I G B T)、薄膜式电容(可自愈式)等核心元器件的制造.技术难点大功率高压变频装置的技术难点是变频装置故障时旁路柜的自动切换(本项目为安全考虑为手动切换)以及运行噪声控制等.目前不采用自动切换的原因主要在于:因配套电动机容量较大,变频装置保护动作切断主电源时电动机会残余较多的电动势,这时如快速切换到旁路电源后,将可能在回路上产生较大过电压,导致上游保护动作跳闸而使系统断电停机;实际上,对于 kW以上的国内大功率水泵配套变频装置,采用自动切换方式较少,究其原因在于自动切换成功概率低,可能造成的危害后果较为严重.当变频装置需检修更换元器件时,如果利用旁路开关与变频装置并联运行而实现对变频装置本身进行不停电更换,这一做法经分析也不可行,如图所示,将会造成变频器短路烧毁,因此应在实践中避免此类操作,以保护变频装置的设备安全.图(以I G B T逆变功率单元为例)输出侧接入电源时短路电流的路径F i g T h ep a t ho f s h o r t c i r c u i t c u r r e n tw h e nt h eo u t p u t s i d e i sc o n n e c t e dw i t ht h ep o w e rs u p p l y(t a k i n gI G B Ti n v e r t e rp o w e ru n i t f o r i n s t a n c e)创新性与先进性 创新性大功率高压变频装置在火力发电、冶金、交通机车、造纸、水泥、供水、石油化工等行业均得到了广泛应用,但在国内核电站为首次应用,对核电厂海水循环系统的冷却设备选型(通过调整转速流量方式)起到了开创性作用.先进性大功率高压变频装置在国内核电站为首次应用,本项目正式运行后将对凝汽器设备安全及寿命延长作用以及循泵节能效果进行检验,相对于仅采用定速电机冷却核电站循环水系统而带来的、对于凝汽器设备的不利影响来说,效果也是较好的.应用和效益 应用经调查,田湾核电、号机组变频装置现场带载及频率调节数据如表所示.表变频装置实际运行数据T a b l eT h ea c t u a l o p e r a t i o nd a t ao f t h e f r e q u e n c yc o n v e r t e rd e v i c e测量部位 H z频率下运行 m i n H z频率下运行 m i n H z频率下运行 m i n电机启动电流/I n 电机转速/(r/m i n)移相变温升a)/K 环境温度/注:a)准则值 K.通过表中数据可以看出,随着电机转速在变频装 置 的 控 制 下 降 低 后,其 启 动 电 流 也 随 之降低.效益)对于由于电机转速降低所达到的节能效果可粗略估算(按一般经验冬季运行时转速至少可下降 以上,现以 为例)如下:因功率与转速的关系比为立方关系,如转速下降为原来的,即 倍额定转速,则功率消耗将下降为原功率的 倍,按一台循环水泵额定电功率 k W计算,进行变频调速后电功率将减少消耗 ()k W,如按 冬 季(月、次 年、月)个 月 天时间、电价 元/kWh计算,则每年可至 少 节 约 电 费 万元,单机组二台循环水泵运行则可节约电费 万元.如转速下降更多,则节能效果将更可观.变频装置总投资额为单机组 万元,这样年即可收回全部投资.双机组台水泵运行年可节约电费 万元 万元,即可转为多发电效益.)如按汽轮机凝汽器的直接投资额计算,目前单机组(共台凝汽器)造价为亿余元,而变频装置总投资额为单机组 万元,因而通过使用 变 频 装 置 延 长 凝 汽 器 寿 命 也 是 十 分 值得的.)如计入因凝汽器故障而导致的汽轮机停机所引起的发电损失则更为巨大,而因此导致汽轮机非停,将对核电站安全产生不利影响以及引发社会公众的担忧等.应用前景田湾核电、号机组配置的台大功率高压变频装置(台/机组),现均在运行中,且运行效果良好.后续将对凝汽器设备安全及延长寿命作用以及循环水泵电机节能效果进行检验后可广泛应用于核电厂的冷却水循环系统设备中,对我国的核电建设起到良好的促进作用,应用前景广阔.参考文献:贾贵玺,高跃,贺家李,等高压变频调速技术在发电厂节能方面的 研究与 应用J电力系统自动化,():调速电气传动系统:G B/T S火电厂风机水泵用高压变频器:D L/T S