哈爾濱第三電廠4號(hào)機(jī)組凝結(jié)水泵的變頻改造

李柏新

(華電能源哈爾濱第三發(fā)電廠，黑龍江哈爾濱150024)

0 引言

近年來(lái)，黑龍江電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差越來(lái)越大，隨之調(diào)峰深度逐步增大，深度調(diào)峰任務(wù)使高壓電機(jī)的啟停次數(shù)增加。而采用變頻調(diào)速技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)的軟啟動(dòng)，改善電動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境。因此，如何在高壓電動(dòng)機(jī)中運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)，取得更大的節(jié)能降耗的效果，并解決高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題，如電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)的可靠性、變頻與工頻的切換、電機(jī)方式改變對(duì)熱力系統(tǒng)的影響等，將具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 凝結(jié)水泵運(yùn)行現(xiàn)狀

華電能源哈爾濱第三發(fā)電廠4號(hào)機(jī)組為600 MW的燃煤發(fā)電機(jī)組。該機(jī)組凝結(jié)水泵流量大于機(jī)組最大凝結(jié)水流量，電機(jī)功率也大于凝結(jié)水泵最大輸出功率，采用調(diào)節(jié)氣動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)控制凝結(jié)水流量，機(jī)組在額定負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水泵效率較為理想;而機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)調(diào)門(mén)長(zhǎng)期固定在20%～40%開(kāi)度，氣動(dòng)調(diào)門(mén)在30% ～60%開(kāi)度調(diào)節(jié)，節(jié)流損耗隨機(jī)組負(fù)荷降低而迅速升高。凝結(jié)水系統(tǒng)流程如圖1所示。

凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行中存在的主要問(wèn)題:

a.調(diào)門(mén)動(dòng)作遲緩，手動(dòng)時(shí)運(yùn)行人員操作不靈活，而且操作不當(dāng)會(huì)造成除氧器振動(dòng)，投入自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，很難達(dá)到最佳調(diào)節(jié)品質(zhì)。

b.氣動(dòng)調(diào)門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障較多，不能適應(yīng)長(zhǎng)期頻繁調(diào)節(jié)，使凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)一直不能正常投入自動(dòng)運(yùn)行。

c.凝結(jié)水泵在啟動(dòng)時(shí)，采用直接啟動(dòng)方式，啟動(dòng)電流為額定電流的5～8倍，電動(dòng)機(jī)受到的機(jī)械、電氣沖擊較大，經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂事故。

d.凝結(jié)水泵由于設(shè)計(jì)原因，電動(dòng)機(jī)容量比水泵額定出力大，多余容量不能利用，浪費(fèi)了電能。

e.氣動(dòng)調(diào)整門(mén)受水流沖刷較嚴(yán)重。

f.機(jī)組經(jīng)常低負(fù)荷調(diào)峰，凝結(jié)水流量較低，大量電能消耗在閥門(mén)節(jié)流及凝結(jié)水再循環(huán)上。

圖1 哈三電廠4號(hào)機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)

2 凝結(jié)水系統(tǒng)變頻改造的設(shè)計(jì)要求

2.1 熱控聯(lián)鎖保護(hù)

工頻運(yùn)行時(shí)凝結(jié)水泵出口壓力低聯(lián)鎖:由于在變頗運(yùn)行時(shí)(特別是在低負(fù)荷階段)泵的轉(zhuǎn)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(jié)水作為冷卻水的系統(tǒng)，均有壓力下降的可能，既要通過(guò)變頻調(diào)速保證除氧器水位，同時(shí)又要保證凝潔水壓力，以確保其他凝結(jié)水用戶可靠運(yùn)行。

2.2 一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣一次回路按“一拖二”方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)1臺(tái)凝泵變頻運(yùn)行，另1臺(tái)凝泵工頻備用，可定期實(shí)現(xiàn)設(shè)備輪換及事故切換。變頻器進(jìn)、出口開(kāi)關(guān)之間以及變頻器進(jìn)、出口開(kāi)關(guān)與原凝泵電源開(kāi)關(guān)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(xiàn)控制真空、不必要的信號(hào)傳遞和重疊設(shè)置閉鎖，以致增加系統(tǒng)的不可靠性。

