Zusammenfassung: Dieser Artikel befasst sich mit dem Einsatz eines inländischen, mehrstufigen Hochspannungs-Frequenzumrichtersystems im Kondensatsystem von Block 2 des Kraftwerks Zhangshan und vergleicht die Energieeinsparungen vor und nach der Umrüstung. Die Ergebnisse zeigen, dass die Umrüstung der Haupt- und Hilfsanlagen des Kraftwerks auf Frequenzumrichter mittels eines solchen Systems realisierbar ist. Das System zeichnet sich durch geringe Investitionskosten und schnelle Ergebnisse aus und trägt positiv zur Senkung des Energieverbrauchs des Kraftwerks bei. Schlüsselwörter: Inländisches Hochspannungs-Frequenzumrichtersystem, Kondensatpumpe, Anwendung. 1. Einleitung: Das Kraftwerk Zhangshan befindet sich in Changzhi, Provinz Shanxi. Es wurde 2002 errichtet und verfügt derzeit über zwei direkt luftgekühlte Blöcke mit einer installierten Leistung von je 300 MW. Das Kondensatsystem ist mit sechs Kondensatpumpen des Typs NLT350-400 der Shanghai KSB Pump Industry Co., Ltd. ausgestattet. Die Pumpenmotoren sind vom Typ YLKS500-4 der Xiangtan Electric Machinery Factory, und die Hochspannungs-Frequenzumrichter gehören zur Serie HARSVERT-A06/130 der Beijing Leadway Electric Technology Co., Ltd. In bereits in Betrieb befindlichen Großkraftwerken sind die Kondensatpumpen derzeit mit einer 100%-Kapazitätskonfiguration (eine Pumpe in Betrieb, eine außer Betrieb) ausgestattet. Der Wasserstand im Entgaser wird durch das Öffnen des Einlassventils geregelt, was zu erheblichen Drosselverlusten führt. Aufgrund der verbesserten Zuverlässigkeit und des zunehmenden Einsatzes von Hochspannungs-Frequenzumrichtern (FU) haben viele Energieerzeugungsunternehmen ihre Kondensatpumpen mit FU nachgerüstet. Bei der Nachrüstung von Kraftwerken sind die Hauptanforderungen an das Regelungssystem: das unbeabsichtigte Auslösen der frequenzumrichtergesteuerten Kondensatpumpe im Betrieb, ein starker Anstieg des Kondensatdrucks nach dem Anlaufen der Standby-Pumpe mit Netzfrequenz sowie die Regelung des Entgaserwasserstands und anderer Kondensatverbraucher innerhalb des vorgegebenen Bereichs. Dieser Artikel behandelt die genannten Punkte anhand der realen Situation der frequenzumrichtergesteuerten Nachrüstung der Kondensatpumpe in Block 2 der Shanxi Zhangshan Power Generation Co., Ltd. 2. Betriebsbedingungen der Kondensatpumpe: Der im Niederdruckzylinder der Turbine verrichtende Dampf wird in der luftgekühlten Insel gekühlt und kondensiert und im Kondensatbehälter gesammelt. Das Kondensatsystem hat die Aufgabe, das Kondensat über die Kondensatpumpe zügig zum Entgaser zu fördern, um den Wasserstand im Entgaser auszugleichen. Der kontinuierliche und stabile Betrieb der Kondensatpumpen ist entscheidend für die sichere und wirtschaftliche Produktion von Kraftwerksgeneratoren. Das Kondensatsystem ist in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 1: Schema des Kondensatsystems. Die Kondensatpumpenmotoren sind 6-kV/1120-kW-Motoren mit einer gewissen Reserve ausgelegt. Jede Einheit ist mit zwei Kondensatpumpen ausgestattet, eine im Betrieb und eine im Standby-Modus. Durch die Untersuchung und Analyse des Kondensatsystems, des Betriebsmodus der Kondensatpumpen und der Stromversorgungsstruktur der Einheit wird ein automatisches 1:2-Betriebs-/Frequenzumrichter-Umschaltungsschema vorgeschlagen. Da die Kondensatpumpen im 1:1-Standby-Modus arbeiten, kann das 1:2-Schema die Auslastung der Frequenzumrichter verbessern und eine gute Energieeinsparung gewährleisten. Darüber hinaus verfügen die Kondensatpumpen über ein periodisches Rotationssystem. Um den Systembetrieb zu vereinfachen, verwendet das System automatische Schaltvorrichtungen wie Hochspannungsschalter und gewährleistet so einen einfachen, sicheren