1 000 MW機組凝結水泵變頻裝置選擇

張戰濤，尹金亮，陳萍

（1.河南省電力勘測設計院，鄭州市，450007；2.中電投平頂山魯陽發電有限公司，河南省平頂山市，467031）

0 引言

凝結水泵（以下簡稱“凝泵”）作為火力發電廠主要動力設備，在火力發電廠的汽水系統中占有非常重要的地位[1-7]。凝泵若與運行工況匹配不好，會造成運行效率低，能耗高，不但經濟性差，還可能引起凝泵系統的振動、汽蝕，導致水泵故障，影響火電機組整體的安全性。1 000MW機組未來存在調峰與之相適應，凝泵系統必須有更高的運行靈活性和適應性。高壓變頻技術通過調節泵的轉速，不僅使泵可以較好地適應流量變化，而且還能提高泵在非設計流量時的運行效率。

1 1 000 MW機組凝泵設計原則

正常滿負荷運行時，2×100％容量凝泵具有一定的優勢，但由于機組不可能常年運行在滿負荷模式下，對于部分負荷的運行方式，3×50％容量的凝泵經濟性稍好，這是由凝泵的特性決定。

機組啟動或低負荷時，單泵與雙泵運行存在切換點，經過估算切換點處機組負荷可達70％。機組負荷在切換點以下時，由于100％容量凝泵管路調節閥壓降大于選用50％容量凝泵時管路調節閥壓降，100％凝泵的揚程將有很大一部分被消耗在調節閥上，導致凝泵運行極不經濟。由于1 000MW機組100％容量的凝泵國內生產廠商還沒有供貨業績，采用進口產品價格又太高，必要性不大；50％容量的凝泵在國內600MW等級的機組上已廣泛應用，其技術成熟可靠，價格較低，機組部分負荷運行時，凝泵經濟性較好。因此本工程每臺機組采用3臺50％容量的國產凝泵。國內1 000MW等級機組中海門和廣東大唐國際潮州三百門電廠、上海漕涇電廠均為3×50％凝泵設計。

2 1 000 MW機組凝泵變頻現狀

目前國內1 000MW超超臨界項目尚處在消化吸收的階段，設計優化剛剛起步，為滿足1 000MW機組參加調峰運行的需要，提高機組的經濟性，泰州電廠、海門電廠和大唐國際潮州電廠都進行了凝泵變頻可行性研究，并于2009年12月投入運行，外高橋第二發電廠（2×900MW）、玉環和鄒縣電廠四期投入商業運行后，利用大修機會分別進行了凝泵變頻改造。上海漕涇電廠和寧海電廠尚未進行凝泵變頻改造。

大唐國際潮州三百門電廠凝泵為長沙水泵廠生產的立式筒袋型泵，電機額定功率1.5MW，采用變頻控制后，變頻在工頻運行時振動情況正常，投變頻后發現在40Hz左右振動大問題，當采用變頻方式運行時，在1 200 r/m in左右時電機自由端水平方向振動特別大，達1mm以上，目前采用在對輪上加配重（將原螺母去掉，重新加工新螺母）的辦法，略有改善，但振動仍大。鄒縣電廠四期為3×50％凝泵設計，2009年進行了改造，運行良好，每臺機組平均每天節電1萬kW·h。

3 變頻調速系統技術方案論證

平頂山魯陽發電廠每臺機組配置3臺凝泵，2運1備運行方式，根據現場情況，變頻配置可以考慮如下幾種方案。

（1）一拖一自動方式。

采用一托一自動方式共需3套凝泵。一拖一自動方式接線如圖1所示：QS1、QS2與QF1、QF2聯鎖，即QS1、QS2斷開時，QF1、QF2不能閉合。QF3和QF2互鎖，QF3和QF1不互鎖。

電機工頻運行時，變頻器接收到“工頻切變頻”的信號后，合QF1，再斷QF3，最后合QF2，電機變頻運行。電機變頻運行時，變頻器接收到“變頻切工頻”的信號后，斷QF1、QF2，然后合QF3，電機工頻運行。檢修變頻器時斷開隔離刀閘QS1、QS2。

此方案的特點是在變頻器出現嚴重故障時，負載能夠自動轉入工頻電網中，切開變頻調速系統，負載不用停機，另外可以在旁路運行的情況下斷開QS1和QS2檢修變頻器。潮州三百門和海門電廠均采用此種方案。

（2）一拖二+一拖一自動方式。

1臺凝泵采用一拖一變頻控制，另2臺凝泵采用一拖二變頻控制。凝泵一拖二自動方式有設計模式3電源進線和2電源進線方式2種標準，2種方式原理分別見圖2和圖3。本文重點介紹3電源進線方式，這種方式結構簡單，變頻裝置使用斷路器少，閉鎖方便可靠，投資和占地省。

