Korkeajännitekäännösten uudistus voimaloissa

1 Korkeajännitekääntöjen perusrakenne ja toimintaperiaate

1.1 Moduulien koostumus

• Suoritusmoduuli: Tämä moduuli muuntaa syötteen korkeajännitevaihtovirtaa suoraksi virtaksi. Suorituksen osa koostuu pääasiassa thyristoreista, diodeista tai muista tehoohjaimista AC:n muuntamiseksi DC:ksi. Lisäksi ohjausyksikön avulla voidaan saavuttaa jännitensäätö ja tehon kompensointi tietyssä ulottuvuudessa.

• DC-suodatusmoduuli: Suodatettu suora virta käsitellään suodatuspiirillä tasoittaakseen jännitysheilahteluja, muodostaen vakavan DC-bussijänniten. Tämä jännite tarjoaa energiaa seuraavalle kääntömoduulille ja on myös keskeinen rooli varmistaakseen tulosteen jännitenvakaudesta ja dynaamisesta vastauskyvystä.

• Kääntömoduuli: Suodatettu suora virta muutetaan taas vaihtovirtaksi kääntömoduulissa käyttäen tehoohjaimia, kuten IGBT:ja, ja pulssilevytaajuusmuuntamisteknologiaa (PWM). Säädämällä PWM-signaalin tiheyttä ja vaihtosignaalin taajuutta kääntö voi tarkasti hallita tulosteen vaihtovirtajännitteen amplitudiin ja taajuuden, täyttäen erilaisten kuormien, kuten moottorien, tuulikuortteiden ja pumpujen vaatimukset. Tämä teknologia mahdollistaa käännöksen tarjoamaan ominaisuuksia, kuten pehmeän käynnistyksen, askelittoman nopeuden säädön, optimoituja toimintaolosuhteita ja energiansäästöä.

1.2 Toimintaperiaate

Korkeajännitekäännöt käyttävät kytkettyä monitasoista topologiaa, tuottaen tulosteenaan sinimuotoisen aallon. Ne voivat suoraan tuottaa korkeajännitevaihtovirtaa ajamaan moottoreita. Tämä konfigurointi poistaa tarpeen lisäsuodattimille tai tasonnosturille ja tarjoaa etun pienestä harmonisista sisällöstä. Moottorin nopeus $n$ toteuttaa seuraavan yhtälön:

Missa: $P$ on moottorin polttoparivalmistelujen määrä; $f$ on moottorin toimintaan liittyvä taajuus; $s$ on lipsumerkki. Koska lipsumerkki on yleensä pieni (yleensä 0–0,05), moottorin toimintaan liittyvän taajuuden $f$ säätäminen mahdollistaa sen todellisen nopeuden $n$ vastaavan säätelyn. Moottorin lipsumerkki $s$ on positiivisesti korreloitu kuorman intensiteetin kanssa – mitä suurempi kuorma, sitä suurempi lipsumerkki, mikä johtaa moottorin todellisen nopeuden laskuun.

1.3 Teknisten valintojen keskeiset tekijät

• Jännitteen sopivuus: Valitse sopiva sopivuusmalli, kuten "High-High" tai "High-Low-High", moottorin nimijännitteen perusteella. Yli 1 000 kW:n moottoreille suositellaan "High-High" -mallia. Alle 500 kW:n moottoreille "High-Low-High" -malli voi olla ensisijainen.

• Harmonisvaikutusten vähentäminen: Harmoniset vaikutukset syntyy helposti korkeajännitekääntöjen syöttö- ja tulosteputkereissa. Niiden vaikutusten vähentämiseksi voidaan käyttää monipuolisia tekniikoita tai lisäsuodattimia. Oikealla suodatinmäärityksellä harmonisvääristys voidaan pitää 5 % rajoissa, saavutettaen tehokasta harmonisvaikutusten vähentämisen.

• Ympäristönsästävyys: Korkeajännitekäännöt vaativat ilmakehitys- tai vesikehitysjärjestelmiä varmistaakseen ohjauskabinetin sisäisen lämpötilan pysyessä alle 40 °C. Käännöspaikoilla asennetaan yleensä kosteudenpoisto- ja ilmastointilaitteita. Erikoisalueilla, joissa ei ole ilmastointia, komponenttien lämpötilaluokituksen on otettava huomioon suunnittelussa, ja jäädytyssysteemien ilmakehityskapasiteettiä on lisättävä varmistaen vakauden toiminnassa.