und zuverlässigen Systembetrieb. Die spezifische Systemstruktur und das Funktionsprinzip sind in Abbildung 2 dargestellt: Abbildung 2: Systemstruktur und Funktionsprinzip. Vor der Umrüstung der Kondensatpumpe auf einen Hochspannungs-Frequenzumrichter wurde der Wasserstand im Entgaser durch die Öffnung des Regelventils am Kondensatpumpenausgang gesteuert. Dies führte zu einer unzureichenden Linearität und erheblichen Drosselverlusten. Darüber hinaus verringerten häufige Ventilbetätigungen die Zuverlässigkeit des Ventils und beeinträchtigten den stabilen Betrieb der Anlage (in Block 1 unseres Unternehmens traten drei mechanische Ventilausfälle auf). Nach der Umrüstung auf einen Hochspannungs-Frequenzumrichter ist das Auslassventil der Kondensatpumpe vollständig geöffnet (und das Bypassventil kann je nach den Gegebenheiten vor Ort geöffnet werden, um die Drosselverluste im Kondensatsystem weiter zu reduzieren). Der Wasserstand im Entgaser wird nur während des Pumpenumschaltens über das Regelventil am Kondensatverteiler gesteuert. Im Normalbetrieb wird die Drehzahl der Kondensatpumpe durch Anpassen der Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters verändert, um den Auslassdurchfluss zu regeln und den Wasserstand im Entgaser zu steuern und so die Betriebsanforderungen zu erfüllen. Abbildung 3 zeigt das Kondensatregelungsschema. Abbildung 3: Systemdiagramm der Kondensatregelung. In Abbildung 3 wird eine Zweikreisregelung eingesetzt, da sich die Regelcharakteristika des Regelschiebers und des Frequenzumrichters deutlich unterscheiden und die Regelungswirkung eines einzelnen Regelkreises unzureichend ist. Die praktischen Erfahrungen nach dem Betrieb des Frequenzumrichters zeigen, dass die Regelcharakteristika dieser Regelungskonstruktion sehr gut sind und das Umschalten zwischen den beiden Regelkreisen reibungslos verläuft. 3. Probleme und Lösungen während der Umstellung : (1) Beim Betrieb der Hochdruck-Kondensatpumpe des Frequenzumrichters ist der Wasserzulaufregler geöffnet, und der Wasserstand im Entgaser wird durch Änderung der Pumpendrehzahl angepasst. Dies führt zu einem niedrigen Kondensatdruck von maximal 2,8 MPa. Im Betrieb sinkt der Kondensatdruck mit abnehmender Last. Um den von anderen Geräten benötigten Kondensatdruck zu gewährleisten, wird die Mindestdrehzahl des Frequenzumrichtersystems auf 30 Hz eingestellt, was einem Auslassdruck der Kondensatpumpe von 1,2 MPa entspricht. Die Niederdruckschutzlogik des Entüberhitzungswassers wird so angepasst, dass der Niederdruck-Bypass geschlossen wird. (2) Da die frequenzgesteuerte Kondensatpumpe ihre Drehzahl anpasst, um den Kondensatdruck zu senken, während die drehzahlkonstante Kondensatpumpe weiterhin das Wassereinlassventil regelt und der Kondensatdruck sehr hoch ist, führt das Abschalten der frequenzgesteuerten Kondensatpumpe und das Anlaufen der drehzahlkonstanten Standby-Kondensatpumpe zu einem plötzlichen Anstieg von Kondensatdruck und -durchfluss. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf den Wasserstand im Entgaser. Um dieses Problem zu beheben, wurde die Steuerungslogik so angepasst, dass bei einem Ausfall der frequenzgesteuerten Pumpe oder ihres Hochdruckschalters aufgrund eines Störfalls und der damit verbundenen Aufforderung zum Starten der drehzahlkonstanten Pumpe ein voreingestellter Befehl, der mit dem Druck der Turbinendrehzahlregelungsstufe zusammenhängt, an das Wassereinlassventil des Entgasers angelegt wird. Das Wassereinlassventil wird daraufhin sofort in eine bestimmte Position geschlossen, und das Programm versetzt das Ventil in den Automatikmodus, um den Wasserstand im Entgaser anzupassen. Abbildung 4 zeigt den Verlauf des Wasserstands und des Entgaser-Wasserstandsregelventils, nachdem