2.3 控制方式設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，需重點(diǎn)考慮以下控制要求:

a.正常運(yùn)行控制。要求變頻泵單臺(tái)運(yùn)行時(shí)，利用對(duì)變頻泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)去控制除氧器水位;而工頻泵單臺(tái)運(yùn)行時(shí)，仍利用氣動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)來(lái)控制除氧器水位。

b.故障時(shí)除氧器水位控制。凝結(jié)水泵在工頻運(yùn)行時(shí)依靠調(diào)節(jié)氣動(dòng)調(diào)整門(mén)控制除氧器水位。變頻運(yùn)行時(shí)靠調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速控制除氧器水位，凝結(jié)水泵在變頻運(yùn)行中跳閘切換為工頻運(yùn)行時(shí)，要保證2種控制方式間無(wú)擾切換。在切換的同時(shí)，電動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)要按照最大速率關(guān)到一定開(kāi)度，20% ～50%開(kāi)度呈線性對(duì)應(yīng)300～600 MW，運(yùn)行人員根據(jù)當(dāng)時(shí)負(fù)荷和除氧器水位需要手動(dòng)調(diào)整氣動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度，保證除氧器不發(fā)生滿水或缺水。

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

3 凝結(jié)水泵高壓變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4號(hào)機(jī)組凝結(jié)水泵選用的高壓變頻系統(tǒng)由6 kV電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)、高壓變頻器、6 kV輸出開(kāi)關(guān)、電機(jī)構(gòu)成，考慮到電廠凝結(jié)水泵的運(yùn)行可靠性，高壓變頻系統(tǒng)，須設(shè)置自動(dòng)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(dòng)旁路，可以在凝結(jié)水泵工頻運(yùn)行同時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)檢修工作。從自動(dòng)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(dòng)切換，也可通過(guò)DCS或就地控制面板來(lái)手動(dòng)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(dòng)切換，因?yàn)楣ゎl情況下發(fā)生故障。

圖2 高壓變頻器及旁路一次接線方式

2臺(tái)凝結(jié)水泵平時(shí)采用“一拖二”方案。正常運(yùn)行時(shí)，變頻器拖動(dòng)1臺(tái)凝泵運(yùn)行，另1臺(tái)工頻備用。當(dāng)變頻器運(yùn)行中自身故障或電機(jī)、電纜故障時(shí)，變頻器保護(hù)動(dòng)作跳閘，備用泵工頻自動(dòng)聯(lián)啟。

為防止變頻器反充電，變頻器輸出開(kāi)關(guān)QF4與QF1開(kāi)關(guān)的合閘控制回路互相閉鎖;變頻器輸出開(kāi)關(guān)QF5和QF2開(kāi)關(guān)的合閘控制回路互相閉鎖;變頻器輸出開(kāi)關(guān)QF4和QF5開(kāi)關(guān)的合閘控制回路互相閉鎖。

4 除氧器水位自動(dòng)控制策略

高壓變頻改造后，在凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行方式下，除氧器上水電動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)處于全開(kāi)位置，僅在啟停機(jī)過(guò)程中由除氧器上水電動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)來(lái)控制除氧器水位(此時(shí)凝結(jié)水泵為定速)，正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率改變凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)出口流量控制除氧器水位。在凝結(jié)水泵工頻運(yùn)行方式下，除氧器水位按改造前的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行時(shí)，由于電動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)全開(kāi)，凝結(jié)水壓力較低，若凝結(jié)水泵由變頻運(yùn)行方式切換至工頻運(yùn)行方式時(shí)，不及時(shí)關(guān)小電動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)，則造成凝結(jié)水流量突然增大、除氧器水位急劇上升。為了解決此問(wèn)題，將除氧器上水調(diào)整門(mén)(包括電動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)和氣動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén))的控制邏輯作如下修改:

a.在保留原有凝泵工頻運(yùn)行方式下，將除氧器水位的單沖量、三沖量調(diào)節(jié)改由30%流量調(diào)節(jié)門(mén)和70%流量調(diào)節(jié)門(mén)聯(lián)合控制。

b.增加變頻控制方式下由變頻器調(diào)節(jié)凝泵轉(zhuǎn)數(shù)控制除氧器水位的單沖量、三沖量調(diào)節(jié)控制邏輯。

c.由于變頻凝結(jié)水泵改用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使得凝結(jié)水壓力低，而定速凝結(jié)水泵仍為上水門(mén)調(diào)整，凝結(jié)水壓力很高，一旦發(fā)生變頻凝結(jié)水泵跳閘，備用定速凝結(jié)水泵啟動(dòng)后，則凝結(jié)水壓力、流量就會(huì)突然增大，對(duì)除氧器水位將造成很大的影響。對(duì)此，將控制邏輯修改為單臺(tái)凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行跳閘，聯(lián)鎖備用凝泵，30%調(diào)節(jié)門(mén)保持不動(dòng)，按負(fù)荷對(duì)應(yīng)的70%調(diào)節(jié)門(mén)的關(guān)系曲線自動(dòng)回關(guān)，當(dāng)聯(lián)動(dòng)的凝結(jié)水泵工頻運(yùn)行延時(shí)5 s時(shí)，解除70%調(diào)節(jié)門(mén)控制站跟綜條件。

