摘要: 隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,節(jié)能降耗成為今后一段時期內(nèi)工作的重點。大型水泵采用高壓變頻技術(shù)節(jié)能越來越受到重視和推廣。本文針對2×300MW直接空冷火力發(fā)電機組所配置的凝結(jié)水泵變頻改造的過程,從設(shè)備的配置、電氣接線、熱控邏輯組態(tài)、設(shè)備調(diào)試、投資效益分析以及需要注意的問題進行詳細的論述,希望能起到借鑒作用。
關(guān)鍵詞: 凝結(jié)水泵、變頻、節(jié)能、改造
1.系統(tǒng)介紹
1.1 設(shè)備參數(shù):
山西兆光發(fā)電有限責任公司一期工程裝機容量為2×300MW，汽輪機組為上海汽輪機廠有限責任公司制造。機組的凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)計為中壓系統(tǒng)，配裝KSB廠制造的凝結(jié)水泵，驅(qū)動水泵的電機為上海電機廠制造。技術(shù)參數(shù)為:
| 電動機參數(shù) |
| 電動機型號 |
YLKK500--4 |
額定電壓（U0） |
6KV |
冷卻方式G |
Q161 |
| 額定功率（Pdn） |
1120kW |
轉(zhuǎn)??? 速（n0） |
1491r/min |
絕緣等級 |
F |
| 額定電流（I0） |
124.7A |
功率因數(shù) |
0.901 |
絕緣防護 |
IP54 |
| 凝結(jié)水泵參數(shù) |
| 水泵額定流量 |
912.98m3/h |
額定轉(zhuǎn)速 |
1480r/min |
額定揚程 |
258.4m |
| 配用電機功率 |
1120kW |
水泵型號 |
NLT350—400*6 |
1.2 改造前凝結(jié)水系統(tǒng)運行情況:
凝結(jié)水泵采用定速運行，凝結(jié)水經(jīng)凝泵升壓后流經(jīng)軸加，通過主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥（即除氧器上水調(diào)整門，系統(tǒng)編號為C-1）和低加進入除氧器。調(diào)整主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)節(jié)凝結(jié)水量，維持除氧器水位穩(wěn)定滿足機組運行需要。另外凝結(jié)水還供給汽輪機低壓軸封汽減溫水用水，以及低壓旁路減溫、汽機低壓缸噴水減溫等用水。為防止機組低負荷運行時凝結(jié)水系統(tǒng)超壓和凝結(jié)水泵汽蝕，還設(shè)計有凝結(jié)水再循環(huán)管路，再循環(huán)調(diào)節(jié)閥C－2配合C－1調(diào)整除氧器水位，維持系統(tǒng)運行正常壓力。凝結(jié)水系統(tǒng)如圖1所示。
 |
| 圖1：凝結(jié)水系統(tǒng)簡圖 | 2.改造基本方案和設(shè)備配置
2.1 改造基本方案:
一拖二自動工／變頻切換方案。即: 配備一臺高壓變頻器，兩臺切換開關(guān)。通過切換開關(guān)把高壓變頻器切換到要運行的凝結(jié)水泵上去。變頻調(diào)速系統(tǒng)電源取自6kV電壓等級的主動力電源系統(tǒng)，由現(xiàn)場主控系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制，根據(jù)運行工況按設(shè)定程序，實現(xiàn)對凝結(jié)水泵電動機轉(zhuǎn)速控制。主要功能為：
高壓變頻器可以拖動A凝結(jié)泵電動機實現(xiàn)變頻運行，也可以通過切換拖動B凝結(jié)泵電動機實現(xiàn)變頻運行，但不能同時拖動運行。兩側(cè)凝結(jié)泵電動機均具備工頻旁路功能，可實現(xiàn)任意一臺電動機的變頻運行，另外一臺處于工頻備用，當高壓變頻器故障時，系統(tǒng)可聯(lián)鎖另一臺工頻電機運行。
2.2 工作原理簡述：
 |
| 圖2：高壓變頻器工作原理圖 | 高壓變頻器工作原理如圖2所示，1#、2#凝結(jié)泵共同采用一套變頻調(diào)速裝置。其中3QF表示高壓開關(guān)、TF表示高壓變頻器、M表示凝結(jié)水泵電動機； 4QF和1QF之間、5QF和2QF之間、4QF和5QF之間均存在電氣閉鎖和邏輯閉鎖關(guān)系（4QF分閘允許5QF合閘、5QF分閘允許4QF合閘），防止高壓變頻器輸出側(cè)與6kV電源側(cè)短路。1QF、2QF、3QF為現(xiàn)場已有設(shè)備，3QF、4QF、5QF只具備手動合閘功能。高壓變頻器高壓開關(guān)3QF安裝于“廠用6kV 配電室”，與母線連接�！案邏鹤冾l器室”內(nèi)所有開關(guān)的2路直流控制電源、2路動力直流電源均由#2機直流母線供電。
