火電廠凝結(jié)水泵變頻改造方案

江蘇大唐國際呂四港發(fā)電有限責(zé)任公司 陳雪峰

火電廠凝結(jié)水泵變頻改造方案

江蘇大唐國際呂四港發(fā)電有限責(zé)任公司 陳雪峰

隨著能源短缺問題的突出，節(jié)能減耗愈來愈受到人們重視，據(jù)統(tǒng)計，目前全國各類電機(jī)年耗電量約占全國總發(fā)電量的65%，其中大功率風(fēng)機(jī)、泵類的年耗電量約占工業(yè)總耗電量的50%。最大限度地降低風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備的耗電量，對于節(jié)能減耗具有重要意義。國家發(fā)改委已正式將“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”列為“十一五”的十大節(jié)能工程之一。

隨著變頻調(diào)速在發(fā)電廠 的廣泛運(yùn)用，發(fā)電廠的節(jié)能減耗也日顯重要。凝結(jié)泵是發(fā)電廠凝結(jié)水系統(tǒng)的重要動力設(shè)備，汽輪機(jī)做功后的蒸汽經(jīng)凝汽器凝結(jié)成水，再由凝結(jié)水泵輸送到除氧器。凝結(jié)泵在設(shè)計時考慮到較大的流量和揚(yáng)程安全余量，傳統(tǒng)的通過調(diào)節(jié)閥門開度調(diào)節(jié)流量的方式耗電量大，同時凝結(jié)泵工頻啟動電流大，對電網(wǎng)沖擊較大，啟動時會造成電機(jī)籠條松動，有開焊斷條的危險。基于上述原因，筆者所在的江蘇大唐國際呂四港發(fā)電有限責(zé)任公司決定對一期工程660 MWX4機(jī)組凝結(jié)泵進(jìn)行變頻改造。

一、凝結(jié)水泵變頻改造方案設(shè)計

1. 系統(tǒng)改造方案設(shè)計。改造方案遵循“最小改動、最大可靠性、最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性”的原則，考慮到變頻器退出運(yùn)行后，系統(tǒng)需保持正常工作，不能影響生產(chǎn)，因此，需配置工頻旁路，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，將另一臺電機(jī)投切到工頻下運(yùn)行。整個系統(tǒng)由1臺高壓變頻柜、1臺控制柜（內(nèi)置S7–200PLC和PID調(diào)節(jié)器）、1臺變壓器柜、2臺旁路柜、2臺電機(jī)及2臺水泵組成，變頻器采用“一拖二”方案系統(tǒng)連接方式。變頻器內(nèi)置PLC控制系統(tǒng)連鎖、變頻器的本地/遠(yuǎn)程啟動，以避免系統(tǒng)誤操作。變頻器按“一拖二”方案系統(tǒng)連接方式改造后為：進(jìn)線＋旁路刀閘柜（2臺）＋變頻器＋電機(jī)＋水泵。該方案的特點(diǎn)是其中一臺變頻運(yùn)行，另外一臺工頻備用。由DCS采集除氧器的壓力信號，并將其轉(zhuǎn)化為4～20 mA的信號作為變頻器的轉(zhuǎn)速給定信號指令，由變頻器控制凝結(jié)泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)凝結(jié)供水量，以達(dá)到節(jié)能目的。變頻改造“一拖二”方案如圖1所示。

圖1中共有6個高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，QS1與QS3采用一個雙投隔離開關(guān)；QS4與QS6采用一個雙投隔離開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自然機(jī)械互鎖，并采用S7-200PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣連鎖，以避免系統(tǒng)誤操作。當(dāng)QS2和QS3閉合、QS1斷開時，電機(jī)運(yùn)行在變頻狀態(tài)；當(dāng)QS2和QS3斷開、QS1閉合時，電機(jī)工頻運(yùn)行。同理，當(dāng)QS5和QS6閉合、QS4斷開時，電機(jī)運(yùn)行在變頻狀態(tài)；當(dāng)QS5和QS6斷開、QS4閉合時，電機(jī)工頻運(yùn)行，此時高壓變頻器從高壓中隔離出來，便于工作人員檢修、維護(hù)和調(diào)試。

