Modernizacja odwracaczy o wysokim napięciu w elektrowniach

1 Podstawowa struktura i mechanizm działania wysokonapiowych inwerterów

1.1 Skład modułów

• Moduł prostowniczy: Ten moduł przekształca wprowadzane wysokie napięcie prądu przemiennego w prąd stały. Sekcja prostownicza składa się głównie z tycystronów, diod lub innych półprzewodników mocy do osiągnięcia konwersji z prądu przemiennego na stały. Dodatkowo, za pomocą jednostki sterującej, można realizować regulację napięcia i kompensację mocy w pewnym zakresie.

• Moduł filtru DC: Prostownicze napięcie stałe jest przetwarzane przez obwód filtrowy, aby wygładzić fluktuacje napięcia, tworząc stabilne napięcie szyny DC. To napięcie nie tylko zapewnia wsparcie energetyczne dla kolejnej etapu inwertera, ale również odgrywa kluczową rolę w zapewnianiu stabilności napięcia wyjściowego i zdolności dynamicznej odpowiedzi.

• Moduł inwertera: Przetworzone napięcie stałe jest ponownie przekształcane w prąd przemienny w module inwertera za pomocą półprzewodników mocy takich jak IGBT oraz technologii modulacji szerokości impulsu (PWM). Poprzez dostosowanie współczynnika wypełnienia i częstotliwości przełączania sygnału PWM, inwerter może precyzyjnie kontrolować amplitudę i częstotliwość wyjściowego prądu przemiennego, spełniając wymagania różnych obciążeń, takich jak silniki, wentylatory i pompy. Ta technologia umożliwia inwerterowi zapewnienie funkcji takich jak miękki start, bezstopniowe sterowanie prędkością, optymalne warunki pracy i oszczędzanie energii.

1.2 Mechanizm działania

Wysokonapiowe inwertery wykorzystują topologię kaskadowo wielopoziomową, produkując wyjściowy kształt fali, który blisko przybliża się do sinusoidy. Mogą bezpośrednio generować wysokie napięcie prądu przemiennego do napędzania silników. Taka konfiguracja eliminuje potrzebę dodatkowych filtrów lub transformatorów podnoszących napięcie i oferuje korzyść niskiego zawartości harmonicznych. Prędkość obrotowa silnika $n$ spełnia następujące równanie:

Gdzie: $P$ to liczba par biegunów silnika; $f$ to częstotliwość pracy silnika; $s$ to współczynnik poślizgu. Ponieważ współczynnik poślizgu jest zwykle mały (zwykle w zakresie 0–0,05), dostosowanie częstotliwości zasilania silnika $f$ umożliwia odpowiednie regulowanie jego rzeczywistej prędkości $n$. Współczynnik poślizgu silnika $s$ jest dodatnio skorelowany z intensywnością obciążenia – im większe obciążenie, tym większy współczynnik poślizgu, co prowadzi do obniżenia rzeczywistej prędkości obrotowej silnika.

1.3 Kluczowe czynniki techniczne wyboru

• Dopasowanie napięcia: Wybierz odpowiednie schematy dopasowania, takie jak "Wysokie-Wysokie" lub "Wysokie-Niskie-Wysokie", w zależności od nominalnego napięcia silnika. Dla silników o mocy powyżej 1 000 kW zaleca się schemat "Wysokie-Wysokie". Dla silników o mocy poniżej 500 kW może być priorytetem schemat "Wysokie-Niskie-Wysokie".

• Zmniejszenie harmonicznych: Harmoniczne są łatwo generowane na wejściu i wyjściu wysokonapiowych inwerterów. Aby zmniejszyć ich wpływ, można zastosować techniki multiplexingowe lub dodatkowe filtry. Poprzez odpowiednie konfigurowanie filtrów, zniekształcenia harmoniczne można kontrolować w granicach 5%, osiągając efektywne tłumienie harmonicznych.

• Przystosowanie do środowiska: Wysokonapiowe inwertery wymagają systemów chłodzenia powietrza lub wody, aby zapewnić, że temperatura wewnętrzna szafy sterującej pozostaje poniżej 40°C. W miejscach instalacji inwerterów zazwyczaj montuje się dehumidyzatory i klimatyzatory. W specjalnych obszarach bez klimatyzacji, podczas projektowania należy uwzględnić temperaturę components, a także zwiększyć zdolność wentylacyjną systemów chłodzących, aby zapewnić stabilną pracę.