1＃泵變頻運行時，斷開1QF、閉合3QF、4QF開關(guān)，1＃凝結(jié)泵處于變頻運行狀態(tài)；2＃凝結(jié)泵處于工頻備用狀態(tài)。當1＃凝結(jié)泵變頻運行故障跳閘時，系統(tǒng)聯(lián)鎖起動2＃凝結(jié)泵2QF開關(guān)工頻運行。2＃泵變頻運行時，斷開2QF、閉合3QF、5QF開關(guān)，2＃凝結(jié)泵處于變頻運行狀態(tài)；1＃凝結(jié)泵處于工頻備用狀態(tài)。當2＃凝結(jié)泵變頻運行故障跳閘時，系統(tǒng)聯(lián)鎖起動1＃凝結(jié)泵1QF開關(guān)工頻運行。
3.運行方式及控制邏輯：
DCS系統(tǒng)可根據(jù)兩臺凝結(jié)泵的運行模式，自動調(diào)整控制對象和控制策略。主要包括二種控制策略：
第一種，變頻調(diào)節(jié)。根據(jù)不同負荷下的除氧器水位變化情況，調(diào)節(jié)凝結(jié)泵轉(zhuǎn)速控制除氧器水位穩(wěn)定。
第二種，閥門調(diào)節(jié)。只要凝結(jié)水系統(tǒng)中有1臺泵在工頻運行模式下，系統(tǒng)就會采用閥門調(diào)節(jié)控制，此時高壓變頻器應(yīng)運行在高頻率（45～50Hz）段以免出現(xiàn)不出水的情況。
凝泵有變頻及工頻兩種運行方式。正常情況下，變頻泵作為運行泵長期運轉(zhuǎn)，工頻泵作為備用泵。高壓變頻器分為就地控制及遠方控制兩種,處于就地控制狀態(tài)時，DCS輸出的轉(zhuǎn)速命令信號跟蹤高壓變頻器轉(zhuǎn)速反饋，對高壓變頻器遠方操作無效。
高壓變頻器受DCS控制時分自動、手動兩種方式。手動狀態(tài)時，運行人員通過改變畫面轉(zhuǎn)速控制塊控制高壓變頻器轉(zhuǎn)速。自動狀態(tài)時，根據(jù)DCS內(nèi)部設(shè)定的除氧器水位定值自動控制高壓變頻器轉(zhuǎn)速。當變頻泵與工頻泵并列運行時，除氧器水位調(diào)節(jié)自動解出，調(diào)節(jié)閥C-1手動方式調(diào)節(jié)水位。變頻泵運行時，“高壓變頻器重故障”聯(lián)掉該泵的高壓開關(guān)（該聯(lián)鎖在就地實現(xiàn)），“高壓開關(guān)已跳”（即泵掉閘）的信號送DCS系統(tǒng)以工頻方式來聯(lián)啟備用泵。
主凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥C-2根據(jù)凝泵出口流量和母管壓力調(diào)節(jié)，當流量小于300T/H,用流量信號調(diào)節(jié), C-2開啟維持最小流量; 當流量大于300T/H,用壓力信號調(diào)節(jié), 維持凝泵出口壓力≤2.6Pa，當壓力超過定值時，C-2開啟，開啟幅度決定于壓差值大小。若凝結(jié)水泵以工頻方式運行時，有關(guān)除氧器水位調(diào)節(jié)、閥門聯(lián)鎖、泵之間的聯(lián)鎖等邏輯仍按改造前邏輯關(guān)系完成功能。
由于變頻凝結(jié)泵用改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)除氧器水位使得凝結(jié)水壓力低，而工頻泵仍采用主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)除氧器水位凝結(jié)水壓力很高，運行一旦發(fā)生凝泵變頻方式故障掉閘、聯(lián)啟備用工頻泵后，凝結(jié)水壓力、流量突然增大對除氧器水位控制甚至除氧器的設(shè)備安全都造成很大的影響。針對此問題設(shè)計了專門的控制邏輯：當變頻泵高壓開關(guān)事故掉閘聯(lián)啟備用工頻凝泵后，B凝泵電機啟動的信號作為C-1快關(guān)的觸發(fā)信號，除氧器水位調(diào)節(jié)閥C-1迅速聯(lián)鎖關(guān)小，關(guān)閥目標值與機組負荷成一定的函數(shù)關(guān)系，然后由運行人員手動調(diào)整其開度。
C-1閥位目標值與機組負荷的關(guān)系曲線如下表。
| 負荷 |
180MW |
270MW |
300MW |
| 調(diào)門開度 |
55 |
70 |
82 |
運行中凝結(jié)水壓力隨負荷降低而下降，原來的“凝結(jié)水壓力低聯(lián)啟備用泵”的邏輯有可能將備用泵聯(lián)啟，反而增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，所以將定值降低為0.18Mpa，邏輯回路不變, 同時“凝結(jié)水壓力報警”保留。為了保證機組的良好備用，機組正常運行期間備用工頻泵的出口電動門處于全開狀態(tài)。