2. 變頻器的選擇。一般情況下，變頻器容量應(yīng)不小于電機(jī)容量，這樣能滿足電機(jī)在額定出力內(nèi)進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。變頻器要既能滿足生產(chǎn)需要，又能節(jié)省變頻器投資、減少配套設(shè)施，還要滿足實(shí)際運(yùn)行工況的需要。江蘇大唐國際呂四港發(fā)電公司凝結(jié)水泵電機(jī)為6 kV/2 000 kW電機(jī)，設(shè)計時存在一定裕量。為了滿足50 Hz時滿負(fù)荷運(yùn)行要求，選擇配備了容量為2 500 kV·A的變頻器，以滿足各種工況下不同轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的要求。

二、凝結(jié)水泵系統(tǒng)運(yùn)行

1. 凝結(jié)水泵變頻控制策略。

（1）變頻泵正常啟動初期，變頻器頻率、除氧器水位調(diào)節(jié)門均由手動操作。

（2）在除氧器水位自動調(diào)整回路中增加單獨(dú)的PID、手動/自動切換站、輸出指令信號以及相應(yīng)的反饋信號。變頻器自動單沖量（除氧器水位）調(diào)節(jié)和三沖量（除氧器水位、給水流量、凝結(jié)水流量）調(diào)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)跟蹤功能和無擾切換，切換的條件與除氧器調(diào)門相同。變頻器和除氧器水位主調(diào)門不能同時投入使用，兩者互為閉鎖。

（3）凝泵再循環(huán)門不參與凝泵聯(lián)啟控制，但變頻泵啟動時，應(yīng)保證其最低轉(zhuǎn)速時流量不得低于跳凝結(jié)泵最小流量362 t/h。

（4）2臺凝泵的倒泵操作均由手動操作實(shí)現(xiàn)。

（5）凝結(jié)泵變頻時，應(yīng)保證減溫水、密封水、冷卻水等凝結(jié)水用戶要求的最低壓力。

（6）精處理系統(tǒng)壓力、差壓定值。需由發(fā)電部與綜合專業(yè)負(fù)責(zé)人提供，或在試驗期間根據(jù)實(shí)際情況確定。

（7）正常運(yùn)行期間及異常狀況下的控制方式。正常情況下，凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)整門關(guān)閉，運(yùn)行人員手動將除氧器上水主調(diào)整門開度調(diào)至100%，除氧器上水副調(diào)整門開度指令100%。變頻泵故障跳閘時，工頻備用泵自動聯(lián)起，凝泵變頻退出自動控制，根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷情況，由函數(shù)關(guān)系式輸出凝結(jié)水主調(diào)整門的開度指令，除氧器上水主調(diào)整門自動關(guān)閉至設(shè)定開度，之后由運(yùn)行人員手動調(diào)整除氧器水位穩(wěn)定后，投入凝結(jié)水主調(diào)整門自動控制。

2. 動態(tài)調(diào)試應(yīng)具備條件。

（1）系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)試結(jié)束。

（2）變頻器具備動態(tài)調(diào)試條件。

（3）DCS組態(tài)完成、DCS帶電，變頻冷卻系統(tǒng)可正常運(yùn)行。

（4）凝結(jié)水泵變頻自動調(diào)試時，提前一天向調(diào)度提申請票。

（5）凝結(jié)水泵變頻自動調(diào)試前，由熱控人員解除除氧器水位高一、高二、高三及低二所帶的保護(hù)；變頻自動調(diào)試工作完成后恢復(fù)保護(hù)。

（6）凝結(jié)水泵變頻自動調(diào)試前，運(yùn)行人員關(guān)閉除氧器溢流放水主調(diào)門的前后手動門，試開關(guān)除氧器事故放水門，發(fā)現(xiàn)除氧器溢流調(diào)整門和除氧器溢流旁路門正常，5號低加出口放水門正常。輔控網(wǎng)人員試開關(guān)精處理旁路門，結(jié)果正常。

（7）運(yùn)行人員做好備用工頻泵搖絕緣，檢查備用工頻泵是否具備隨時啟動的條件。

（8）運(yùn)行值長通知設(shè)備部綜合專業(yè)負(fù)責(zé)人，作好凝結(jié)水精處理切至旁路運(yùn)行和凝結(jié)水精處理法蘭漏水的事故預(yù)想。

3. 動態(tài)調(diào)試。

（1）凝泵變頻自動控制動態(tài)調(diào)試的目的在于通過動態(tài)實(shí)驗，求取凝結(jié)水系統(tǒng)變頻方式下的動態(tài)特性，進(jìn)而整定系統(tǒng)的控制參數(shù)，最終保證系統(tǒng)良好的動態(tài)響應(yīng)，以改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

