火電廠凝結水泵變頻改造方案

江蘇大唐國際呂四港發電有限責任公司 陳雪峰

火電廠凝結水泵變頻改造方案

江蘇大唐國際呂四港發電有限責任公司 陳雪峰

隨著能源短缺問題的突出，節能減耗愈來愈受到人們重視，據統計，目前全國各類電機年耗電量約占全國總發電量的65%，其中大功率風機、泵類的年耗電量約占工業總耗電量的50%。最大限度地降低風機、泵類設備的耗電量，對于節能減耗具有重要意義。國家發改委已正式將“電機系統節能”列為“十一五”的十大節能工程之一。

隨著變頻調速在發電廠 的廣泛運用，發電廠的節能減耗也日顯重要。凝結泵是發電廠凝結水系統的重要動力設備，汽輪機做功后的蒸汽經凝汽器凝結成水，再由凝結水泵輸送到除氧器。凝結泵在設計時考慮到較大的流量和揚程安全余量，傳統的通過調節閥門開度調節流量的方式耗電量大，同時凝結泵工頻啟動電流大，對電網沖擊較大，啟動時會造成電機籠條松動，有開焊斷條的危險?；谏鲜鲈颍P者所在的江蘇大唐國際呂四港發電有限責任公司決定對一期工程660 MWX4機組凝結泵進行變頻改造。

一、凝結水泵變頻改造方案設計

1. 系統改造方案設計。改造方案遵循“最小改動、最大可靠性、最優經濟性”的原則，考慮到變頻器退出運行后，系統需保持正常工作，不能影響生產，因此，需配置工頻旁路，當變頻器出現故障時，將另一臺電機投切到工頻下運行。整個系統由1臺高壓變頻柜、1臺控制柜（內置S7–200PLC和PID調節器）、1臺變壓器柜、2臺旁路柜、2臺電機及2臺水泵組成，變頻器采用“一拖二”方案系統連接方式。變頻器內置PLC控制系統連鎖、變頻器的本地/遠程啟動，以避免系統誤操作。變頻器按“一拖二”方案系統連接方式改造后為：進線＋旁路刀閘柜（2臺）＋變頻器＋電機＋水泵。該方案的特點是其中一臺變頻運行，另外一臺工頻備用。由DCS采集除氧器的壓力信號，并將其轉化為4～20 mA的信號作為變頻器的轉速給定信號指令，由變頻器控制凝結泵的轉速，調節系統凝結供水量，以達到節能目的。變頻改造“一拖二”方案如圖1所示。

圖1中共有6個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，QS1與QS3采用一個雙投隔離開關；QS4與QS6采用一個雙投隔離開關，實現自然機械互鎖，并采用S7-200PLC控制系統實現電氣連鎖，以避免系統誤操作。當QS2和QS3閉合、QS1斷開時，電機運行在變頻狀態；當QS2和QS3斷開、QS1閉合時，電機工頻運行。同理，當QS5和QS6閉合、QS4斷開時，電機運行在變頻狀態；當QS5和QS6斷開、QS4閉合時，電機工頻運行，此時高壓變頻器從高壓中隔離出來，便于工作人員檢修、維護和調試。

2. 變頻器的選擇。一般情況下，變頻器容量應不小于電機容量，這樣能滿足電機在額定出力內進行不同轉速的調節。變頻器要既能滿足生產需要，又能節省變頻器投資、減少配套設施，還要滿足實際運行工況的需要。江蘇大唐國際呂四港發電公司凝結水泵電機為6 kV/2 000 kW電機，設計時存在一定裕量。為了滿足50 Hz時滿負荷運行要求，選擇配備了容量為2 500 kV·A的變頻器，以滿足各種工況下不同轉速調節的要求。

二、凝結水泵系統運行

1. 凝結水泵變頻控制策略。

（1）變頻泵正常啟動初期，變頻器頻率、除氧器水位調節門均由手動操作。

（2）在除氧器水位自動調整回路中增加單獨的PID、手動/自動切換站、輸出指令信號以及相應的反饋信號。變頻器自動單沖量（除氧器水位）調節和三沖量（除氧器水位、給水流量、凝結水流量）調節之間實現跟蹤功能和無擾切換，切換的條件與除氧器調門相同。變頻器和除氧器水位主調門不能同時投入使用，兩者互為閉鎖。

