变频调速技术在核电站大型循环水泵上的应用探讨与研究

水利水电工程第5卷第12期匠|ICONSTRUCTION2015年4月变频调速技术在核电站大型循环水泵上的应用探讨与研究张文磊吴震中国核电工程有限公司北京100840摘要:本文针对核电厂“凝汽器冬季过冷”的工程问题，提出了应用变频调速技术解决的方案。从循环水泵变频调速方案的选择、变频器技术特点和可靠性等几个方面入手进行了深入的剖析和探讨，结合核电厂循环水泵的特点，给出了自己的设计观点。关键词:变频调速;变频器中图分类号: TV文献标识码: A引言变频器根据逆变器直流输入侧并联电容或串联电感的不同可分为田湾核电站扩建5、6号机组，厂址位于江苏省连云港市田湾核电 流源型变频器和电压源型变频器两大类。电站1 ~ 4号机组西北侧的船山，该地区冬季的1、2月份海水平均2.2电流源型变频器温度较低，而这种海水温度过低的状况会引起该汽轮机的相关凝汽电流源型变频器的主要特点是采用大电感作为中间直流储能环器的背压过低。例如海水温度在39C时，此时凝汽器背压仅能达到约节， 对于负载来讲相当于恒流源。这种变频器的逆变器中主要采用晶2.8KPa，远低于设计背压4.9KPa,即凝汽器过冷现象。闸管类器件如半控型可控硅晶闸管(SCR,额定电压约12kV).全控凝汽器的相关循环水泵属于蒸汽循环回路，在核电站中通常称为型i ]极关断晶闸管(GTO,额定电压约6kV)等,这种功率器件- -般三回路，主要用于冷却汽轮机中做过功的热蒸汽(乏蒸汽),保证正通 过电流信号的变化来控制器件的开通或关断，我们又称之为电流源常的水循环。为了避免上面的这种现象，必须要对循环水泵的转速进型电 电子器件。这种变频器电流保护实现较为容易，但耐压要求较行调节，从而改变循环水量。目前核电站常用的循环水量调节方式有多泵组合方式、双速泵目前市场上电流源型中压变频器的最大供电容量大约为72MVA,(变极调速)方式，如果采用多泵组合，目前常用的组合方式为一机在容量 上同样能满足田湾5、6号机组循环水泵的容量(000kW )要求。三泵或- -机四泵，则最多可以进行三档调节，如果使用双速泵(变极电流源型变频器主要有负载换相式(LoadCommutatedInverter简调速)方式调节范围将更少，虽可以满足系统的安全运行，但无法充称LCI) 变频器、门极关断晶闸管( Gate Tum off Thyristor)简称GTO分利用不同季节水温的变化达到节能的目的，调控手段不够灵活，而式变频器。且这两种设计方式还存在- -些现实的缺陷:2.3电压源型变频器1.对于多泵组合方式，必然对现有核电机组的总平面布置造成较电压源型变频器的直流环节储能元件采用大电容，直流电源内阻大的影响，沟道设计和泵房的设计均需要调整，占地面积也要增加，较小， 对于负载来讲相当于恒压源。这种变频器的逆变器中采用的器设计的复杂性要增加，不利于前明沟道的负挖和工程的顺利完成。件主要是场效应电力电子器件,这类功率器件的开通和关断由电压信2.对于双速泵 (变极调速)方式，存在两个无法回避的问题.号进行控制，我们也称之为电压源型电力电子器件。常用的器件有个是在变速时的停泵水锤很难解决，可能影响长期运行安全，另外一场效 应晶体管( MOSFET，最高额定电压约600V )、绝缘栅双极型晶个是大型电机转子在变速时也可能造成较大的震动，甚至影响电机的体管 ( IGBT,最高额定电压约3.5kV )、集成门极换向晶闸管( IGCT,寿命。最高额定电压约6.5kV )等。