d.高壓變頻調(diào)速凝結(jié)水泵運(yùn)行時(shí)，將上水調(diào)整門(mén)打開(kāi)，利用改變凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)除氧器水位造成凝結(jié)水壓力較低。運(yùn)行中凝結(jié)水壓力隨負(fù)荷降低而下降，為了保證其它設(shè)備所需凝結(jié)水的壓力，設(shè)定變頻調(diào)速系統(tǒng)的最低轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)頻率為30 Hz。而改后邏輯為變頻調(diào)速轉(zhuǎn)速給定指令低于60%時(shí)，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(jié)水壓力過(guò)低。

e.機(jī)組啟動(dòng)、停止過(guò)程中，將變頻凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速控制在某個(gè)值，采用原除氧器水位調(diào)整門(mén)調(diào)節(jié)邏輯，不但使除氧器水位穩(wěn)定，而且可以保證其它輔助設(shè)備有足夠壓力的冷卻水，如低壓旁路減溫水、疏水?dāng)U容器減溫噴水、低壓缸減溫噴水等。

5 除氧器水位自動(dòng)控制效果

機(jī)組啟動(dòng)、停止過(guò)程中，凝結(jié)水泵控制方式為變頻-手動(dòng)，除氧器水位調(diào)節(jié)采用原30%、70%上水調(diào)門(mén)聯(lián)合控制上水的控制策略，凝結(jié)水泵處于非額定運(yùn)行方式下，節(jié)流損失減小，節(jié)約了大量電能。

正常運(yùn)行時(shí)，采用原30%、70%上水調(diào)門(mén)全開(kāi)，變頻裝置根據(jù)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速來(lái)控制水位的方式。變頻調(diào)節(jié)響應(yīng)速度很快，水位調(diào)節(jié)品質(zhì)較原控制方式有了很大的提高。

事故情況下，單臺(tái)凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行跳閘，聯(lián)鎖備用凝泵，30%調(diào)節(jié)門(mén)保持不動(dòng)，70%調(diào)門(mén)按其與負(fù)荷對(duì)應(yīng)的的關(guān)系曲線(20%～40%開(kāi)度對(duì)應(yīng)300～600 MW)自動(dòng)回關(guān)。當(dāng)聯(lián)動(dòng)的凝結(jié)水泵工頻運(yùn)行延時(shí)5 s時(shí)，解除70%調(diào)門(mén)控制站跟綜條件，由運(yùn)行人員根據(jù)水位波動(dòng)情況手動(dòng)調(diào)整70%調(diào)門(mén)開(kāi)度，同時(shí)將30%調(diào)門(mén)投入自動(dòng)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

6 哈三電廠凝結(jié)水泵變頻改造效益分析

6.1 直接經(jīng)濟(jì)效益分析

哈三電廠熱試專(zhuān)業(yè)人員選取5種具有代表性的負(fù)荷分配各1 d，基本涵蓋了哈三電廠4號(hào)機(jī)組1 a中不同時(shí)期的接帶負(fù)荷情況，使用功率測(cè)試儀表對(duì)凝結(jié)水泵在改造前后5 d的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)計(jì)算日平均節(jié)約電能21 224.8 kW·h，年平均節(jié)約費(fèi)用127.2萬(wàn)元，靜態(tài)投資回收年限2 a，該項(xiàng)目的節(jié)能效果非常明顯。

6.2 間接經(jīng)濟(jì)效益分析

除上述直接經(jīng)濟(jì)效益外，改用變頻調(diào)速后還有如下優(yōu)點(diǎn):

a.采用的單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器其諧彼含量極低，避免了電機(jī)的附加加熱、噪聲、dV/dt應(yīng)力及共模電壓損害等問(wèn)題，功率因數(shù)也由原來(lái)的0.80左右提高到0.95以上。

b.減小了電機(jī)啟動(dòng)對(duì)廠用高壓母線的沖擊，母線電壓降幾乎可以忽略不計(jì)，改善了其它高壓電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境。

c.采用變頻調(diào)節(jié)，其器控制調(diào)節(jié)品質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于調(diào)門(mén)調(diào)節(jié)，有利于DCS系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的控制。

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