QS1、QS2為隔離開關，在回路不檢修或不長期停機的情況下，QS1、QS2一直合上。QF4與QF5互鎖，即QF4與QF5只允許其中1個閉合。同時QF4與QF1互鎖，QF5與QF3互鎖。

當電機A（B）工頻運行時，QF2、QF4、QF5斷開，QF1（QF3）閉合。需要切換至電機B（A）變頻狀態時，先閉合QF2，變頻器預充電，當變頻器就緒后，先斷開QF1（QF3），再閉合QF5（QF4），此時電機B（A）處于變頻運行狀態。當電機A（B）變頻運行時，QF2、QF4（QF5）閉合，QF1、QF2、QF5（QF4）斷開。需要切換至電機B（A）工頻狀態時，先斷開QF4（QF5），再斷開QF2，然后合上QF3，此時電機B（A）處于工頻運行狀態。

2電源進線方式如圖3。由圖3可知，該模式開關數量較多，閉鎖和操作相對復雜。

一拖二自動控制方案的優點是正常情況下，允許任一負載工作在變頻狀態。如果電機A工作在變頻狀態，電機B可以工作在工頻狀態；相反，如果電機B工作在變頻狀態，則電機A可以工作在工頻狀態。如果檢修變頻器，2臺負載都可以工頻運行，這樣可以延長電機使用壽命。在變頻器出現嚴重故障時，負載不用停機，系統能夠自動轉入工頻中，滿足現場不能停機的要求。鄒縣電廠四期即采用此方案。

（3）一拖三自動方式。

采用1套高壓變頻器實現任意1臺變頻運行，另1臺固定工頻運行，還有1臺備用，如圖4所示。

工作原理：KM 1與QF1、KM 2與QF2、KM 3與QF3不能同時合閘，在電氣上實現互鎖；KM 1、KM 2、KM 3也不能同時合閘，在電氣上實現互鎖。當電機M 1變頻運行時，電機M 2或電機M 3可工頻運行。此方案的優點是采用1臺變頻器，投資省、占地少；缺點是開關數量多，閉鎖環節復雜，變頻泵和工作泵互相之間有干擾。

4 投資及經濟效益分析

4.1 變頻器設備投資比較

以火力發電工程項目經濟效益評價等有關資料為依據，結合電廠的實際情況，對3×50％容量凝結水泵配變頻器方案進行技術經濟比較分析。

按照機組運行模式，機組運行工況是變化的，水泵不可能一直在設計工況下運行，對凝泵變頻的3種配置方式的運行經濟性比較，需要了解機組的年度運行及啟停方式。魯陽電廠機組單機運行模式如表1所示。根據目前變頻器國內制造水平，1.5MW凝泵配國產的變頻器的價格大約為900元/kW，其設備初投資、土建安裝費、不可預見費統計分別為：一拖一方式，405萬元+30萬元+45萬元，共計480萬元；一拖二+一拖一方式，270萬元+40萬元+10萬元，共計320萬元；一拖三方式，135萬元+40萬元+15萬元，共計190萬元。

4.2 凝泵運行經濟性比較

根據表1配變頻器年耗電量為854.40萬kW·h，不配變頻器年耗電量為1 327.81萬kW·h，2者相差473.41萬kW·h，按發電成本價0.261元/（kW·h）計算，即可節省年運行費用123.56萬元。

所謂年費用是1年中投資費用與運行費用之和，其表達式為式中：NF為年費用，萬元/年；Z為初投資，萬元；U為運行費，萬元/年；f為年費用率。

其中固定費用率f，將投資平均分攤到貸款償還期內每1年，考慮了設備折舊、稅金、管理費、保險費及其他費用，方案擇優比較時取f＝0.17。通過表2的年費用計算比較可以看出。雖然變頻運行方案初投資費用比工頻運行方案高，但年費用較小。方案3年費用最小，方案2年費用次之，方案1采用一拖一方式年費用最高。

綜合技術、投資、運行維護幾個方面的因素得出，方案1采用3套一拖一方式造價最高，可以排除；從國內調查的情況看，方案3費用雖低，但是需要1臺變頻泵和1臺工頻泵并聯工作，調節控制上可以實現，但1臺變頻和1臺定速運行時，存在搶水問題，在一些工況下變頻泵的靜態工作點不穩定，調節范圍小，容易造成變頻泵停運，運行可靠性降低。本工程如果按方案3采用同型號定速泵不變，約節省年運行費用72萬元，投資收益為3.73年。雖然通過取掉定速泵一級葉輪（國內有應用案例），可以實現定混運行的安全性和可靠性，但經濟性較差，凝泵效率降低1％，年平均多耗廠用電50萬kW·h。