鉴于传统调节方式的各种弊端，并为适应原有的沟道布置方式和按照目前功率元件的制造水准，电压源型中压变频器的最大供电厂房布置方式，本文针对核电厂“凝汽器冬季过冷”的工程问题，提容量大约在36MVA， 在容量上可以满足田湾5、6号机组循环水泵电出了应用变频调速技术解决的方案。动机(容量6000kW )的需要。2循环水泵变频调速方案的选择电压源型变频器主要有中性点箝位变频器、单元串联变频器和2.1变频器概述NPC/H混合型变频器等几种。变频器又叫变频调速器，是一种利用电力半导体器件的通断作用电流源型变频器和电压源型变频器各有优缺点。它们的技术特点将固定频率( 50Hz或60Hz )的交流电源变换成频率连续可调的交流对比如表1:电源的电力装置，主要用于交流电机(异步电机或同步电机)的转速电流源型变频器技术成熟有足够的运行经验，并且晶闸管结构简调节。现在使用的变频器主要采用交- -直一 交变换方式， 首先把工频单， 耐压和过流能力强，可靠性较高;但因其有大电感，需要与电网的交流电变换为直流电源( 整流单元),然后再把直流电源转换成频交换 无功功率，导致功率因数略低， 电流动态响应较困难，需求的动率、电压均可调节的交流电源(逆变单元)供给电动机，从而实现对态 力矩跟不上，特性较软;作为两电平变频器，它的共模电压和dv/电动机的无极调速。其原理结构如图1所示。dt问题较突出，对电机绝缘的要求较高。变颇电压源型变频器与电流源型变频器相比，技术发展的较晚一些,电动机运行经验稍短,IGBT和IGCT在耐压和过流方面比起晶闸管相对较差,.整德单元-直流单元」→避发单元」一 +(M)但是通过中性点箝位或低压功率单元串联等技术可以在一-定程度 上克电压电流服这些问题;电压源型变频器的优势在于功率因数高、开关速度快、控制单元关断均匀、输出波形好;由于控制技术出色，通过电流反馈形成闭环度地实现对1申村的磁通力矩控制，图1变频器基本结构使电机特性可柔可刚中国煤化工评价变频器性能的主要指标有可靠性(变频器行业内的叫法)、经过综合分析和:FYHCNMHG变频器带旁路连网侧谐波污染、输入功率因数、输出谐波、系统效率等。接的方案作为循环水录受频调速力荣(见图2 )。第5卷第12期水利水电工程|2015年4月CONSTRUCTION&1 变频器的不同方案技术对比①逆变单元采用新型功率半导体器件IGCT,既有ICBT的高频率2通断特性，还具有GT0的高阻断电压和低导通损失率特性，因此无选用的技术方式电流源型变频器电压源型变频器|电压源型变频器须串联即可直接接人高电压逆变回路，减少了逆变电路元器件的数(中性点箝位式)| (单元申联式)目，提高了系统的可靠性。②控制回路采用直接转矩控制( DTC)技术，可根据工艺的需求其对应电路结构SCRICBT箝位多个ICBT提供精确的速度和转矩控制。其对应的普通变压器移相变压器复杂多绕组缺点:逆变电路器件没有冗余，-个器件出了故障，就要停机更输入变压器( 12脉波)(多脉波)换损坏的器件。如果负荷对供电电源要求较高，为了克服上述缺点，则应增加旁整流器件二极管路环节，当主路环节器件故障时，迅速切换到旁路以保证负荷的运逆变器件SCICBT或IGCTICBT行调速性能差好较好b)单元串联变频器(西门子公司ROBICON、东芝三菱TMdrive-带故障运行可以可Mv)旁路方式无有此类变频器系统结构- -般如下:核电业绩电网变压器6kV电压源型循环水利一齿轮箱一变频器! Q3| |电动机厂断路器9以旁路断路器图2电压源型变 频器带旁路方案注:变频运行时，Q2、Q3闭合，Q1断开;单J工频旁路运行时，Q2、Q3断开，Q1闭合;(motoryQ1和Q3之间设置机械互锁。