die Standby-Kondensatpumpe Nr. 22 mit Netzfrequenz verriegelt und gestartet wurde, nachdem die Kondensatpumpe Nr. 21 aufgrund der Frequenzschwankungen ausgefallen war. Während des Schaltvorgangs schwankt der Wasserstand im Entgaser innerhalb von ±20 mm. (3) Wenn die Kondensatpumpe mit variabler Frequenz ausfällt und die Standby-Kondensatpumpe mit konstanter Drehzahl verriegelt startet, steigt der Kondensatdruck sprunghaft an. Dies beeinträchtigt die Kondensatversorgung anderer Hilfseinrichtungen, insbesondere des Kühlwassersystems der Gleitringdichtung der Speisewasserpumpe, erheblich, da der Differenzdruck des Kühlwassers der Gleitringdichtung der Speisewasserpumpe üblicherweise auf 0,1 MPa gehalten wird. Um dieses Problem zu beheben, ist am Regelventil des Kühlwassers der Gleitringdichtung der Speisewasserpumpe ein Befehl voreingestellt, der funktional mit dem Druck der Turbinendrehzahlregelungsstufe zusammenhängt. Wenn die Standby-Kondensatpumpe verriegelt startet, wird dieser Befehl an das Regelventil ausgegeben. Nach einer Verzögerung schaltet das System auf den automatischen Differenzdruckausgleich des Kühlwassers der Gleitringdichtung der Speisewasserpumpe um. (4) Das Umwälzregelventil der Kondensatpumpe gewährleistet, dass die Kondensatpumpe bei niedrigen Durchflussmengen im Kondensatsystem innerhalb des sicheren Betriebsbereichs arbeitet. Die Regelgröße in diesem Regelkreis ist der Druck am Auslass der Kondensatpumpe. Bei Verwendung eines Frequenzumrichters für die Kondensatpumpe sinkt der Auslassdruck mit abnehmender Drehzahl. Um die Sicherheit der Kondensatpumpe zu gewährleisten und Kavitation im Pumpengehäuse zu verhindern, ist dem Steuersignal des Umwälzregelventils ein Befehl überlagert, der funktional mit dem Wasserstandsregelventil des Entlüfters zusammenhängt. Im Frequenzumrichterbetrieb wird die Öffnung des Umwälzregelventils gesteuert. 4. Betriebsmaßnahmen nach der Umrüstung Nach der Umrüstung läuft die frequenzumrichtergesteuerte Kondensatpumpe im Dauerbetrieb, während die drehzahlkonstante Kondensatpumpe nur noch als Standby-Pumpe dient. Um den sicheren Betrieb der frequenzgeregelten Kondensatpumpe, den einwandfreien Standby-Status der drehzahlgeregelten Kondensatpumpe und die sichere Kondensatversorgung anderer Hilfseinrichtungen zu gewährleisten, werden folgende Betriebsmaßnahmen festgelegt: (1) Im Normalbetrieb läuft die frequenzgeregelte Kondensatpumpe, während die drehzahlgeregelte Kondensatpumpe im Standby-Modus ist. Die Öffnung des Wassereinlass-Regelventils wird auf 90–97 % geregelt. Der Frequenzumrichter der frequenzgeregelten Kondensatpumpe passt den Wasserstand im Entgaser automatisch an. Bei geringer Last kann das Wassereinlass-Regelventil geschlossen werden, um einen Kondensatdruck von mindestens 1,2 MPa und eine Pumpendrehzahl von mindestens 900 U/min zu gewährleisten. Dadurch werden der sichere Betrieb der frequenzgeregelten Kondensatpumpe und die Kondensatversorgung anderer Hilfseinrichtungen sichergestellt. (2) Die Kondensatpumpe wird monatlich ein- und ausgeschaltet, um den einwandfreien Zustand der Standby-Kondensatpumpe zu gewährleisten. (3) Beim An- und Abfahren der Anlage kann die Drehzahl der frequenzgeregelten Kondensatpumpe über das Entgaser-Wasserstandsregelventil auf einen bestimmten Wert eingestellt werden. Dies stabilisiert nicht nur den Entgaser-Wasserstand, sondern stellt auch sicher, dass andere Hilfseinrichtungen, wie z. B. Niederdruck-Bypass-Entüberhitzungswasser, Entüberhitzungs-Sprühwasser für den Kondensat-Ausdehnungsbehälter und Entüberhitzungs-Sprühwasser für den Niederdruckzylinder, ausreichend mit Druckkühlwasser versorgt werden. 