Ретрофит на високонапрегови инвертори в електроцентрали

1 Основна структура и оперативен механизъм на високонапраните инвертори

1.1 Състав на модулите

• Модул за правоъгълно напрежение: Този модул преобразува входящото високонапрано променливо напрежение в постоянна сила тока. Секцията за правоъгълно напрежение включва предимно тиристори, диоди или други мощностни полупроводникови устройства, за да осъществи преобразуването от променливо в постоянно напрежение. Освен това, чрез контролна единица, може да се реализира регулиране на напрежението и компенсация на мощността в определен диапазон.

• Модул за филтриране на DC: Правоъгълната постоянна сила тока е обработена чрез филтърна верига, за да се изгладят колебанията на напрежението, формирайки стабилно DC шина напрежение. Това напрежение не само предоставя енергийна поддръжка за следващата инверторна фаза, но играе ключова роля и за гарантиране на стабилността на изходното напрежение и динамичната реакция.

• Инверторен модул: Филтрираната постоянна сила тока се преобразува обратно в променлива сила тока в инверторния модул, използвайки мощностни полупроводникови устройства като IGBT и технология за широчинно модулиране (PWM). Чрез регулиране на коефициента на запълване и честотата на комутиране на сигнала PWM, инверторът може точно да контролира амплитудата и честотата на изходната променлива сила тока, удовлетворявайки изискванията на различни потребители като мотори, вентилатори и помпи. Тази технология позволява на инвертора да предоставя функции като бавен стартер, безступенна регулировка на скоростта, оптимизирани условия за работа и спестяване на енергия.

1.2 Оперативен механизъм

Високонапраните инвертори използват каскадна многоуровнева топология, произвеждайки изходен сигнал, който приближава синусоидална вълна. Те могат директно да издават високонапрано променливо напрежение, за да задвижат мотори. Тази конфигурация елиминира необходимостта от допълнителни филтри или повишаващи трансформатори и предлага преимуществото на нисък хармоничен съдържание. Скоростта на мотора $n$ удовлетворява следното уравнение:

Където: $P$ е броят на парите полюси на мотора; $f$ е работната честота на мотора; $s$ е коефициентът на просълзяване. Тъй като коефициентът на просълзяване обикновено е малък (обикновено в диапазона 0–0.05), регулирането на честотата на снабдяване на мотора $f$ позволява съответно регулиране на действителната му скорост $n$. Коефициентът на просълзяване на мотора $s$ е положително корелиран с интензитета на натоварването – по-високата натовареност води до по-голям коефициент на просълзяване, което довежда до намаление на действителната скорост на мотора.

1.3 Ключови фактори при техническия избор

• Съвместимост на напреженията: Изберете подходящи схеми за съвместимост, като „Високо-високо“ или „Високо-ниско-високо“, в зависимост от номиналното напрежение на мотора. За мотори с мощност над 1,000 кВт, се препоръчва схемата „Високо-високо“. За мотори под 500 кВт, може да се предпочете схемата „Високо-ниско-високо“.

• Определяне на хармоники: Хармониците лесно се генерират на входните и изходните терминали на високонапраните инвертори. За намаляване на техния ефект, могат да се използват мултиплексни техники или допълнителни филтри. Чрез правилна конфигурация на филтрите, хармоничното искажение може да бъде контролирано в рамките на 5%, постигайки ефективно подтискване на хармониките.

• Екологична адаптивност: Високонапраните инвертори изискват системи за въздушно или водно охлаждане, за да се гарантира, че температурата във вътрешността на контролния шкаф остава под 40°C. Обикновено в местата, където се инсталират инвертори, се монтират дехумидификатори и климатици. В специални области, където няма климатици, при проектирането трябва да се вземат предвид температурните класове на компонентите, и капацитетът за вентилация на охлаждането трябва да бъде увеличен, за да се гарантира стабилна работа.