（3）凝泵再循環門不參與凝泵聯啟控制，但變頻泵啟動時，應保證其最低轉速時流量不得低于跳凝結泵最小流量362 t/h。

（4）2臺凝泵的倒泵操作均由手動操作實現。

（5）凝結泵變頻時，應保證減溫水、密封水、冷卻水等凝結水用戶要求的最低壓力。

（6）精處理系統壓力、差壓定值。需由發電部與綜合專業負責人提供，或在試驗期間根據實際情況確定。

（7）正常運行期間及異常狀況下的控制方式。正常情況下，凝結水再循環調整門關閉，運行人員手動將除氧器上水主調整門開度調至100%，除氧器上水副調整門開度指令100%。變頻泵故障跳閘時，工頻備用泵自動聯起，凝泵變頻退出自動控制，根據當前負荷情況，由函數關系式輸出凝結水主調整門的開度指令，除氧器上水主調整門自動關閉至設定開度，之后由運行人員手動調整除氧器水位穩定后，投入凝結水主調整門自動控制。

2. 動態調試應具備條件。

（1）系統靜態調試結束。

（2）變頻器具備動態調試條件。

（3）DCS組態完成、DCS帶電，變頻冷卻系統可正常運行。

（4）凝結水泵變頻自動調試時，提前一天向調度提申請票。

（5）凝結水泵變頻自動調試前，由熱控人員解除除氧器水位高一、高二、高三及低二所帶的保護；變頻自動調試工作完成后恢復保護。

（6）凝結水泵變頻自動調試前，運行人員關閉除氧器溢流放水主調門的前后手動門，試開關除氧器事故放水門，發現除氧器溢流調整門和除氧器溢流旁路門正常，5號低加出口放水門正常。輔控網人員試開關精處理旁路門，結果正常。

（7）運行人員做好備用工頻泵搖絕緣，檢查備用工頻泵是否具備隨時啟動的條件。

（8）運行值長通知設備部綜合專業負責人，作好凝結水精處理切至旁路運行和凝結水精處理法蘭漏水的事故預想。

3. 動態調試。

（1）凝泵變頻自動控制動態調試的目的在于通過動態實驗，求取凝結水系統變頻方式下的動態特性，進而整定系統的控制參數，最終保證系統良好的動態響應，以改善系統的調節品質。

（2）動態調試需在工況穩定的條件下，解除除氧器水位保護，并經公司領導、發電部運行人員同意后方可進行。

（3）動態調試內容包括：被控對象的動態特性試驗、控制系統對擾動量的動態響應試驗、確定凝泵母管壓力低變頻泵運行聯啟工頻泵的低定值。

（4）確定凝泵和氣泵密封水壓力的凝泵最低轉速。

（5）試驗凝泵變頻–工頻切換時自動調整維持除氧器水位穩定。

（6）動態調試試驗方法。操作員站上手動改變執行機構位置，使用工程師站及歷史站的趨勢功能紀錄被控對象的變化曲線。在凝結泵變頻自動方式下，除氧器水位超過試驗規定范圍時，立即切除自動控制，由運行人員手動調整變頻器轉速，進行除氧器水位控制。必要時利用凝結水主調整門手動控制除氧器水位。自動控制系統的調節參數，通過反復整定認可之后，改變擾動量（包括負荷擾動、凝結水流量擾動、除氧器水位擾動）的值，使用工程師站及歷史站的趨勢功能紀錄被控對象的變化曲線及控制器輸出的控制曲線。內擾試驗一般以定值擾動試驗為主，內擾試驗應在70%以上負荷進行，維持負荷穩定，擾動量一般應按被控量滿量程的10%掌握，調節過程衰減率應在0.75左右，且被調量的峰值與保護動作值有一定的裕量。

4. 凝結水泵變頻特殊工況。

（1）變頻泵跳閘，聯啟工頻泵時，除氧器水位主調節門按照速率曲線關至設定開度，并解除自動。

（2）變頻泵運行，工頻泵備用時，母管壓力低于低I值，除氧器水位主調門（或副調門）按照速率曲線聯鎖關至預設開度，保證凝結水壓力達到系統要求。

（3）給水RB動作，除氧器水位主調門（或副調門）按照速率曲線，聯鎖關至50%開度。

（4）除氧器水位高I值，除氧器水位主調門（或副調門）按照速率曲線（調試中確定速率）聯鎖關至70%開度。

（5）汽輪機跳閘。除氧器水位主調門、副調門、旁路門全關，除氧器水位自動控制解除，變頻泵自動解除。

三、變頻器節能改造效果分析

1. 節能原理。由電機學可知n＝60f（1 – s）/p，三相異步電動機的轉速n與電源頻率f、轉差率s、電機極對數p有關。n與f之間為線性關系，變頻調速通過改變電源頻率f來實現調節電動機轉速，轉速調節范圍寬，不存在勵磁調節和節流作用帶來的功率損失。