電力企業進行變頻改造，必須堅持安全第一、節能降耗、投資回收期短、系統改動最小、空間適宜等原則。相比而言方案3費用雖然最低，但安全性和可靠性差，特別是運行靈活性差。而方案2雖然占地稍多，但技術可靠性高，運行經濟好，靜態投資回收年限約為5年，為3種方案中最優者。

表1 各種方案在全年運行模式下的年耗電量Tab.1 The annual power consumption of various schemes under whole-year operating mode

表2 年費用比較表Tab.2 Annual cost comparison

故本工程凝泵采用一拖二+一拖一方式的變頻調速，能提高凝泵的運行效率，減少凝系統的能量損失，節電率達34％。

4.3 變頻調節的控制策略

在保證滿足凝泵出口壓力與除氧器上水量要求的前提下，除氧器水位調節閥全開，該點所對應的負荷點稱為平衡點。機組負荷在平衡點以上時，可以單純依靠增大凝泵轉速來增加凝結水流量，以滿足機組運行需要。機組負荷在平衡點以下時，必須結合除氧器水位調節閥的開度這一調節手段來進行凝結水流量的調節，在滿足需要的情況下，手動逐漸減小凝結水泵轉速，緩慢增大除氧器水位調節閥的開度，直到該閥全開，可以獲得平衡點。平衡點是凝泵變速運行時除氧器水控制方式切換的拐點。

變頻控制的對象是除氧器水位調節閥與凝泵轉速，控制目標是除氧器水位和凝泵出口壓力。經驗證明，通過除氧器水位調節閥調節除氧器水位的控制特性，比將該閥固定在某一開度而僅通過凝泵轉速來控制水位的控制特性好，通過改變凝泵轉速來控制凝泵出口壓力則要比通過改變除氧器水位調節閥開度來改變凝泵出口壓力更快。具體制定控制策略時，如果凝泵轉速控制和除氧器水位調節閥控制都投入自動，除氧器水位調節閥應自動調節除氧器水位，而凝泵轉速應自動調節凝結水母管壓力。如果只有1個投入自動方式時，其控制目標均為除氧器水位，凝泵出口壓力控制變成一種保護控制。當變頻凝泵運行，備用工頻凝泵啟動時，凝泵的轉速指令跳變到額定轉速，凝泵轉速控制切手動，除氧器水位調節閥快開到與機組負荷相對應的某個開度，然后投入自動。對于變速運行的凝泵，在除氧器水位調節閥沒有全開時，降低凝泵轉速、增加除氧器水位調節閥開度，是提高節能效果的有效途徑。

5 變頻器的安裝要求

高壓變頻器理論上可以安裝在所對應輔機斷路器旁，即和高壓開關柜并列布置，也可以布置在電動機旁邊或主廠房某個位置，布置在何處應根據工程的具體情況而定，無論布置在何處，都應該注意變頻器對安裝環境的要求。高壓變頻器柜一般長8～10m，由旁路柜、移相變壓器柜、功率單元柜、控制柜組成。柜內電子元件比較多，這些元件對安裝環境都有要求。一般高壓變頻器都應戶內安裝，為了滿足其對環境溫度和濕度的要求，室內需安裝空調并有沿長度方向的風道，下部需要做防水、防凍的處理，電纜要考慮上進或下進出線對設備布置的影響。變頻器布置應由電氣專業為有關工藝專業提供有關安裝資料，使得變頻設備做到合理安排、統一布置，避免臨時找地方影響整個電廠的整體布置。

6 結語

根據比較，1 000MW級機組設3臺50％凝泵較為經濟合理的，同時配置高壓變頻設備可以實現所有工況下凝泵的變頻調速調節。本著以安全為前提，節能為目的，投資回收期為檢驗標準，合理選擇凝泵變頻器一拖二+一拖一控制方式，提高凝泵的運行效率，減少凝結水系統的能量損失。采用合理的控制策略，尋找最佳平衡點，挖掘節能潛力。

[1]張文海，曲顯明，馬心寧.熱電廠送（引）風機、給水泵變頻調速設計[J].電力建設，2003，24（9）：15-17.

[2]楊小華.1 000MW超超臨界發電機組節能降耗措施初探[J].電力勘測設計，2007（1）：31-34.

[3]錢伯章.中國能源現狀與節能[J].石油經濟，2004（6）：12-14.

[4]江巨浪，朱成強.電力工業的節能新趨勢[J].安慶師范學院學報：自然科學版，2004（2）：31-33.

[5]俞立凡，陸寶華.S109FA機組凝結水泵變頻改造分析[J].電力建設，2009，30（8）：88-90.

[6]陳格恒.變頻調速技術在發電廠應用的幾個問題[J].廣東電力，2008（1）：34-38.

[7]孔亮，王志亮，曹廣芹，等.基于PLC變頻器一拖四供水控制系統中的應用[J].可編程控制與工廠自動化，2007（10）：65-69.