凝結(jié)水壓力低閉鎖低壓旁路門保護: 采用原來的回路和定值。在機組啟動初期使用變頻運行時,可將除氧器C-1關(guān)到一定位置,使凝結(jié)水有足夠的壓力保證低旁的正常運行。凝結(jié)水泵低水位保護: 采用原來的回路和定值。
為改善除氧器水位、凝器器水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高控制水平，在本次變頻裝置改造自動控制方案中使用目前該領(lǐng)域針對除氧器水位控制最新研究成果——間斷式控制理論，引入了一些先進的控制思想（靜態(tài)不完全預估），主要思想是將變頻凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速信號引入控制系統(tǒng)中，與水位偏差相平衡，保證水位的相對穩(wěn)定（控制在一定的區(qū)間內(nèi)），并引入機組的主蒸汽流量信號，以提高系統(tǒng)的負荷適應(yīng)能力和補償變頻凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速信號引起的偏差，使系統(tǒng)只是在機組負荷發(fā)生變化的過程中和水位自發(fā)擾動變化的過程中動作，變頻凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速信號與上述擾動變化量相平衡后，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)。以適應(yīng)熱力系統(tǒng)的滯后和各種不確定因素，組態(tài)框圖如下圖。
4.熱力系統(tǒng)調(diào)試過程的配合
首臺凝結(jié)水泵啟動,可以直接用變頻方式。由于整個系統(tǒng)中沒有水,有一個充壓的過程,測量信號也存在一個慣性滯后,“最小流量保護容易動作”,所以該保護定值是:在測量基礎(chǔ)上加50噸流量的富裕量,同時延時9秒掉泵。
為了防止管道發(fā)生“水錘”現(xiàn)象,凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥C—1、泵出口門處于關(guān)閉位置，凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥處于全開位置,整個系統(tǒng)處于手動控制狀態(tài)。該高壓變頻器啟動后自動從0rpm/min開始升速到900rpm/min(設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速),然后根據(jù)需要進行轉(zhuǎn)速的調(diào)整。在系統(tǒng)充水正常后,逐漸將凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥C—1開大,同時凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥C—2進行配合，當C—1開到95%以上時,可以投入變頻自動控制方式。
5.經(jīng)濟效益
5.1理論分析:
由流體動力學可知，泵的流量Q與泵轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，泵的壓力p與轉(zhuǎn)速n的二次方成正比，而泵的功率p則與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比。如通過變頻調(diào)速技術(shù)使泵的流量由額定值Qo降至70%Q0時，轉(zhuǎn)速將由額定值n0降至70%n0，此時泵的壓力由額定值po降至49%po，泵的軸功率由額定值Po降至34.3%Po。理論上功耗減少了65.7%Po。即使考慮到轉(zhuǎn)速下降可能會引起電機的效率下降等因素，變頻調(diào)速的節(jié)電效果仍然非常顯著。據(jù)計算，當將離心式水泵的流量由Q0調(diào)低到70%Q0時。采用變頻調(diào)速方式的功耗約比控制閥調(diào)節(jié)方式的功耗減少52%Po。
5.2數(shù)據(jù)分析：
改造前、后在不同工況下凝結(jié)水泵及電動機的運行參數(shù):
| 負荷 |
主汽壓力 |
主汽流量 |
除氧器壓力 |
凝泵電流A |
凝泵出口壓力Mpa |
凝泵轉(zhuǎn)速rpm/min |
凝結(jié)水流量t/h |
| MW |
Mpa |
t/h |
Mpa |
改前 |
改后 |
差值 |
改前 |
改后 |
改前 |
改后 |
改前 |
改后 |
| 304 |
