哈爾濱第三電廠4號機組凝結水泵的變頻改造

李柏新

(華電能源哈爾濱第三發電廠，黑龍江哈爾濱150024)

0 引言

近年來，黑龍江電網的負荷峰谷差越來越大，隨之調峰深度逐步增大，深度調峰任務使高壓電機的啟停次數增加。而采用變頻調速技術可實現高壓電機的軟啟動，改善電動機運行環境。因此，如何在高壓電動機中運用變頻調速技術，取得更大的節能降耗的效果，并解決高壓變頻調速技術應用中的實際問題，如電機變頻運行時的可靠性、變頻與工頻的切換、電機方式改變對熱力系統的影響等，將具有非常重要的現實意義。

1 凝結水泵運行現狀

華電能源哈爾濱第三發電廠4號機組為600 MW的燃煤發電機組。該機組凝結水泵流量大于機組最大凝結水流量，電機功率也大于凝結水泵最大輸出功率，采用調節氣動調節門控制凝結水流量，機組在額定負荷下運行時，凝結水泵效率較為理想;而機組在低負荷運行時，電動調門長期固定在20%～40%開度，氣動調門在30% ～60%開度調節，節流損耗隨機組負荷降低而迅速升高。凝結水系統流程如圖1所示。

凝結水系統運行中存在的主要問題:

a.調門動作遲緩，手動時運行人員操作不靈活，而且操作不當會造成除氧器振動，投入自動運行時，很難達到最佳調節品質。

b.氣動調門執行機構故障較多，不能適應長期頻繁調節，使凝結水流量調節系統一直不能正常投入自動運行。

c.凝結水泵在啟動時，采用直接啟動方式，啟動電流為額定電流的5～8倍，電動機受到的機械、電氣沖擊較大，經常發生轉子鼠籠條斷裂事故。

d.凝結水泵由于設計原因，電動機容量比水泵額定出力大，多余容量不能利用，浪費了電能。

e.氣動調整門受水流沖刷較嚴重。

f.機組經常低負荷調峰，凝結水流量較低，大量電能消耗在閥門節流及凝結水再循環上。

圖1 哈三電廠4號機組凝結水系統

2 凝結水系統變頻改造的設計要求

2.1 熱控聯鎖保護

工頻運行時凝結水泵出口壓力低聯鎖:由于在變頗運行時(特別是在低負荷階段)泵的轉速較低，原凝泵出口壓力低的連鎖定值就不再合適。給水泵密封水壓力及各種采用凝結水作為冷卻水的系統，均有壓力下降的可能，既要通過變頻調速保證除氧器水位，同時又要保證凝潔水壓力，以確保其他凝結水用戶可靠運行。

2.2 一次系統設計

電氣一次回路按“一拖二”方案設計，實現1臺凝泵變頻運行，另1臺凝泵工頻備用，可定期實現設備輪換及事故切換。變頻器進、出口開關之間以及變頻器進、出口開關與原凝泵電源開關之間的可靠閉鎖，要在變頻器本身與DCS之間合理分配控制功能。避免二者出現控制真空、不必要的信號傳遞和重疊設置閉鎖，以致增加系統的不可靠性。

2.3 控制方式設計

設計控制方案時，需重點考慮以下控制要求:

a.正常運行控制。要求變頻泵單臺運行時，利用對變頻泵的轉速調節去控制除氧器水位;而工頻泵單臺運行時，仍利用氣動調節門來控制除氧器水位。

b.故障時除氧器水位控制。凝結水泵在工頻運行時依靠調節氣動調整門控制除氧器水位。變頻運行時靠調節凝結水泵的轉速控制除氧器水位，凝結水泵在變頻運行中跳閘切換為工頻運行時，要保證2種控制方式間無擾切換。在切換的同時，電動調節門要按照最大速率關到一定開度，20% ～50%開度呈線性對應300～600 MW，運行人員根據當時負荷和除氧器水位需要手動調整氣動調節門開度，保證除氧器不發生滿水或缺水。

c.定期切泵控制。凝結水泵1臺變頻運行、另1臺工頻備用為其最主要的運行方式。為保證1臺凝結水泵長期變頻運行時而另1臺工頻備用凝結水泵的可靠備用，需定期輪換運行的凝結水泵，包括以下具體方式:變頻運行正常切換至工頻運行的控制、工頻運行正常切換至變頻運行的控制、工作泵變頻運行正常切換至備用泵變頻運行。

3 凝結水泵高壓變頻系統設計

4號機組凝結水泵選用的高壓變頻系統由6 kV電源進線開關、高壓變頻器、6 kV輸出開關、電機構成，考慮到電廠凝結水泵的運行可靠性，高壓變頻系統，須設置自動工頻旁路。一次接線方式如圖2所示。

旁路控制方式為手/自動旁路，可以在凝結水泵工頻運行同時進行開關檢修工作。從自動旁路切換方式看，變頻切換至工頻方式可由變頻器程序自動切換，也可通過DCS或就地控制面板來手動切換;而工頻切換至變頻方式，則采用DCS或就地控制面板手動切換，因為工頻情況下發生故障。