2 Korkeajännitekääntöjen sovellus esimerkkinä voimalassa

Voimalan sähköjärjestelmässä on yleensä laitteita, kuten turbiinimoottorit, uunisolmut, vedenpuhdistus, hiilen kuljetus ja desulfurointijärjestelmät. Turbiiniosuus toimittaa voimaa vedynsyöttöpumppeihin ja kierrtopumpeihin, uuniosuus tarjoaa pakopumput (ensimmäiset pumput), toissijaiset pumput ja indusoitumpumput, kun taas hiilen kuljetusosuus toimii nauhatransportteina. Käyttämällä korkeajännitekääntöjä näiden laitteiden nopeuden säädöksiä kuorman muutosten mukaan voidaan vähentää energiankulutusta, alentaa apuenergian kulutusta ja parantaa toiminnan taloudellisuutta.

Morowali, Indonesian, Sumateran saarella sijaitsevassa nikkelirauta tuotannossa, jossa oli tilattu kahdeksan 135 MW:n tuotantoyksikköä vuosina 2019–2023, toteutettiin teknisiä päivityksiä, jotka sisälsivät korkeajännitekääntöjen asennuksen kondensaattorpumpeihin yksiköille 1, 2, 3, 4 ja 7 sekä vedynsyöttöpumpeihin yksiköille 2 ja 5 vuosina 2023–2024, jotta sisäiset toiminnot voitaisiin optimoida ja tuotantokustannukset vähentää.

2.1 Laitevalmius

Projekti käyttää pyrometaallistusta nikkelirautaprosessia, jossa on 25 tuotantolinjaa, varustettuna kahdeksalla Dongfang Electric DG440/13.8-II1-kiertovesikiertoeristävillä uunisolmuilla ja kahdeksalla 135 MW:n väliaikaisesti lämmittävällä kondensoituvalla höyryturbiinin tuotantoyksiköllä. Jokaisella yksiköllä on kaksi kiinteätaajuuden kondensaattorpumpua, kaksi hydraulista koppia säädettäviä pumpeja ja kuusi hydraulista koppia säädettävää tuuletinta.

Vedynsyöttöpumput ja tuuletin on suunniteltu varmuusvarustuksella, tarjoten 10%–20% varmuusvarustusta. Yksiköt 5 ja 6 toimivat saarimoodissa, kuormituksen ollessa noin 70%. Optimoimalla moottorin nopeuden vastaamaan todellisia kuormituksia ja integroimalla regeneratiivisen jarrutusenergian palautusta verkkoon, vältetään turhia energiankulutuksia tuuletin, pumppu ja muiden laitteiden kautta, vähentäen järjestelmän energiankulumenoja entisestään.

2.2 Päivitysmalli

Oikeastaan laitteiden toimintaolosuhteiden perusteella korkeajännitekääntöjen päivitykset toteutettiin 135 MW:n tuotantoyksiköiden vedynsyöttö- ja kondensaattorpumpeille.

• Vedynsyöttöpumpeiden päivitys: Hyväksyttiin "Automatisoituihin yksi-yhteen" -konfiguraatio, jossa jokaiselle vedynsyöttöpumpeelle asennettiin oma korkeajännitekääntö, mukaan lukien ohituskabinetit varmistaakseen järjestelmän luotettavuuden.

• Kondensaattorpumpeiden päivitys: Toteutettiin "Yksi-kaksi" -konfiguraatio, jossa kaksi kondensaattorpumpua jakavat yhden korkeajännitekäännön, tasapainottaen tehokkuuden ja kustannustehokkuuden.

Ottaen huomioon paikallisen historiallisen lämpötilan rajan 23–32 °C, komponentit valikoitiin toimimaan 40 °C lämpötilassa. Lisäksi käännöskabinetin pakollinen ilmanvaihto suunniteltiin 40 °C huoneen lämpötilan perusteella, varmistaen tehokkaan lämpövientiä, mikä poisti tarpeen erilliselle käännöshuoneelle tai ilmastointijärjestelmälle.

2.3 Taloudellisen hyödyn arviointi

Tämän päivityshankkeen kokonaissijoitus oli noin 6 miljoonaa RMB:ta, mukaan lukien 5 miljoonaa RMB:ta laitteisiin, 400 000 RMB:ta rakennustyöhön ja 600 000 RMB:ta asiakkaan toimittamiin apulaitevalmisteisiin. Laskelmat osoittavat, että vuosittainen energiansäästöhyöty on 6,58 miljoonaa RMB:ta, mikä mahdollistaa sijoituksen takaisinsaamisen alle vuoden ajan, saavuttaen odotetut taloudelliset tavoitteet.

3 Johtopäätös

Korkeajännitekääntötekniikan nopean kehityksen myötä sen sovellukset ovat laajentuneet nopeasti eri aloille. Voimaloiden tuotantojärjestelmissä korkeajännitekääntötekniikan tulisi edistää aktiivisesti. Prioriteetiksi tulisi ottaa yksiköiden päivitys, jotka toimivat pitkään tai jotka tarvitsevat kiireellisesti päivityksiä, sillä tällaiset toimenpiteet tarjoavat merkittävää taloudellista arvoa ja strategista tärkeyttä.