16.6 |
1040 |
0.83 |
95.5 |
88.4 |
7.1 |
2.5 |
1.64 |
1490 |
1361 |
930 |
926.4 |
| 292 |
16.1 |
975.1 |
0.79 |
93.6 |
85.15 |
7.45 |
2.6 |
1.609 |
1333 |
878 |
906.9 |
| 281 |
16.3 |
959 |
0.78 |
92.9 |
73.23 |
18.67 |
2.6 |
1.301 |
1234 |
865 |
837.2 |
| 269 |
16.2 |
908.2 |
0.71 |
91.5 |
72.41 |
19.09 |
2.6 |
1.426 |
1217 |
846 |
822.9 |
| 259 |
16 |
878.3 |
0.73 |
91.4 |
67.84 |
23.56 |
2.7 |
1.34 |
1174 |
823 |
788.1 |
| 252 |
15.6 |
883.4 |
0.72 |
90.4 |
65.52 |
24.88 |
2.7 |
1.25 |
1151 |
804 |
791.5 |
| 242 |
15 |
860.6 |
0.7 |
91.3 |
55.93 |
35.77 |
2.7 |
1.429 |
1143 |
825 |
652.4 |
| 231 |
14.7 |
825.5 |
0.67 |
89.9 |
55.96 |
33.84 |
2.7 |
0.942 |
1049 |
797 |
624 |
| 222 |
14.1 |
746.5 |
0.62 |
91 |
52.89 |
38.11 |
2.6 |
0.99 |
1012 |
838 |
673.4 |
| 211 |
13.3 |
708.3 |
0.59 |
91.2 |
50.92 |
40.28 |
2.7 |
1.17 |
1006 |
821 |
649.4 |
| 201 |
12 |
670 |
0.57 |
91.9 |
43.61 |
48.29 |
2.6 |
0.88 |
920.9 |
837 |
553.3 |
| 190 |
11.8 |
674.3 |
0.57 |
90.4 |
44.8 |
45.6 |
2.7 |
0.84 |
920.8 |
814 |
595.3 |
| 183 |
11.6 |
609.7 |
0.51 |
91.1 |
47.13 |
43.97 |
2.7 |
0.87 |
942.1 |
819 |
618.9 |
以9月份發(fā)電情況來測算: 本月雙機運行小時數(shù)為1440小時,發(fā)電量為3.5652億千瓦時,平均負荷為24.76MW, 負荷率為 82.53%。從表中可以查到每小時可節(jié)約電流35.77A。折合電量為:
UICOS￠ = 1.732×6×35.77×0.901 = 334.92Kw?h
按上網(wǎng)電價0.2754元/ kW?h, 每小時節(jié)約合人民幣 92.237元,全年約79.69萬元/臺機組。而改造雙機的成本為300萬元,運行2年可全部收回成本。隨著電力市場供求關(guān)系的變化,機組的利用小時和負荷率在下降, 根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以看出,負荷率越低,節(jié)能效果越顯著。
5.3安全可靠性分析：
變頻調(diào)速解決了啟動時大電流對電機的沖擊，延長了電機的使用壽命。異步電機直接啟動時，其最大啟動電流約為額定電流的7倍，采用星三角啟動也達到了4-5倍。而變頻啟動時，基本上無沖擊電流，其電流是從零開始，隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加，最大不會超過額定電流，這就消除了對電機的沖擊應(yīng)力,延長了電機的使用壽命。
采用變頻調(diào)速控制后，如果高壓變頻器長時間運行在1/2工頻以下，隨著電機轉(zhuǎn)速的下降，電機散熱能力也下降，同時電機發(fā)熱量也隨之減少。所以電機的本身溫度其實是下降的，仍舊能夠正常運行而不至溫度過高。
提高了凝結(jié)水泵的運行可靠性，延長了水泵的壽命。采用變頻調(diào)速后，低負荷時，凝結(jié)水泵低速運轉(zhuǎn)，泵必需的汽蝕余量(NPSH)降低，降低了泵內(nèi)發(fā)生汽蝕的可能性(因泵必需的汽蝕余量近似與轉(zhuǎn)速的平方成正比)，延長了水泵的壽命。