（2）動態(tài)調(diào)試需在工況穩(wěn)定的條件下，解除除氧器水位保護(hù)，并經(jīng)公司領(lǐng)導(dǎo)、發(fā)電部運(yùn)行人員同意后方可進(jìn)行。

（3）動態(tài)調(diào)試內(nèi)容包括：被控對象的動態(tài)特性試驗、控制系統(tǒng)對擾動量的動態(tài)響應(yīng)試驗、確定凝泵母管壓力低變頻泵運(yùn)行聯(lián)啟工頻泵的低定值。

（4）確定凝泵和氣泵密封水壓力的凝泵最低轉(zhuǎn)速。

（5）試驗?zāi)米冾l–工頻切換時自動調(diào)整維持除氧器水位穩(wěn)定。

（6）動態(tài)調(diào)試試驗方法。操作員站上手動改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置，使用工程師站及歷史站的趨勢功能紀(jì)錄被控對象的變化曲線。在凝結(jié)泵變頻自動方式下，除氧器水位超過試驗規(guī)定范圍時，立即切除自動控制，由運(yùn)行人員手動調(diào)整變頻器轉(zhuǎn)速，進(jìn)行除氧器水位控制。必要時利用凝結(jié)水主調(diào)整門手動控制除氧器水位。自動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，通過反復(fù)整定認(rèn)可之后，改變擾動量（包括負(fù)荷擾動、凝結(jié)水流量擾動、除氧器水位擾動）的值，使用工程師站及歷史站的趨勢功能紀(jì)錄被控對象的變化曲線及控制器輸出的控制曲線。內(nèi)擾試驗一般以定值擾動試驗為主，內(nèi)擾試驗應(yīng)在70%以上負(fù)荷進(jìn)行，維持負(fù)荷穩(wěn)定，擾動量一般應(yīng)按被控量滿量程的10%掌握，調(diào)節(jié)過程衰減率應(yīng)在0.75左右，且被調(diào)量的峰值與保護(hù)動作值有一定的裕量。

4. 凝結(jié)水泵變頻特殊工況。

（1）變頻泵跳閘，聯(lián)啟工頻泵時，除氧器水位主調(diào)節(jié)門按照速率曲線關(guān)至設(shè)定開度，并解除自動。

（2）變頻泵運(yùn)行，工頻泵備用時，母管壓力低于低I值，除氧器水位主調(diào)門（或副調(diào)門）按照速率曲線聯(lián)鎖關(guān)至預(yù)設(shè)開度，保證凝結(jié)水壓力達(dá)到系統(tǒng)要求。

（3）給水RB動作，除氧器水位主調(diào)門（或副調(diào)門）按照速率曲線，聯(lián)鎖關(guān)至50%開度。

（4）除氧器水位高I值，除氧器水位主調(diào)門（或副調(diào)門）按照速率曲線（調(diào)試中確定速率）聯(lián)鎖關(guān)至70%開度。

（5）汽輪機(jī)跳閘。除氧器水位主調(diào)門、副調(diào)門、旁路門全關(guān)，除氧器水位自動控制解除，變頻泵自動解除。

三、變頻器節(jié)能改造效果分析

1. 節(jié)能原理。由電機(jī)學(xué)可知n＝60f（1 – s）/p，三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f、轉(zhuǎn)差率s、電機(jī)極對數(shù)p有關(guān)。n與f之間為線性關(guān)系，變頻調(diào)速通過改變電源頻率f來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬，不存在勵磁調(diào)節(jié)和節(jié)流作用帶來的功率損失。

對于風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載，由流體力學(xué)理論可知，流體流量與風(fēng)機(jī)或泵類的轉(zhuǎn)速一次方成正比，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，而其功率則與轉(zhuǎn)速三次方成正比，即Q1/ Q2＝n1/ n2，H1/ H1＝（n1/ n2）2，P1/ P1＝（n1/ n2）2。

轉(zhuǎn)速減少時，電機(jī)的能耗將以其三次方的比率下降，因此變頻調(diào)速的節(jié)電效果十分明顯。

2. 傳統(tǒng)流量控制方法與變頻控制的能耗比較。變頻控制調(diào)速方式調(diào)速范圍寬，且線性度好，電子損耗低。下面，以水泵為例，比較閥門控制和變頻控制的能耗情況：泵的軸功率P＝QH/1 000n，其中Q、H、n分別表示流量、出口壓力和總效率。則P＝QHn0P0/ Q0H0n，其中下標(biāo)0表示額定工況。閥門控制流量時水泵壓力與流量的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2中，曲線BD，CE分別為不同轉(zhuǎn)速下水泵的壓力流量關(guān)系；曲線BF，AF分別為不同的管網(wǎng)阻力曲線。系統(tǒng)消耗有功功率的大小反映于管網(wǎng)阻力曲線上的壓力H和流量Q的乘積；泵的輸出功率大小反映于水泵特性曲線上的H與Q的乘積。A為額定工作點(diǎn)；y1、y2分別為水泵在轉(zhuǎn)速n1、n2下的效率曲線，水泵在設(shè)計時應(yīng)在額定流量時獲得最大效率。