3电压 源型变频器在循环水泵调速方案上的应用图4单元 串联变频器系统图(西门子的ROBICON )在变频器的系统结构中，电压源型变频器与电流源型变频器最大交流电源输入经移相隔离变压器后分别接入18个功率单元(每的不同就在于电压源型电力电子器件优异的控制性能。在电压源型变相6个),再输出电压、频率可调的交流电源至电动机。其中，每个频:器中不需要负载电机的反相电压来协助控制逆变器件的关断，因此功率单元包含二极管整流桥、电容和逆变回路功率器件IGBT。可加旁路、接异步电动机, (凡是带旁路的变频器，电机和负载之间单元串联变频器采用多个低压的功率单元串联实现高压，低压功必须保留减速齿轮箱)。在变频器出现无法继续运行的故障时，将之率单元- -般采用ICBT,输人侧的降压变压器采用移相方式，可有效整体切掉，接通旁路开关继续给电动机供电使之运行，这样大大的提消除对电网的谐波污染，输出侧采用多电平SPWM技术，可适用于异高了循环水泵的供电可靠性。步电动机调速。3.1技术特点分析电压源型变频器，目前市场上应用较多的是中性点箝位变频器另外，其逆变单元可采用冗余设计，在某个功率单元出现故障和单元串联变频器。主流产品有ABB的AC000系列、西门子的时，可自动切除，退出系统。而其余的功率单元可继续工作，保持电ROBICON完美无谐波系列和东芝三菱的TMdrive- -MV无谐波系列等。机的运行，减少停机次数。该技术方案的主要特点如下:a)中性点箝位NPC ( neutral-point- -clamped )变频器( ABB公司①采用每相6个低压功率单元IGBT串联来实现6.6kV中压输出，ACS5000 )既解决了单个ICBT耐压水平不够的问题，又发挥了其开关速度快，交流电源输人经移相隔离变压器后接人36脉冲的二极管整流桥,关断均匀，输出波形好等优点。②具有一定的带故障运行能力:每相的功率单元具有冗余功能,通过直流单元，再经中性点箝位三电平的逆变单元，输出电压、频率采用功率单元自动旁路技术，当某-一个功率单元发生故障时，自动将可调的交流电源至电动机(如图3所示)。其旁路短接，同时再利用其独有的中心点漂移技术，调节输出电压，ACS 5000 MIVaVnable FeungyDrvte基本满足负载侧6.6kV电压的需求。3.2可靠性分析我们调研资料“参考了额定功率为4MW的上述3种主流类型的DPu体工事进空空一MVAC电压源型变频器的故障失效率。Induction现对上述3种主要拓扑结构的电压源型变频器编号如下:百体，事曲圣圣一Motor(1) NPC-VSI (中性点箝位电压源型)变频器。(2)功率单元(串联)级联电压源型逆变器， 每相为五个单元串联，正常运行时只需.工作用假定ICBT不采用并联图3电压源型中性点箝位变频器系统图(ABB的ACS5000)形式，则这种变频器中国煤化工夫),每个模块为4+1个单元冗余，负HCNMHG(3)同样结构不含几余时单元(串联)缴联变频器;水利水电工程第5卷第12期G|ICONSTRUCTION2015年4月这三种不同拓扑结构变频传动系统的总失效率示意图见图5。6特点分析图5中柱状图为统计时间内的器件总失效时间。6.1可行性70000应用变频调速技术解决循环水泵调速方案，我们]熟悉的布置模式D000不会改变，对设计和施工工期的保障会变得非常有利;变频技术能成功的解决凝汽器冬季过冷问题，使循环水系统- -机两泵的布置模式不再受海水温度影响，能更好的适应我国北方地区，对于后续北方核电国30000站类似系统的设计、建造积累经验。