2 Przykład zastosowania wysokonapiowych inwerterów w elektrowniach

System energetyczny elektrowni zazwyczaj obejmuje urządzenia od turbogeneratorów, kotłów, systemów oczyszczania wody, transportu węgla i desulpfuryzacji. Sekcja turbiny dostarcza mocy pompom wodnym i cyrkulacyjnym, sekcja kotła dostarcza wentylatorów siłowych (wentylatorów głównych), wentylatorów pomocniczych i wentylatorów wciągających, a sekcja transportu węgla obsługuje taśmy przesypowe. Używając wysokonapiowych inwerterów do sterowania prędkością tych urządzeń w oparciu o zmienność obciążenia, można obniżyć zużycie energii, zmniejszyć zużycie energii pomocniczej i poprawić ekonomię działania.

Projekt produkcji niklu i żelaza w Morowali na Sumatrze, w Indonezji, zainstalował osiem jednostek generatorów o mocy 135 MW w latach 2019-2023. Aby dalej optymalizować wewnętrzne operacje i obniżyć koszty produkcji, w latach 2023-2024 przeprowadzono modernizacje techniczne polegające na instalacji wysokonapiowych inwerterów dla pomp kondensacyjnych jednostek 1, 2, 3, 4 i 7, oraz pomp wodnych jednostek 2 i 5.

2.1 Stan sprzętu

Projekt wykorzystuje proces pirometalurgiczny niklu i żelaza z 25 liniami produkcyjnymi, wyposażonymi w osiem kotłów fluidalnych Dongfang Electric DG440/13.8-II1 oraz osiem zestawów średnioodgrzewanych turbogeneratorów parowych o mocy 135 MW. Każda jednostka jest wyposażona w dwie stałooprężne pompy kondensacyjne, dwie pompy regulowane sprzężeniem hydraulicznym i sześć wentylatorów regulowanych sprzężeniem hydraulicznym.

Pompy wodne i wentylatory są zaprojektowane z rezerwą, zapewniając 10%–20% dodatkowej mocy. Jednostki 5 i 6 działają w trybie izolowanym z obciążeniem około 70%. Optymalizując prędkość obrotową silników do rzeczywistych potrzeb obciążenia i włączając regenerację energii hamowania do sieci, można obniżyć niepotrzebne zużycie energii przez wentylatory, pompy i inne urządzenia, co dalej minimalizuje straty energii systemu.

2.2 Schemat modernizacji

Na podstawie rzeczywistych warunków pracy sprzętu, przeprowadzono modernizacje wysokonapiowych inwerterów dla pomp wodnych i kondensacyjnych generatorów o mocy 135 MW.

• Modernizacja pomp wodnych: Została zastosowana konfiguracja "Automatyczna Jeden do Jednego", gdzie każda pompa wodna jest wyposażona w dedykowany wysokonapiowy inwerter, w tym szafę obiegu by-pass, aby zapewnić niezawodność systemu.

• Modernizacja pomp kondensacyjnych: Została zaimplementowana konfiguracja "Jeden do Dwóch", gdzie dwie pompy kondensacyjne dzielą jeden wysokonapiowy inwerter, balansując efektywność i rentowność.

Z uwagi na lokalny historyczny zakres maksymalnych temperatur 23–32°C, komponenty zostały wybrane do pracy przy temperaturze otoczenia 40°C. Dodatkowo, projekt wymuszonego odprowadzania ciepła z szafy inwertera został dostosowany do temperatury pomieszczenia 40°C, aby zapewnić skuteczne odprowadzanie ciepła, eliminując potrzebę dedykowanego pomieszczenia inwertera lub systemów klimatyzacyjnych.

2.3 Ocena korzyści ekonomicznych

Całkowita inwestycja w ten projekt modernizacji wyniosła około 6 milionów RMB, w tym 5 milionów RMB na sprzęt, 400 000 RMB na budowę i 600 000 RMB na materiały pomocnicze dostarczone przez klienta. Obliczenia pokazują, że roczna korzyść oszczędności energii wynosi 6,58 miliona RMB, co pozwala na zwrot inwestycji w ciągu mniej niż roku, sukcesfulnie osiągając oczekiwane cele ekonomiczne.

3 Wnioski

Wraz z szybkim rozwojem technologii wysokonapiowych inwerterów, ich zastosowania rozszerzyły się szybko w różnych branżach. W systemach produkcyjnych elektrowni, technologia wysokonapiowych inwerterów powinna być aktywnie promowana. Powinno się nadać priorytet modernizacjom jednostek o długim czasie pracy lub tych, które急需继续翻译，请提供完整的英文原文。