閥門開度減少時，受其節(jié)流作用，泵后管網(wǎng)流動阻力增加，水泵運(yùn)行點(diǎn)沿恒轉(zhuǎn)速曲線BD的A點(diǎn)上升到B點(diǎn)，使泵出口壓力升高，流量減少。同時，水泵的工作效率沿曲線y1從最高點(diǎn)下降到M點(diǎn)，此時，耗電量減少不多而效率下降較大。如通過閥門控制流量從100%減少到70%時，出口壓力H將由100%上升到110%，總效率由0.98降為0.80，由泵的軸功率公式可得，能耗只減少（100%×100%）/0.98－(70%×55%)/0.8＝60%。

總之，由流體力學(xué)可知，風(fēng)機(jī)的流量Q與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，風(fēng)機(jī)的壓力p與轉(zhuǎn)速n的二次方成正比，而風(fēng)機(jī)的功率p則與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比。

3. 節(jié)能效果分析。筆者于2011年8月對2號機(jī)組凝泵變頻改造后的不同負(fù)荷段進(jìn)行統(tǒng)計（表1），平均負(fù)荷為554 MW，平均負(fù)荷率為84%，對應(yīng)凝結(jié)水泵電機(jī)電流為102 A；改造前工頻方式下，相同負(fù)荷率下對應(yīng)凝結(jié)水泵電機(jī)電流為202 A。綜合考慮變頻器小室內(nèi)空調(diào)、照明等用電負(fù)荷，節(jié)約功率為850 kW，節(jié)約電能為850 kW·h。

表1 2號機(jī)組凝結(jié)泵工、變頻運(yùn)行工況對比

江蘇大唐國際呂四港發(fā)電公司上網(wǎng)電價0.42元/ （kW·h），每小時節(jié)電約合人民幣357元。按全年火電設(shè)備利用小時數(shù)6 000 h計算，每年每臺凝結(jié)水泵約節(jié)約214.2萬元。而改造1臺凝結(jié)水泵變頻器的成本約115萬元。

4. 減少電機(jī)啟動時的電流沖擊。變頻改造前，電機(jī)直接啟動時最大啟動電流大約為額定電流的7倍。采用變頻調(diào)速以后，凝結(jié)泵啟動時，轉(zhuǎn)速從零逐漸平穩(wěn)地升到所需轉(zhuǎn)速，沒有任何沖擊，電流從零開始上升，不會超過額定電流，解決了電機(jī)啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機(jī)、傳動系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力，大大降低日常的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

5. 延長凝結(jié)泵壽命。凝結(jié)水泵使用變頻器，可使電機(jī)轉(zhuǎn)速變化沿凝結(jié)泵的加減速特性曲線變化，沒有應(yīng)力負(fù)載作用于軸承上，延長了軸承的壽命，減少了機(jī)泵的啟動沖擊和機(jī)械摩擦、震動，改善了凝結(jié)泵的啟動特性，延長了電動機(jī)的使用壽命。

四、結(jié)論

凝結(jié)泵變頻調(diào)速改造節(jié)能效果明顯，改造非常成功。同時，采用變頻調(diào)速后，實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)的軟啟動，電機(jī)的振動情況得到了改善，延長了電動機(jī)的壽命；凝結(jié)水泵調(diào)門全開，也減少了管道的振動與磨損，減少了維修量；隨著電機(jī)耗能的下降，電機(jī)發(fā)熱量也隨之減少，電機(jī)的溫升也在下降；變頻調(diào)速運(yùn)行時，由于小流量時轉(zhuǎn)速低，降低了泵及系統(tǒng)的噪聲，改善了運(yùn)行環(huán)境；同時，調(diào)節(jié)手段變得簡單、可靠，提高了自動裝置的投入率。以上改造方案為江蘇大唐國際呂四港發(fā)電有限責(zé)任公司創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也帶來了社會效益，值得大力推廣應(yīng)用。