20006.2经济性0006.2.1 直接经济效益变频调速是真正意义上的无极调速，不但可以做到随着季节水温NPC-VSI (IGBT)单元板联7SI (4+0)单元领联USI(4+1;有几朵变化对循环水供水量进行实时调节，还可以根据不同潮位进行局部微图5三种 4MW系统单元件故障时的失效率示意图调，这样百万千瓦机组每年的运行费用可以大幅度减少，根据秦山二在不采取更换元件措施时，调速传动系统可靠度函数如图6所示。期实际使用水量和设计最高水量的比值估算年运行费用可以节省约1/4，两台机组年节约运行费用总量至少可以达到7000万元以上。， NPC-VSI (ICBT)变频调速技术在核电厂的成功运行，不仅可以在不同的核电厂的单元级联vsI循泵上进行推广，而且在节能减排方面收获巨大的经济效益;同时核单示级联vsI电厂内的其他各种大型泵类风机上也可以广~泛的应用，必将取得相当可观的成果。目前火电厂的相应设备运行经验证明节能效果约为原来电量的1/3左右，这样可以大幅度的降低厂用电率，减少发电成本,提高核电在电力市场化改革中的竞争力。6.2.2 间接经济效益变频器对循环水泵电机实现了变频软启动，启动频率低，转速低，电流小且平稳，避免了工频启动时(启动电流是电机额定电流的6- 7倍)对电机、电缆、开关及机械设备的不利冲击和损害，设备图6不采取更换措施时三种配置的可靠度函数健康水平可以得到大幅的提高，延长了电机等设备的使用寿命，减轻图7总结了当一个元件失效时不同系统和不同维护方案时的平均了 轴承的磨损，提高了设备的可靠性，减少维护费用。无故障时间MTBF ( Mean Time Between Failure)6.3可靠性为了保证循环水泵供电具有更高的可靠性，我们选用了电压源型口IPC-rSI(IGBT)变频器(进口品牌产品)带旁路连接的一_拖一典型设计方案作为循环。单元堡职rSI(4+0)口，单元象展5SI(4+1)水泵变频调速方案。当变频器处于故障状态时，可切换到工频旁路供电，可以满足持续供电的要求，只是在短时切换这段时间内会造成短暂的供电中断，但这在核电厂循环水泵的设计中是可以接受的。7结论大功率高压变频器技术已经非常成熟，故障率很低，只要认真做好8常维护和检修工作，即使出现故障，在保证关键备品备件数量的情况下，也能很快更换。高压变频调速技术可用于循环水泵的调速。综上所述，笔者认为:对核电厂循环水泵采用变频调速技术是解一个元件失效时不更损失颊元件时 定期更换失数元件时决“凝汽器冬季过冷问题”的最佳方案。图7 三种4MW系统不同情况时的MTBF由于变频技术是首次在核电厂循环水泵调速方案中应用，我们在从上述图表中我们可以看出:设计中将积极吸收和借鉴国内外同行的成熟经验，虚心听取各位专家1.在无冗余时，采用NPC-VSI方案的变频传动系统表现出比采用的中肯 意见，不断修正和完善循环水泵变频调速设计方案，为核电站多单元(串联)级联型VSI方案更高的可靠性。相关系统的设计积累经验、提供运行范例，供同行参考和评估，不2.当采用N + 1冗余方案时，低压ICBT的多单元(串联)级联型的推进核电向安全可靠、 高效低耗、节能创效的方向发展。变频器的可靠性是较其他两类竞争力更强。参考文献:通过上述分析我们认为带有冗余的低压单元(串联)级联变频器[1]作者: M.Griggs R.-D.Klug L.Tejwani西门子公司MW级交流传将是我们设计方案上的-一个很好的选择。动方案的可靠性和可利用率文章昂国路花兰全文。化工YHCNMHG