660MW超臨界機組凝結(jié)水泵節(jié)能改造

巴瑞薩發(fā)電有限公司 袁宇鑫 李玉軍

本文所述的2×660MW 燃煤火電廠是“一帶一路”上的首個大型火電能源項目，公司與電網(wǎng)采用兩部制電價結(jié)算。設(shè)備的高可靠性、高利用率是公司獲得容量電價的根本保障。降低廠用電率是公司提高經(jīng)濟效益的重要途徑。

該電廠機組凝結(jié)水泵由于設(shè)計富裕度過大，自投運以來一直存在額定工況下出口壓力富裕量超過1.0MPa、凝結(jié)水及高速混床系統(tǒng)多次出現(xiàn)管道振動，閥門壓差大、卡澀、混床樹脂流失，以及凝結(jié)水泵耗電率高的問題，對電站的安全、經(jīng)濟運行造成了較大影響。通過研究分析并對凝結(jié)水泵進行抽葉輪改造，使凝結(jié)水泵壓力與系統(tǒng)管道特性及壓力需求得到了良好匹配，消除了富裕壓力對系統(tǒng)安全性造成的影響，大大降低了凝結(jié)水泵的耗電率，提高了設(shè)備、系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)計及改造前運行情況

根據(jù)對該電廠所在國電網(wǎng)及發(fā)電機組建設(shè)情況分析，未來幾年該國發(fā)電機組裝機容量將快速增加，而電網(wǎng)負(fù)荷需求將低于裝機容量增長速度，今后發(fā)電機組調(diào)度負(fù)荷率將會下降。在機組進入調(diào)峰運行時，要進一步適應(yīng)低負(fù)荷工況下凝結(jié)水泵低能耗運行，對凝結(jié)水泵進行變頻改造就很有必要。經(jīng)初步分析，采用變頻技術(shù)對凝結(jié)水泵電機進行“一拖二工/變頻自動切換”改造，可進一步提高機組在調(diào)峰運行狀態(tài)下的經(jīng)濟性。

對于設(shè)計富裕壓頭過高的凝結(jié)水泵，在抽葉輪改造的基礎(chǔ)上對水泵電機進行變頻改造，會更加充分地發(fā)揮兩種技術(shù)改造的協(xié)同優(yōu)勢，使這兩種技術(shù)相輔相成，改造后的效果更加突出。在變頻改造中，還將采用性價比極高的“一拖二工/變頻自動切換”技術(shù)，這會使整個改造的經(jīng)濟性、科學(xué)性、合理性以及創(chuàng)新性更為突出，也會使該項技術(shù)改造活動具有更加良好的示范性和推廣價值。

凝結(jié)水泵及配套電機設(shè)計參數(shù)。機組凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)計了兩臺100%容量的立式電動筒式凝結(jié)水泵，一運一備，兩臺機組共設(shè)四臺工頻凝結(jié)水泵，型號為NLO500-570×4S。4級葉輪，首級為雙吸葉輪，必須汽蝕余量為4m。水泵揚程290m，流量1740t/h、轉(zhuǎn)速1480rpm，軸功率1655kW，最小流量420t/h。配套電機型號為YLKK630-4，轉(zhuǎn)速1480rpm、功率1900kW、電壓11kV、額定電流119.4A。

系統(tǒng)存在的問題：系統(tǒng)凝結(jié)水泵設(shè)計壓頭高且定速運行，流量由凝結(jié)水至除氧器上水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。凝結(jié)水泵出口壓力富余量超過1.0MPa，在機組額定工況下調(diào)節(jié)閥的開度僅為47%左右，節(jié)流損失大、凝結(jié)水泵工作效率低，調(diào)節(jié)閥長時間處于深度節(jié)流運行狀態(tài)，節(jié)流損失很大，且調(diào)節(jié)精度低、系統(tǒng)水位波動大，對閥門的磨損也較大，降低了系統(tǒng)整體的安全性和穩(wěn)定性，浪費了大量能源。除氧器上水調(diào)節(jié)閥節(jié)流嚴(yán)重，不但產(chǎn)生強烈噪音，還導(dǎo)致了凝結(jié)水及高速混床系統(tǒng)管道振動大、閥門沖刷嚴(yán)重、樹脂流失等問題，且增加了凝結(jié)水泵的耗電率，對電站安全、經(jīng)濟運行造成了較大影響。

