تغییرات سیستم‌های مبدل فشار بالا در نیروگاه‌ها

1 ساختار پایه و مکانیزم عملیاتی مبدل‌های فشار قوی

1.1 ترکیب ماژول‌ها

• ماژول مستطیل‌ساز: این ماژول انرژی ورودی الکتریکی جریان متناوب با فشار بالا را به جریان مستقیم تبدیل می‌کند. بخش مستطیل‌ساز عمدتاً شامل تایریستورها، دیودها یا دستگاه‌های نیمه‌رسانا دیگر برای تبدیل AC به DC است. همچنین، از طریق واحد کنترلی، تنظیم ولتاژ و جبران توان در محدوده‌ای خاص امکان‌پذیر است.

• ماژول فیلتر DC: جریان مستقیم مستطیل شده توسط مدار فیلتر پردازش می‌شود تا نوسانات ولتاژ صاف شوند و ولتاژ DC ثابتی ایجاد شود. این ولتاژ نه تنها انرژی را برای مرحله بعدی مبدل ارائه می‌دهد بلکه نقش مهمی در حفظ ثبات ولتاژ خروجی و توانایی پاسخ دینامیکی دارد.

• ماژول مبدل: جریان مستقیم فیلتر شده در ماژول مبدل با استفاده از دستگاه‌های نیمه‌رسانا مانند IGBT و تکنولوژی مدولاسیون عرض پالس (PWM) به جریان متناوب تبدیل می‌شود. با تنظیم ضریب اشغال و فرکانس تغییر وضعیت سیگنال PWM، مبدل می‌تواند دقت کنترل دامنه و فرکانس جریان متناوب خروجی را فراهم کند که نیازهای مختلف بارها مانند موتورها، پره‌ها و پمپ‌ها را برآورده می‌کند. این تکنولوژی به مبدل اجازه می‌دهد تا عملکردهایی مانند آغاز نرم، کنترل سرعت بدون مرحله، شرایط کاری بهینه و صرفه‌جویی در انرژی را ارائه دهد.

1.2 مکانیزم عملیاتی

مبدل‌های فشار قوی از توپولوژی چندسطحی متصل شده به صورت سلسله‌مراتب استفاده می‌کنند که موج خروجی را به صورت نزدیک به موج سینوسی تولید می‌کند. آنها می‌توانند مستقیماً جریان متناوب با فشار بالا را برای محرک موتورها تولید کنند. این ساختار نیاز به فیلترهای اضافی یا ترانسفورماتورهای افزایش فشار را حذف می‌کند و مزیت محتوای هارمونیک کم را دارد. سرعت موتور $n$ در معادله زیر صدق می‌کند:

که در آن: $P$ تعداد جفت‌های قطب موتور است؛ $f$ فرکانس کاری موتور است؛ $s$ نسبت لغزش است. از آنجا که نسبت لغزش معمولاً کوچک است (معمولاً در محدوده 0-0.05)، تنظیم فرکانس تغذیه موتور $f$ امکان تنظیم سرعت واقعی آن $n$ را فراهم می‌کند. نسبت لغزش موتور $s$ با شدت بار مثبت همبستگی دارد—هرچه بار بیشتر باشد، نسبت لغزش بیشتر می‌شود و منجر به کاهش سرعت واقعی موتور می‌گردد.

1.3 عوامل کلیدی در انتخاب فنی

• تطابق ولتاژ: بر اساس ولتاژ اسمی موتور، روش‌های تطابق مناسب مانند "بلند-بلند" یا "بلند-کوتاه-بلند" انتخاب می‌شود. برای موتورهای با توان بیش از 1000 کیلووات، روش "بلند-بلند" توصیه می‌شود. برای موتورهای زیر 500 کیلووات، روش "بلند-کوتاه-بلند" می‌تواند مورد توجه قرار گیرد.

• کاهش هارمونیک: هارمونیک‌ها به راحتی در انتهای ورودی و خروجی مبدل‌های فشار قوی تولید می‌شوند. برای کاهش تأثیر آنها، تکنیک‌های چندگانه یا فیلترهای اضافی می‌توانند استفاده شوند. با تنظیم صحیح فیلترها، تحریف هارمونیک را می‌توان در 5٪ کنترل کرد و کاهش موثر هارمونیک را به دست آورد.

• تأسیسات محیطی: مبدل‌های فشار قوی به سیستم‌های خنک‌سازی هوایی یا آبی نیاز دارند تا مطمئن شوند که دمای داخل کابین کنترل کمتر از 40 درجه سانتیگراد باشد. معمولاً در محل مبدل‌ها دستگاه‌های خشک کن و کولر نصب می‌شوند. در مناطق خاصی که کولر ندارند، باید در طراحی نرخ دمایی قطعات را در نظر گرفت و ظرفیت تهویه سیستم‌های خنک‌سازی را افزایش داد تا عملکرد پایدار تضمین شود.