2 Пример за приложение на високонапраните инвертори в електроцентрали

Електрическата система на електроцентрала обикновено включва оборудване от турбиногенератори, котли, системи за обработка на вода, транспортиране на въглище и десульфуриране. Секцията на турбините доставя мощност за питателни помпи и циркулиращи водни помпи, секцията на котлите предоставя нагнетителни вентилатори (основни вентилатори), вторични вентилатори и източни вентилатори, докато секцията за транспортиране на въглище управлява лентови транспортери. Чрез използване на високонапраните инвертори за управление на скоростта на тези устройства в зависимост от вариациите на натоварването, може да се намали енергийното потребление, да се намали допълнителното енергийно потребление и да се подобри икономиката на операцията.

Проект за производство на никел-желязо в Моровале, Индонезия, разположен на остров Суматра, в периода от 2019 до 2023 година, пусна в експлоатация осем генераторни единици по 135 МВт. За да се оптимизират вътрешните операции и да се намалят производствените разходи, между 2023 и 2024 година бяха извършени технически модернизации, включващи инсталацията на високонапраните инвертори за кондензационните помпи на единици 1, 2, 3, 4 и 7, както и за питателните помпи на единици 2 и 5.

2.1 Състояние на оборудването

Проектът използва пирометалургичен процес на никел-желязо с 25 производствени линии, оборудвани с осем котла с циркулиращо течнина Dongfang Electric DG440/13.8-II1 и осем 135 МВт средно-повторно-разгревни кондензационни турбоагрегата. Всяка единица е конфигурирана с две кондензационни помпи с постоянна честота, две помпи с хидравлически съединител и шест вентилатора с хидравлически съединител.

Питателните помпи и вентилатори са проектирани с резерв, предоставяйки 10%–20% резервна капацитет. Единици 5 и 6 работят в островен режим с натовареност около 70%. Чрез оптимизиране на скоростта на моторите, за да съответства на реалните изисквания на натоварването, и чрез интегриране на обратна енергия от рекуперативното спиране в мрежата, се намалява ненужното енергийно потребление от вентилатори, помпи и друго оборудване, което допълнително минимизира загубите на системата.

2.2 Схема за модернизация

На основата на реалните условия на работа на оборудването, бяха извършени модернизации с високонапрани инвертори за питателните и кондензационните помпи на 135 МВт генераторните единици.

• Модернизация на питателните помпи: Беше приета конфигурация „Автоматично едно-към-едно“, при която всяка питателна помпа е оборудвана с отделен високонапран инвертор, включително шкаф за обикаляне, за да се гарантира надеждността на системата.

• Модернизация на кондензационните помпи: Беше приета конфигурация „Едно-към-две“, при която две кондензационни помпи споделят един високонапран инвертор, балансирайки ефективността и икономичността.

С оглед на историческата максимална температурна градация в района от 23–32°C, компонентите са избрани да работят при околна температура от 40°C. Освен това, дизайна на принудителното издуване на шкафа на инвертора е коригиран, базирайки се на стаяна температура от 40°C, за да се гарантира ефективното разпръсване на топлина, елиминирайки необходимостта от специална стая за инвертор или системи за климатизация.

2.3 Икономическа оценка на ползите

Общата инвестиция за този проект за модернизация беше приблизително 6 милиона юана, включително 5 милиона юана за оборудване, 400,000 юана за строителство и 600,000 юана за допълнителни материали, предоставени от клиента. Пресмятанията показват годишен енергийно-спестяващ ефект от 6.58 милиона юана, позволявайки инвестицията да бъде възстановена за по-малко от една година, успешно постигайки очакваните икономически цели.

3 Заключение

С бързото развитие на технологията на високонапраните инвертори, техните приложения са се разширили бързо в различни индустрии. В производствените системи на електроцентрали, технологията на високонапраните инвертори трябва да бъде активно насърчавана. Приоритет трябва да се даде на модернизацията на единици с дълги часове на работа или на онези, които срещат спешна нужда от обновяване, тъй като такива мерки предлагат значителна икономическа стойност и стратегическа важност.