2 凝結(jié)水泵降低揚程技術(shù)的分析

2.1 降低凝結(jié)水泵揚程的技術(shù)改造具有獨特性

在中國國內(nèi)，300MW～660MW 范圍內(nèi)機組凝結(jié)水泵大都設(shè)計為變頻(電機)調(diào)速的配置方式，很少有類似該國外電廠定速調(diào)閥運行的方式。由于變頻調(diào)速可覆蓋的范圍廣，所以采用降低凝結(jié)水泵揚程的技術(shù)改造案例一般很少。該國外電廠采用了降低凝結(jié)水泵揚程的抽葉輪技術(shù)改造，具有獨特性。

2.2 降低凝結(jié)水泵揚程的技術(shù)路徑及選擇原則

降低凝結(jié)水泵揚程的技術(shù)路徑通常有葉輪切割改造和抽葉輪改造兩種路徑。葉輪切割改造適用于要求降低揚程相對較小的凝結(jié)水泵，抽葉輪改造適用于要求降低揚程相對較大的凝結(jié)水泵。

2.2.1 葉輪切割技術(shù)

凝結(jié)水泵通過葉輪切割來降低泵揚程，一般是在凝結(jié)水泵出廠前試驗過程中，當(dāng)揚程超規(guī)時會進行一次少量的切割。對于已安裝到了現(xiàn)場的凝結(jié)水泵，可采用訂購葉輪備件的方式向廠家提出新的參數(shù)要求，同時提供實際的參數(shù)量值。改造通常不切割雙吸式首級葉輪，但對后3級的次級葉輪都會平均切制。葉輪切割技術(shù)適用于系統(tǒng)壓力富裕值小于1級揚程的改造。通過將葉輪切割使其外徑減小，從而使得泵的揚程和軸功率都下降。葉輪切割量越大泵的效率下降就越大，且泵的高效點將向小流量方向偏移，最后達到與系統(tǒng)匹配的目標(biāo)。泵的額定出力及能量消耗均會降低，從而減小系統(tǒng)以深度節(jié)流方式調(diào)節(jié)而造成的能量損失。

2.2.2 抽葉輪技術(shù)

凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)子的4級葉輪可看作是4臺單級泵串聯(lián)工作。減少1級，在相同流量下泵的揚程將比原來降低約四分之一。當(dāng)泵出口壓力高于系統(tǒng)壓力的富裕值，在大于1級揚程前提下去掉一個次級葉輪是比較好的選擇，理論上抽取葉輪后基本不影響泵的效率。抽葉輪改造工作量小，改造后節(jié)能效果明顯；改造的工期短，可在該泵停運期間隨時進行，大大方便了現(xiàn)場改造工作的開展。

3 凝結(jié)水泵抽葉輪技術(shù)改造

3.1 節(jié)能改造實施原則

由于該電廠所在國前期電力供給不足，該電廠機組年平均利用小時高達6750小時，機組負(fù)荷率高達90%。公司為了確保多發(fā)電、保障機組的高利用率，本著工期最短、改造工作隨時可進行，改造后系統(tǒng)可靠性不下降、不增加電氣設(shè)備、改造量和投入少的原則，提升凝結(jié)水泵效率和系統(tǒng)安全性，針對泵的揚程富裕量大于一級揚程的特點，論證并實施了凝結(jié)水泵抽一級葉輪技術(shù)改造。

3.2 凝結(jié)水泵抽葉輪改造的技術(shù)優(yōu)點

對凝結(jié)水泵進行抽葉輪改造，可以使機組在高負(fù)荷運行狀態(tài)下，實現(xiàn)凝結(jié)水泵揚程與系統(tǒng)管道特性相匹配，并且改造工作量小、費用最低、需要的時間短，可在機組運行期間通過切換運行泵來分別實施。

3.3 凝結(jié)水泵抽葉輪技術(shù)改造的實施

該電廠在委托水泵廠定制了1個轉(zhuǎn)子定位軸套（替代抽取的葉輪），1個長異徑接管（替代抽取的導(dǎo)葉），設(shè)備到貨后，在機組消缺期間對1A 凝結(jié)水泵實施了抽葉輪改造，根據(jù)現(xiàn)場實際情況抽掉了1A 凝結(jié)水泵的次級葉輪，改造后效果極佳。隨后陸續(xù)對1B、2A、2B 凝結(jié)水泵進行抽葉輪技術(shù)改造，四臺凝結(jié)水泵抽葉輪技術(shù)改造均取得了圓滿成功。