對于風機和泵類負載，由流體力學理論可知，流體流量與風機或泵類的轉速一次方成正比，轉矩與轉速的二次方成正比，而其功率則與轉速三次方成正比，即Q1/ Q2＝n1/ n2，H1/ H1＝（n1/ n2）2，P1/ P1＝（n1/ n2）2。

轉速減少時，電機的能耗將以其三次方的比率下降，因此變頻調速的節電效果十分明顯。

2. 傳統流量控制方法與變頻控制的能耗比較。變頻控制調速方式調速范圍寬，且線性度好，電子損耗低。下面，以水泵為例，比較閥門控制和變頻控制的能耗情況：泵的軸功率P＝QH/1 000n，其中Q、H、n分別表示流量、出口壓力和總效率。則P＝QHn0P0/ Q0H0n，其中下標0表示額定工況。閥門控制流量時水泵壓力與流量的關系曲線如圖2所示。

圖2中，曲線BD，CE分別為不同轉速下水泵的壓力流量關系；曲線BF，AF分別為不同的管網阻力曲線。系統消耗有功功率的大小反映于管網阻力曲線上的壓力H和流量Q的乘積；泵的輸出功率大小反映于水泵特性曲線上的H與Q的乘積。A為額定工作點；y1、y2分別為水泵在轉速n1、n2下的效率曲線，水泵在設計時應在額定流量時獲得最大效率。

閥門開度減少時，受其節流作用，泵后管網流動阻力增加，水泵運行點沿恒轉速曲線BD的A點上升到B點，使泵出口壓力升高，流量減少。同時，水泵的工作效率沿曲線y1從最高點下降到M點，此時，耗電量減少不多而效率下降較大。如通過閥門控制流量從100%減少到70%時，出口壓力H將由100%上升到110%，總效率由0.98降為0.80，由泵的軸功率公式可得，能耗只減少（100%×100%）/0.98－(70%×55%)/0.8＝60%。

總之，由流體力學可知，風機的流量Q與風機轉速n的一次方成正比，風機的壓力p與轉速n的二次方成正比，而風機的功率p則與轉速n的三次方成正比。

3. 節能效果分析。筆者于2011年8月對2號機組凝泵變頻改造后的不同負荷段進行統計（表1），平均負荷為554 MW，平均負荷率為84%，對應凝結水泵電機電流為102 A；改造前工頻方式下，相同負荷率下對應凝結水泵電機電流為202 A。綜合考慮變頻器小室內空調、照明等用電負荷，節約功率為850 kW，節約電能為850 kW·h。

表1 2號機組凝結泵工、變頻運行工況對比

江蘇大唐國際呂四港發電公司上網電價0.42元/ （kW·h），每小時節電約合人民幣357元。按全年火電設備利用小時數6 000 h計算，每年每臺凝結水泵約節約214.2萬元。而改造1臺凝結水泵變頻器的成本約115萬元。

4. 減少電機啟動時的電流沖擊。變頻改造前，電機直接啟動時最大啟動電流大約為額定電流的7倍。采用變頻調速以后，凝結泵啟動時，轉速從零逐漸平穩地升到所需轉速，沒有任何沖擊，電流從零開始上升，不會超過額定電流，解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養費用。

5. 延長凝結泵壽命。凝結水泵使用變頻器，可使電機轉速變化沿凝結泵的加減速特性曲線變化，沒有應力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命，減少了機泵的啟動沖擊和機械摩擦、震動，改善了凝結泵的啟動特性，延長了電動機的使用壽命。

四、結論

凝結泵變頻調速改造節能效果明顯，改造非常成功。同時，采用變頻調速后，實現了電動機的軟啟動，電機的振動情況得到了改善，延長了電動機的壽命；凝結水泵調門全開，也減少了管道的振動與磨損，減少了維修量；隨著電機耗能的下降，電機發熱量也隨之減少，電機的溫升也在下降；變頻調速運行時，由于小流量時轉速低，降低了泵及系統的噪聲，改善了運行環境；同時，調節手段變得簡單、可靠，提高了自動裝置的投入率。以上改造方案為江蘇大唐國際呂四港發電有限責任公司創造了巨大的經濟效益，也帶來了社會效益，值得大力推廣應用。