凝結水泵變頻改造和性能分析

張 宇

（1.山西電大科學研究院，山西 太原 030012；2.太原理工大學，山西 太原 030024）

1 引言

近年來，國家高度重視節(jié)能發(fā)展戰(zhàn)略，對我國電力系統(tǒng)節(jié)能國際比較；研究“十一五”期間電力系統(tǒng)節(jié)能降耗潛力，包括電力系統(tǒng)節(jié)能的技術經濟可行性分析；研究電力系統(tǒng)節(jié)能原則、節(jié)能目標、節(jié)能重點領域；提出可操作的電力系統(tǒng)節(jié)能技術、經濟、管理政策措施建議。為響應國家節(jié)能號召，電力行業(yè)也相應出臺了節(jié)能減排政策，對能耗大的電力設備進行節(jié)能改造。由原來的工頻工作方式改為頻率可調的變頻工作方式。通過對火力發(fā)電企業(yè)中變頻器應用的調研和分析，確定了其可行性。凝結水泵作為火電廠中的大型輔機，承擔著凝汽器疏水和除氧器上水的動力，也為部分工業(yè)水系統(tǒng)和減溫水系統(tǒng)提供水源，需要消耗大量的電力。因此，凝結水泵必須具備較高的運行可靠性和靈活性，通過改變變頻器的工作頻率來調節(jié)凝結水泵的轉速，高負荷時增加轉速，低負荷時降低轉速，使之可以較好地滿足流量變化，提高泵在變流量時的工作效率，通過運行實踐，使用變頻后系統(tǒng)運行的線形度較好、動態(tài)響應快，完全保證機組在更經濟的狀態(tài)下安全穩(wěn)定運行。

2 凝結水泵改造前后運行比較

圖1 凝結水系統(tǒng)流程圖

圖1為凝結水系統(tǒng)流程圖，簡要流程是：排氣裝置凝汽器→凝結水泵→精處理裝置→軸封加熱器→凝結水再循環(huán)門→除氧器上水閥→低壓加熱器→除氧器。在機組運行期間，蒸汽經旁路或低壓缸，排入凝汽器，排汽經凝汽器內的冷卻器凝結成水，流入凝汽器底部。凝結水通過凝汽器底部出水管，經濾網后進入凝結水泵，再由凝結水泵經低壓加熱器打入除氧器中。凝汽器中的水源主要由凝結水補水泵來的除鹽水補充。在機組的啟動和運行過程中汽水工質做功產生的損耗，都需要補充除鹽水，以維持正常運行所需水量。凝汽器內水位太高會使換熱面積減少，真空下降，影響機組的經濟與安全運行，凝汽器中的凝結水必須保持一定的水位，才能保證凝結水泵安全運行。

圖2 變頻改造前后的電器圖

從圖2可以看出，對電氣回路的改造，變頻模式與工頻模式采用并列方式，若變頻器發(fā)生故障的情況下可以切換到工頻模式，兩臺凝結水泵均按此回路方式改造。凝結水泵在工頻方式運行，當機組降低負荷時，鍋爐蒸發(fā)量減少，給水量需求相應下降，為了防止凝結水補水過量造成除氧器水位上升，須打開凝結水再循環(huán)門，通過調節(jié)再循環(huán)門的開度，控制凝結水流量，使泵以最小流量運行。改為變頻方式運行時，除氧器水位通過調節(jié)凝結水泵的變頻器控制凝結水上水量，省去再開循環(huán)門來調節(jié)流量的步驟，同時也使泵運行更經濟。變頻運行的凝結水泵，以較低的出力運行時，由于凝結水泵的轉速較低，各種以凝結水作為冷卻水的減溫水壓力會有所下降，此時需要通過變頻調速來達到理想的出力保證凝結水母管壓力。

單元機組通常設計兩臺100%出力的凝結水泵，兩臺泵都裝有獨立的變頻器。正常工況下為一運一備，當變頻方式的工作泵發(fā)生故障跳閘或凝結水母管壓力不足時，備用泵自動投入變頻方式運行。若故障泵處理好后，切換至變頻方式運行。若出現(xiàn)變頻器故障不能及時使用，且需兩臺泵運行時，將泵切換到工頻方式運行。為了保證兩臺泵之間無擾切換，鍋爐上水門要減小開度，同時也要根據負荷和除氧器水位變化，控制好凝汽器水量和除氧器水量，保證除氧器水位不至于大幅度波動。當機組升負荷時，除氧器以滑壓方式運行，除氧器上水壓力和給水量也會隨著發(fā)生變化，給水量增大除氧器水位下降，除氧器上水閥迅速打開補水，凝汽器水位隨上水量的增加而下降，因此需要除鹽水補水系統(tǒng)快速補水，直至負荷穩(wěn)定到目標值。反之，當系統(tǒng)在降負荷時，需要快速疏水，保證水位不至偏高影響系統(tǒng)正常運行。維持穩(wěn)定的除氧器水位可為給水泵提供必要的靜壓力，防止給水泵汽蝕發(fā)生，同時也能達到很好的除氧效果。因此，凝結水系統(tǒng)的自動控制回路需要控制好除氧器水位與凝結水泵出口壓力。