凝結(jié)水泵實施抽葉輪改造后，凝結(jié)水泵及電機振動、溫度等參數(shù)均明顯優(yōu)于改造前，系統(tǒng)壓力、流量完全滿足機組最高出力需要，改造取得了非常良好的效果。改造后，機組在660MW 負(fù)荷下凝結(jié)水母管壓力由3.78MPa 降到了2.78MPa；凝結(jié)水泵電機電流由108A 降低到了81A，凝結(jié)水泵電機功率下降了430kW，系統(tǒng)運行降低廠用電率0.07～0.12個百分點（額定負(fù)荷～50%額定負(fù)荷），取得了極佳的節(jié)能效果。

凝結(jié)水泵抽葉輪改造后凝結(jié)水系統(tǒng)壓力降低，從根本上解決了凝結(jié)水處理系統(tǒng)及高速混床設(shè)備因凝結(jié)水壓差大帶來的系統(tǒng)管道振動大、閥門沖刷嚴(yán)重、樹脂流失等問題；同時大大降低了凝結(jié)水泵的耗電率；明顯提升了電站運行的可靠性、安全性和經(jīng)濟性。改造后，按機組年發(fā)電量70億、廠用電率降低0.095%計算，年可節(jié)約廠用電665萬kWh，節(jié)能效果顯著。

4 凝結(jié)水泵進行變頻節(jié)能改造的技術(shù)分析

4.1 機組長時間低負(fù)荷運行時宜進一步采用變頻技術(shù)

上述改造切實解決了機組在接近額定工況下，凝結(jié)水系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行中存在的問題。但根據(jù)對該電廠所在國電網(wǎng)及發(fā)電機組建設(shè)情況分析，今后電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差會越來越大，發(fā)電機組調(diào)度負(fù)荷率就會下降并頻繁變化，輔機運行狀態(tài)要隨之變化。

該公司前期對凝結(jié)水泵進行“抽葉輪”節(jié)能改造，雖然減少1級葉輪后揚程下降較多，但是在機組深度調(diào)峰、長時間低負(fù)荷運行、凝結(jié)水流量較低的情況下，凝結(jié)水泵的揚程仍會出現(xiàn)較大的富裕。也就是在機組長期低負(fù)荷運行工況下，將會出現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)流調(diào)節(jié)能量損失大的問題。通過全面分析，經(jīng)抽葉輪改造后的凝結(jié)水泵出力及揚程與機組滿負(fù)荷運行時剛好匹配，要進一步滿足機組低負(fù)荷工況下的節(jié)能調(diào)節(jié)，只有進一步采取對凝結(jié)水泵變頻調(diào)節(jié)技術(shù)改造才能實現(xiàn)。改造后水泵變頻調(diào)速進行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，就可達到機組在長時間低負(fù)荷運行時節(jié)能調(diào)節(jié)的目標(biāo)。

4.2 變頻調(diào)速原理及優(yōu)點

變頻調(diào)速技術(shù)原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f（1-s）/p，（n 為轉(zhuǎn)速、f 為輸入頻率、s 為電機轉(zhuǎn)差率、p 為電機磁極對數(shù)）；變頻控制就是通過改變電動機電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。用變頻器把電機的輸入電源頻率與要控制的參數(shù)關(guān)聯(lián)。凝結(jié)水泵改造時，建立除氧器水位與凝結(jié)水泵輸入頻率之間的函數(shù)關(guān)系，就可通過變頻控制實現(xiàn)用凝結(jié)水泵調(diào)速達到除氧器自動控制水位的目標(biāo)。

泵類負(fù)載的功率P 及其運行轉(zhuǎn)速n 的關(guān)系為P=kn3，即電機輸出功率正比于電機轉(zhuǎn)速n 的三次方。變頻器主要是通過改變電源頻率來實現(xiàn)對交流電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。因此對凝結(jié)水泵進行變頻改造后，通過調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速在實現(xiàn)除氧器水位自動控制的同時，還能實現(xiàn)機組低負(fù)荷時凝結(jié)水泵節(jié)能運行的目標(biāo)。