圖2 高壓變頻器及旁路一次接線方式

2臺凝結水泵平時采用“一拖二”方案。正常運行時，變頻器拖動1臺凝泵運行，另1臺工頻備用。當變頻器運行中自身故障或電機、電纜故障時，變頻器保護動作跳閘，備用泵工頻自動聯啟。

為防止變頻器反充電，變頻器輸出開關QF4與QF1開關的合閘控制回路互相閉鎖;變頻器輸出開關QF5和QF2開關的合閘控制回路互相閉鎖;變頻器輸出開關QF4和QF5開關的合閘控制回路互相閉鎖。

4 除氧器水位自動控制策略

高壓變頻改造后，在凝結水泵變頻運行方式下，除氧器上水電動調節門、氣動調節門處于全開位置，僅在啟停機過程中由除氧器上水電動調節門、氣動調節門來控制除氧器水位(此時凝結水泵為定速)，正常運行時通過調節變頻器的輸出頻率改變凝結水泵轉速，調節出口流量控制除氧器水位。在凝結水泵工頻運行方式下，除氧器水位按改造前的方式進行調節。另外，凝結水泵變頻運行時，由于電動調節門、氣動調節門全開，凝結水壓力較低，若凝結水泵由變頻運行方式切換至工頻運行方式時，不及時關小電動調節門、氣動調節門，則造成凝結水流量突然增大、除氧器水位急劇上升。為了解決此問題，將除氧器上水調整門(包括電動調節門和氣動調節門)的控制邏輯作如下修改:

a.在保留原有凝泵工頻運行方式下，將除氧器水位的單沖量、三沖量調節改由30%流量調節門和70%流量調節門聯合控制。

b.增加變頻控制方式下由變頻器調節凝泵轉數控制除氧器水位的單沖量、三沖量調節控制邏輯。

c.由于變頻凝結水泵改用轉速調節，使得凝結水壓力低，而定速凝結水泵仍為上水門調整，凝結水壓力很高，一旦發生變頻凝結水泵跳閘，備用定速凝結水泵啟動后，則凝結水壓力、流量就會突然增大，對除氧器水位將造成很大的影響。對此，將控制邏輯修改為單臺凝結水泵變頻運行跳閘，聯鎖備用凝泵，30%調節門保持不動，按負荷對應的70%調節門的關系曲線自動回關，當聯動的凝結水泵工頻運行延時5 s時，解除70%調節門控制站跟綜條件。

d.高壓變頻調速凝結水泵運行時，將上水調整門打開，利用改變凝結水泵的轉速調節除氧器水位造成凝結水壓力較低。運行中凝結水壓力隨負荷降低而下降，為了保證其它設備所需凝結水的壓力，設定變頻調速系統的最低轉速所對應頻率為30 Hz。而改后邏輯為變頻調速轉速給定指令低于60%時，閉鎖任何指令，變頻器頻率輸出保持在30 Hz，即900 r/min，防止凝結水壓力過低。

e.機組啟動、停止過程中，將變頻凝結水泵轉速控制在某個值，采用原除氧器水位調整門調節邏輯，不但使除氧器水位穩定，而且可以保證其它輔助設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。

5 除氧器水位自動控制效果

機組啟動、停止過程中，凝結水泵控制方式為變頻-手動，除氧器水位調節采用原30%、70%上水調門聯合控制上水的控制策略，凝結水泵處于非額定運行方式下，節流損失減小，節約了大量電能。

正常運行時，采用原30%、70%上水調門全開，變頻裝置根據機組負荷調整凝結水泵轉速來控制水位的方式。變頻調節響應速度很快，水位調節品質較原控制方式有了很大的提高。

事故情況下，單臺凝結水泵變頻運行跳閘，聯鎖備用凝泵，30%調節門保持不動，70%調門按其與負荷對應的的關系曲線(20%～40%開度對應300～600 MW)自動回關。當聯動的凝結水泵工頻運行延時5 s時，解除70%調門控制站跟綜條件，由運行人員根據水位波動情況手動調整70%調門開度，同時將30%調門投入自動，提高了系統運行可靠性。

6 哈三電廠凝結水泵變頻改造效益分析

6.1 直接經濟效益分析

哈三電廠熱試專業人員選取5種具有代表性的負荷分配各1 d，基本涵蓋了哈三電廠4號機組1 a中不同時期的接帶負荷情況，使用功率測試儀表對凝結水泵在改造前后5 d的實測數據進行比較，經過計算日平均節約電能21 224.8 kW·h，年平均節約費用127.2萬元，靜態投資回收年限2 a，該項目的節能效果非常明顯。

6.2 間接經濟效益分析

除上述直接經濟效益外，改用變頻調速后還有如下優點:

a.采用的單元串聯多電平PWM電壓源型變頻器其諧彼含量極低，避免了電機的附加加熱、噪聲、dV/dt應力及共模電壓損害等問題，功率因數也由原來的0.80左右提高到0.95以上。

b.減小了電機啟動對廠用高壓母線的沖擊，母線電壓降幾乎可以忽略不計，改善了其它高壓電機的運行環境。

c.采用變頻調節，其器控制調節品質遠遠好于調門調節，有利于DCS系統對系統的控制。

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