變頻調(diào)速運行時，其出口門和調(diào)節(jié)閥可全開，利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量和壓力，改善了由于閥門調(diào)節(jié)時對管系的沖擊，降低了調(diào)節(jié)閥前后管系泄漏的可能性; 也由于高壓變頻器的軟起動，有效消除“水錘”效應(yīng)和空化現(xiàn)象，減小對管網(wǎng)和泵的沖擊，延長泵體壽命和減小管網(wǎng)及附件的損耗,從而減少了維護工作量，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。
變頻調(diào)速運行,凝結(jié)水的壓力比定壓運行低,使得在定壓運行時出現(xiàn)的凝結(jié)水壓力高造成凝結(jié)水管道振動大、凝結(jié)水最小流量調(diào)整門漏流、給水泵機械密封冷卻水管道振動和噪音大、調(diào)整門容易多次損壞的現(xiàn)象得以消除或減緩。
維護量減少。采用變頻調(diào)速后，避免因通過閥門控制使泵過多偏離額定工作區(qū)而引起的振動。通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了降低泵的轉(zhuǎn)速，由于啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長了許多零部件，特別是密封件、軸承的壽命。
變頻調(diào)節(jié)時，由于小流量時的轉(zhuǎn)速低，這就降低了泵及系統(tǒng)的噪聲，改善了運行環(huán)境。
變頻調(diào)節(jié)時，調(diào)節(jié)手段變得簡單、可靠，提高了自動裝置的投入率。
利德華福高壓變頻器為電壓源型結(jié)構(gòu)，功率因數(shù)可高達0.95；
6.改造后需要完善的問題
機組啟動、停止過程中可以將變頻凝結(jié)泵轉(zhuǎn)速控制某一值，采用上水門調(diào)節(jié)，不但使除氧器水位穩(wěn)定
而且可以保證其他輔助設(shè)備有足夠壓力的冷卻水，如低壓旁路減溫水、疏水擴容器減溫噴水、低壓缸減溫
噴水等。但是需要注意摸索變頻凝結(jié)泵的臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，所以變頻凝結(jié)泵啟動、停止和運行中嚴禁在此區(qū)域
范圍內(nèi)運行。
要保證高壓變頻器柜體和廠房大地的可靠連接，保證人員和設(shè)備安全。為防止信號干擾，控制系統(tǒng)最好埋設(shè)獨立的接地系統(tǒng)，對接地電阻的要求不大于4Ω。到高壓變頻器的信號線，必須采用屏蔽電纜，屏蔽線的一端要求可靠接地。
由于該改造方案中高壓變頻器的高壓電源取自廠用6kV母線Ⅰ段,與1凝結(jié)水泵為同一路,決定了最佳的運行方式就是: 1凝結(jié)水泵變頻運行,2凝結(jié)水泵工頻備用。因為若采用2凝結(jié)水泵變頻運行,1凝結(jié)水泵工頻備用,一旦6kV廠用母線Ⅰ段失電,機組由于2凝結(jié)水泵電源切換過程時間長無法啟動而停機。
7.結(jié)束語
由北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器在我廠投運以來，運行穩(wěn)定，凝結(jié)水泵變頻改造技術(shù)后,經(jīng)過不同負荷工況下的試運行，節(jié)能效果非常好，取得了圓滿成功，有效地解決了凝結(jié)水系統(tǒng)管道在低負荷震動大、閥門節(jié)流大、以及控制系統(tǒng)滯后、相互耦合嚴重、控制對象特性不確定的難題。使用間斷式調(diào)節(jié)系統(tǒng)方案控制變頻調(diào)速凝結(jié)水泵，實現(xiàn)對除氧器水位的控制。同時雖然目前高壓變頻器，價格還較高，測試投資回收期限，一般需要兩年左右時間。但隨著目前國產(chǎn)高壓變頻器的迅速發(fā)展，使得變頻器的性能價格比大大提高，為利用變頻器進行節(jié)能技術(shù)改造提供了更加廣闊的前景。
作者簡介
馮陪一: 1963年4月，漢族，山西山陰人，高級工程師、總經(jīng)理。
閆福岐: 1968年9月，漢族，山西離石人，太原電力高等專科學校熱能動力專業(yè)�？茖W歷、工程師、專業(yè)經(jīng)理。
馮昌:1972年10月，漢族，山西交口人，太原電力學校熱工自動化專業(yè)畢業(yè)中專學歷、工程師、專業(yè)經(jīng)理
參考文獻:
1.《30OMW機組凝結(jié)水泵采用變頻技術(shù)調(diào)速》作者：湯元樓 文章來源：東方自動化網(wǎng)
2.《水泵變頻調(diào)速技術(shù)研究與應(yīng)用》 大慶石油管理局供水公司生產(chǎn)協(xié)調(diào)部 劉睿誠
3.《山西兆光發(fā)電有限責任公司凝結(jié)水泵變頻節(jié)能改造項目技術(shù)協(xié)議》 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
|