5. Energieeinsparung (Test nach Inbetriebnahme des Frequenzumrichters) (1) Deutliche Energieeinsparung. Die Betriebsdaten von Block 2 vor und nach der Frequenzumrichter-Umrüstung wurden vor Ort erfasst. Der Vergleich der Stromstärken vor und nach der Umrüstung zeigt die Energieeinsparung nach der Frequenzumrichter-Umrüstung (siehe Tabelle 1). Tabelle 2 zeigt die Leistungsstatistik für einen bestimmten Zeitraum. Ein Vergleich mit ähnlichen Anlagen zeigt eine deutliche Reduzierung des Stromverbrauchs der Kondensatpumpe. Tabelle 2: Leistungsstatistik. Bei 300 Betriebstagen pro Einheit und Jahr kann der Einsatz eines Frequenzumrichters 2,42 Millionen kWh Anlagenstrom einsparen. Bei 0,25 RMB/kWh entspricht dies 605.000 RMB. (2) Reduzierung des Anlaufstroms beim Motorstart. Der maximale Anlaufstrom eines Motors beträgt beim Direktstart das Siebenfache des Nennstroms, beim Stern-Dreieck-Anlauf das Vier- bis Fünffache und beim Sanftanlauf das 2,5-Fache. Die Lastkennlinie des Frequenzumrichters zeigt, dass beim Anlauf praktisch kein Anlaufstrom auftritt. Der Strom beginnt bei Null und steigt nur mit der Drehzahl an. In keinem Fall wird der Nennstrom überschritten. Daher löst der Betrieb der Kondensatpumpe mit variabler Frequenz das Problem des hohen Anlaufstroms, eliminiert die Belastung von Motor, Getriebe und Hauptanlage durch den hohen Anlaufstrom und reduziert die täglichen Wartungskosten erheblich. Abbildung 6 zeigt den Verlauf des Anlaufstroms der Kondensatpumpe mit variabler Frequenz (Anfangsdrehzahl 900 U/min). Abbildung 6: Trenddiagramm des Anlaufstroms der Kondensatpumpe bei variabler Frequenz (3) Verlängerung der Anlagenlebensdauer: Durch den Einsatz eines Frequenzumrichters kann die Motordrehzahl entlang der Beschleunigungs- und Verzögerungskennlinie der Kondensatpumpe angepasst werden. Dadurch wird die Lagerbelastung reduziert und die Lagerlebensdauer verlängert. Daten belegen zudem, dass die mechanische Lebensdauer umgekehrt proportional zur Drehzahl ist. Eine Reduzierung der Pumpendrehzahl kann die Lebensdauer der Kondensatpumpe verdoppeln und die Betriebskosten senken. (4) Geräuschreduzierung: Nach dem Umstieg unserer Kondensatpumpe auf einen Frequenzumrichter konnte der Geräuschpegel bei reduzierter Pumpendrehzahl deutlich gesenkt werden. Bei einer Drehzahlreduzierung von 60 % betrug der gemessene Geräuschpegel in 1,5 m Entfernung von der Kondensatpumpe 85 dB, was einer Reduzierung um 25 dB gegenüber den 110 dB im Netzfrequenzbetrieb entspricht. Gleichzeitig wurden Schlupf und Pfeifgeräusche beim Parken und Anfahren beseitigt sowie die Mängel der mangelhaften Linearität der Verstellklappe, der unzureichenden Einstellqualität, des Rohrklopfens und der Resonanz sowie der starken Vibrationen der Kondensatzuleitung behoben. Die Betriebsbedingungen der Kondensatpumpe wurden deutlich verbessert. 6. Zusammenfassung: Der erfolgreiche Einsatz des Hochspannungs-Frequenzumrichtersystems im Kondensatsystem mit seinem signifikanten Energiespareffekt und der guten Systemreaktion und Regelqualität beweist eindrucksvoll, dass die Hochspannungs-Frequenzumrichtertechnologie in den Haupt- und Hilfseinrichtungen von Wärmekraftwerksaggregaten breite Anwendungsmöglichkeiten und Entwicklungspotenzial bietet und einen positiven Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen und zur Senkung der Stromerzeugungskosten leistet. Referenzen: [1] Kraftwerk Zhangshan „Betriebsverfahren für Dampfturbinen-Hilfseinrichtungen von 300-MW-Wärmekraftwerkseinheiten“ Shanxi Zhangshan Power Generation Co., Ltd. 2005.5 [2] „Anwendung der frequenzgesteuerten Kondensatpumpe in 300-MW-Einheiten“ Bu Xizheng [3] „HARSVERT-A Serie Hochspannungs-Frequenzumrichter-Drehzahlregelungssystem Handbuch“ Beijing Lide Huafu Electric Technology Co., Ltd. 2004.1.