2 مثال کاربردی مبدل‌های فشار قوی در نیروگاه‌ها

سیستم برق یک نیروگاه معمولاً شامل تجهیزاتی از توربین‌های مولد، دیگ‌ها، تصفیه آب، انتقال زغال و سیستم‌های دی‌سولفوریزاسیون است. بخش توربین انرژی را برای پمپ‌های فیدر آب و پمپ‌های چرخه آب تأمین می‌کند، بخش دیگ پره‌های تخلیه اجباری (پره‌های اولیه)، پره‌های دومی و پره‌های جذب ارائه می‌دهد، در حالی که بخش انتقال زغال از نوارهای نقاله استفاده می‌کند. با استفاده از مبدل‌های فشار قوی برای کنترل سرعت متغیر این دستگاه‌ها بر اساس تغییرات بار، مصرف انرژی کاهش می‌یابد، مصرف برق کمکی کاهش می‌یابد و اقتصاد عملیاتی بهبود می‌یابد.

پروژه تولید نیکل-آهن در مورووالی، اندونزی، واقع در جزیره سوماترا، بین سال‌های 2019 و 2023 هشت واحد مولد 135 مگاواتی راه‌اندازی کرد. برای بهینه‌سازی عملیات داخلی و کاهش هزینه‌های تولید، بین سال‌های 2023 و 2024 بازسازی‌های فنی شامل نصب مبدل‌های فشار قوی برای پمپ‌های کندانسور واحد‌های 1، 2، 3، 4 و 7 و پمپ‌های فیدر واحد‌های 2 و 5 انجام شد.

2.1 وضعیت تجهیزات

پروژه از فرآیند فلزکاری حرارتی نیکل-آهن استفاده می‌کند با 25 خط تولید، مجهز به هشت دیگ سیالیزه‌ای جریان مداوم دورانی DG440/13.8-II1 شرکت دونگفنگ الکتریک و هشت مجموعه توربین بخار میان‌گرمایی میانی 135 مگاواتی. هر واحد با دو پمپ کندانسور با فرکانس ثابت، دو پمپ تنظیم شده با کوپل‌های هیدرولیکی و شش پره تنظیم شده با کوپل‌های هیدرولیکی مجهز شده است.

پمپ‌های فیدر و پره‌ها با قابلیت اضافه‌بار طراحی شده‌اند که 10٪-20٪ ظرفیت اضافی را فراهم می‌کنند. واحد‌های 5 و 6 در حالت جزیره با نرخ بار حدود 70٪ کار می‌کنند. با بهینه‌سازی سرعت موتور برای تطبیق با نیازهای بار واقعی و استفاده از بازخورد انرژی ترمز بازگشتی به شبکه، مصرف غیرضروری انرژی از پره‌ها، پمپ‌ها و دستگاه‌های دیگر کاهش یافته و از دست دادن انرژی سیستم کمتر می‌شود.

2.2 طرح بازسازی

بر اساس شرایط عملیاتی واقعی تجهیزات، بازسازی مبدل‌های فشار قوی برای پمپ‌های فیدر و کندانسور یکاهای 135 مگاواتی انجام شد.

• بازسازی پمپ فیدر: یک پیکربندی "خودکار یک به یک" اتخاذ شد که هر پمپ فیدر با یک مبدل فشار قوی اختصاصی مجهز شده و شامل یک کابین بای‌پس برای تضمین قابلیت اعتماد سیستم است.

• بازسازی پمپ کندانسور: یک پیکربندی "یک به دو" اجرا شد که دو پمپ کندانسور یک مبدل فشار قوی مشترک داشته و تعادل بین کارایی و ارزانی فراهم می‌شود.

با در نظر گرفتن محدوده دمای حداکثر تاریخی محلی 23-32 درجه سانتیگراد، قطعاتی انتخاب شدند که در دمای محیطی 40 درجه سانتیگراد عملکرد دارند. علاوه بر این، طراحی تخلیه اجباری کابین مبدل بر اساس دمای اتاق 40 درجه سانتیگراد تنظیم شد تا تضمین شود که تبادل حرارتی مؤثر است و نیاز به اتاق مخصوص مبدل یا سیستم‌های کولری نیست.

2.3 ارزیابی سود اقتصادی

سرمایه‌گذاری کل برای این پروژه بازسازی حدود 6 میلیون یوان بود، شامل 5 میلیون یوان برای تجهیزات، 400000 یوان برای ساخت و ساز و 600000 یوان برای مواد کمکی ارائه شده توسط مشتری. محاسبات نشان می‌دهند که سود سالانه از صرفه‌جویی در انرژی 6.58 میلیون یوان است که بازگشت سرمایه در کمتر از یک سال امکان‌پذیر است و اهداف اقتصادی مورد انتظار با موفقیت به دست آمده است.

3 نتیجه‌گیری

با توسعه سریع تکنولوژی مبدل‌های فشار قوی، کاربردهای آن به سرعت در صنایع مختلف گسترش یافته است. در سیستم‌های تولید نیروگاه‌ها، باید تکنولوژی مبدل‌های فشار قوی به صورت فعال ترویج یافته و اولویت به بازسازی واحد‌هایی با ساعات کاری طولانی یا واحد‌هایی که به به‌روزرسانی فوری نیاز دارند داده شود، زیرا این اقدامات ارزش اقتصادی و استراتژیک قابل توجهی دارند.