變頻調(diào)節(jié)時，泵的轉(zhuǎn)速降低、其揚程也降低，每個轉(zhuǎn)速下泵的性能曲線與管路的特性曲線均能良好匹配。實際工況點下，凝結(jié)水泵的揚程全部用于克服管路靜壓及流動阻力，不會有富裕壓頭，不產(chǎn)生節(jié)流損失，因而節(jié)能效果明顯。同時在變頻調(diào)節(jié)的工況下，除氧器高壓閥處于全開位置，不進行節(jié)流、不參于調(diào)節(jié)，系統(tǒng)壓力低于節(jié)流調(diào)節(jié)時的壓力，減小了對閥門的沖刷磨損，提高了閥門的使用壽命，也提高了系統(tǒng)的安全性。

變頻調(diào)節(jié)靈敏度高、響應(yīng)速度快，更能適應(yīng)機組工況的快速變化；變頻調(diào)節(jié)有良好的調(diào)節(jié)特性，能提升凝結(jié)水系統(tǒng)調(diào)節(jié)的安全性和經(jīng)濟性。

4.3 一對二工/變頻自動切換技術(shù)

凝結(jié)水泵技術(shù)改造時，在保證安全運行并且實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)的前題下，應(yīng)盡可能減少改造成本。由于每臺機組的兩臺凝結(jié)水泵正常情況下只有一臺運行、另一臺備用，因此可每臺機組只安裝一套變頻裝置，即變頻器與電機“一對二”配置，用刀閘回路實現(xiàn)兩臺泵之間的切換。“一對二配置”相較變頻器與電機“一對一”配置的改造，每臺機組就可少購買一臺高壓變頻器，使改造費用大大降低，而在變頻運行泵出現(xiàn)故障時，可將另一臺備用泵工頻投入運行。

凝結(jié)水泵變頻改造后，一臺凝結(jié)水泵變頻運行、一臺凝結(jié)水泵工頻備用或投運。變頻器通過刀閘切換實現(xiàn)與兩臺凝泵的其中一臺進行聯(lián)接。系統(tǒng)變頻運行方式為：一臺高壓變頻器帶一臺凝結(jié)泵運行，對凝結(jié)水量進行調(diào)節(jié)的除氧器調(diào)閥處于全開狀態(tài)，凝結(jié)泵運行轉(zhuǎn)速由DCS 發(fā)出控制指令，通過高壓變頻器逆變輸出控制凝結(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速，從而控制凝結(jié)水量，實現(xiàn)除氧器水位自動控制的目的。

如果高壓變頻器停運，則凝結(jié)泵可由高壓變頻器的旁路刀閘切換到工頻狀態(tài)下工頻運行；凝結(jié)水系統(tǒng)在工頻運行方式下，系統(tǒng)由凝結(jié)水泵使用除氧器調(diào)閥開度調(diào)節(jié)流量達到控制凝結(jié)水量，實現(xiàn)除氧器水位自動控制的目的。

4.4 凝結(jié)水泵變頻改造的優(yōu)點

變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)靈敏等特點。對凝結(jié)水泵采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)能夠使凝結(jié)水泵控制精度得到極大的提高，使凝結(jié)水泵在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運行，凝結(jié)水泵能在機組接帶各種負(fù)荷的狀態(tài)下，均能以最為經(jīng)濟運行的工況匹配機組運行，大大降低凝結(jié)水泵在機組低負(fù)荷時的耗電率，使機組在長期低負(fù)荷工況運行時節(jié)能效果突出。

適應(yīng)機組長時間低負(fù)荷工況下運行的凝結(jié)水泵變頻技術(shù)改造優(yōu)點為：一是增加了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性；二是減少了調(diào)閥的磨損，提高了調(diào)閥使用壽命，增加了設(shè)備可靠性和安全性；三是節(jié)能效果突出。改造中變頻器與電機采用“一對二”配置，又大大降低了改造的費用。

5 結(jié)語

該電廠采用抽葉輪技術(shù)改造，以極低的成本，已經(jīng)成功的解決了凝結(jié)水泵設(shè)計壓力富余量過大的問題，節(jié)能效果顯著，大大提升了凝結(jié)水系統(tǒng)的安全性。根據(jù)后續(xù)外部電網(wǎng)負(fù)荷需求變化的趨勢，機組深度參與調(diào)峰時節(jié)能的需求，提出并分析了對凝結(jié)水泵采用“一對二”變頻改造的技術(shù)路線，對后續(xù)電廠技術(shù)改造具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。