3 凝結水系統(tǒng)改造前后控制方式對比

凝結水泵變頻控制的目標是除氧器水位與凝結水泵出口壓力，控制的對象是除氧器上水調節(jié)閥與凝結水泵轉速。除氧器水位是通過凝汽器的除鹽水補水門間接控制的，如除氧器水位低于設定值，除鹽水補水閥打開，除鹽水補充到凝汽器中，因為凝汽器設定的水位值沒變，補充的水量會通過凝結水泵被輸送到除氧器。凝汽器水位是通過凝結水泵至除氧器之間的上水調節(jié)閥來控制的。

凝結水泵變頻改造前，除氧器水位主要由除氧器上水調節(jié)閥控制，具有手動和自動兩種控制方式。自動控制方式分為單沖量控制方式和三沖量控制方式。當鍋爐給水流量較低時，除氧器水位控制采用單沖量控制方式；當鍋爐給水流量大于一定值時，除氧器水位控制采用三沖量控制方式。在不同的負荷工況時，由于鍋爐給水量的變化給水方式也相應地進行自動切換。使用除氧器上水調節(jié)閥調節(jié)除氧器水位能夠達到較好的控制特性。

凝結水泵變頻改造后，除氧器水位由原來的使用除氧器上水調節(jié)閥調節(jié)，調整為將上水調節(jié)閥閥位固定在某一開度通過改變凝結水泵轉速來控制除氧器水位。為能達到最大節(jié)能效果，通常將除氧器上水調節(jié)閥開到全開狀態(tài)，通過變頻器手動或自動調節(jié)控制凝泵轉速，以維持除氧器水位。變頻方式下的凝結水泵在較低頻率工作時，存在共振區(qū)域，為避免共振現(xiàn)象對泵的影響，設置凝結水泵變頻器的最低運行頻率。當凝結水泵在最低運行轉速工作時，為了維持除氧器水位，可適當調小除氧器上水調節(jié)閥開度。在鍋爐給水流量大于一定值時，變頻工作的凝結水泵投入三沖量控制方式，除氧器上水調節(jié)閥也投入自動控制方式。除氧器上水調節(jié)閥調節(jié)除氧器水位，凝結水泵轉速調節(jié)控制凝結水母管壓力。為了保證對除氧器水位的連續(xù)自動控制，凝結水泵變頻器運行中如果退出自動控制方式后，除氧器上水調節(jié)閥會投入自動控制方式。實際應用后表明，通過改變凝結水泵轉速來控制凝結水泵出口壓力要比通過改變除氧器上水調節(jié)閥開度更為迅速，變頻改造后的凝結水泵控制特性表現(xiàn)出較好的節(jié)能效果。

4 凝結水系統(tǒng)改造前后經濟效益分析

在凝結水泵變頻改造前，機組運行中凝結水泵的出力得不到充分發(fā)揮，電機線圈發(fā)熱量較大，設備耗電高。凝結水泵改為變頻運行方式后，在除氧器上水調節(jié)閥可以全開，既減少了閥門節(jié)流損失，也能均勻調速，節(jié)約了大量的電能，具有顯著的節(jié)電效果。電機低速運行以及工作在高效率區(qū)間，凝結水泵電流明顯降低，電機線圈和軸承的溫度明顯下降，減少了機械磨損和振動，延長了大修周期,可節(jié)省大量的檢修費用，具有良好的經濟價值。表1為凝結水泵采用變頻調速前后的試驗能耗比較：可以看出，在泵同樣出力的情況下，改造后的能耗明顯下降。按600 MW機組全年平均負荷率80%計算，廠用電量下降約42 000 kW，按年運行5 000 h計算，全年節(jié)電量約為22 000 GWh，綜合節(jié)點率可達28%，經濟效益十分可觀。

表1 凝結水泵采用變頻調速前后的試驗能耗比較

5 結束語

隨著電力體制改革的深入，競價上網日趨激烈。節(jié)能降耗，降低發(fā)電成本成為提高電廠競爭能力的有效途徑。通過變頻器對高能耗用電設備進行改造，節(jié)能效果明顯，采用變頻調速后，實現(xiàn)了電機的軟啟動，延長電動機的壽命，減少了閥門的磨損，降低了廠用電，而且也能提高設備和機組的安全可靠性，減少機組的故障率，給電廠帶來間接的經濟效益。