基于某600MW亞臨界機組凝結(jié)水泵的變頻改造分析

摘 要：文章從某電廠600MW亞臨界機組凝結(jié)水泵的運行情況入手，分析了對其進行變頻改造的必要性，在原有凝結(jié)水泵設(shè)備及運行方式的基礎(chǔ)上，對其進行了變頻設(shè)計和改造，同時闡述了改造后的運行方式及對除氧器水位調(diào)節(jié)的影響，達到了降耗節(jié)能的目的，值得參考。

關(guān)鍵詞：600MW亞臨界機組；凝結(jié)水泵；變頻改造；分析

在電力電子技術(shù)以及現(xiàn)代通信和高壓電氣技術(shù)快速發(fā)展的背景下，高壓變頻技術(shù)已經(jīng)成為確保電力企業(yè)變頻設(shè)備工作狀態(tài)穩(wěn)定，以及有效節(jié)能的主要途徑。文章根據(jù)某600MW亞臨界機組凝結(jié)水泵的自我特性結(jié)合其運行方式，合理地對其進行了優(yōu)化改造，實踐證明，這種變頻改造不但使機組的運行狀態(tài)更加穩(wěn)定，而且節(jié)能效果顯著，對提高電力企業(yè)的經(jīng)濟效益具有較強的實踐意義。

1 改造的必要性分析

從形式上看，伴隨電力體制的改革，電力行業(yè)已經(jīng)將傳統(tǒng)的經(jīng)營模式轉(zhuǎn)化成“廠網(wǎng)分開”的新的運營機制，這種模式的市場競爭性明顯，而要在此種形式下達到企業(yè)利潤最大化，關(guān)鍵問題便集中在機組運行成本的經(jīng)濟性是否明顯上；在當前我國低碳節(jié)能背景下，只有有效降耗節(jié)能、降低生產(chǎn)成本，才能讓電力企業(yè)走上可持續(xù)的快速發(fā)展道路。從這個意義上講，機組的改造已迫在眉睫。

2 設(shè)備概述及當前運行方式

該廠有2臺600MW機組，汽輪機為東方汽輪機廠生產(chǎn)制造的亞臨界中間一次再熱、單軸、雙背壓、三缸四排汽、沖動純凝汽式汽輪機，型號為：N600-16.67/538/538，機組采用復(fù)合變壓運行方式，汽輪機的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。單臺機組設(shè)計100%容量NLT500-570X4S立式筒型凝結(jié)水泵2臺，1臺運行，1臺備用，由上海凱士比泵有限公司制造。凝結(jié)水泵設(shè)計流量為1628m3/h，軸功率1724kW，轉(zhuǎn)速1490rpm，必須汽蝕余量為5.2m，級數(shù)為四級；配套電機由上海電機廠生產(chǎn)，型號為YLKS630-4，額定電壓6kV，功率因數(shù)為0.89，額定功率2000kW。系統(tǒng)采用傳統(tǒng)配置，即除氧器水位由水位調(diào)節(jié)閥控制，由于機組經(jīng)常參與調(diào)峰運行，滿負荷時間較短，除氧器水位調(diào)節(jié)閥開啟不足，由節(jié)流引起的凝結(jié)水壓力損失嚴重，凝結(jié)水泵偏離了經(jīng)濟區(qū)域運行，較大的影響了機組的經(jīng)濟性。根據(jù)同行業(yè)電廠的改造經(jīng)驗分析，若將水泵改為變頻調(diào)速控制，則泵和電機的結(jié)構(gòu)均無需改變，一臺機組只需增加一臺變頻器即可。如此，調(diào)節(jié)閥便可長時間處于大開度狀態(tài)，大大減少了節(jié)流損失，進而達到節(jié)能的目的。

3 凝泵變速運行節(jié)能的理論基礎(chǔ)

依照水泵的相似定律，即在相似（同時滿足幾何相似、運動相似與動力相似）點處，水泵轉(zhuǎn)速、流量、揚程和功率之間的關(guān)系如下：Q1/Q0=n1/n0；H1/H0=（n1/n0）2=（Q1/Q0）2；P1/P0=（n1/n0）3。其中，n0、Q0、H0、P0分別為水泵在額定工況下的轉(zhuǎn)速、流量、揚程和功率；式中的n1、Q1、H1、P1分別為水泵在n1轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速、流量、揚程和軸功率。由理論計算可知，改變較少的轉(zhuǎn)速，降低較大幅度的功率值，而流量、揚程下降幅度較少。在凝結(jié)水泵變頻改造中，我們可以根據(jù)實際情況在保證凝結(jié)水泵汽蝕安全、電機振動幅度安全、以及低負荷時出口壓力滿足系統(tǒng)要求的情況下，通過修改和降低母管壓力定值，達到節(jié)能降耗的目的。雖然變速運行時，凝泵效率曲線隨著轉(zhuǎn)速的改變也會發(fā)生相應(yīng)的變化，但通常情況下，當凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速大于50%額定轉(zhuǎn)速時，即可使其處于高效率運行狀態(tài)。

4 凝泵變頻裝置選型

變頻調(diào)速改造的前提是保證機組運行的穩(wěn)定性與可靠性，否則節(jié)能無從談起。因此，需要對變頻器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)、功率單元、冷卻系統(tǒng)及故障診斷等方面進行分析和對比；同時，由于發(fā)電廠的廠用母線因備用電源自動投入、大容量電機直接啟動等原因，電壓波動較大，因此要求變頻器能在較寬的電壓范圍內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定運行；此外還要求變頻器的輸入、輸出諧波必須控制在標準規(guī)定的范圍內(nèi)，不應(yīng)對廠用電系統(tǒng)的自身正常工作造成影響。基于以上考慮，經(jīng)過公開的技術(shù)及商務(wù)評標，最后中標產(chǎn)品為符合上述條件的某品牌變頻器。該變頻器拓撲結(jié)構(gòu)為功率單元串聯(lián)式多電平電壓源型，主要特點有：（1）對輸入電壓的要求不高，電壓波動范圍在65%～115%均滿足系統(tǒng)要求；（2）電源高次諧波含量低，采用串聯(lián)多重整流方式抑制輸入端高次諧波，無需配置諧波濾波器等裝置，完全滿足高次諧波的規(guī)定；（3）獨有的軟充電技術(shù)，減少了零部件數(shù)量，提高了可靠性和效率；（4）輸出電壓與電流波形接近正弦波，降低了對電機的沖擊；（5）采用壽命較長的薄膜電容來代替電解電容，降低了維護成本。

5 動力方案選擇以及改造后的凝泵運行方式

為了充分發(fā)揮變頻器的功效，該廠選用了手動一拖二方式，一次原理圖如圖1。

圖1

其中，QF1、QF2為用戶原有凝結(jié)水泵斷路器，QS1、QS2為單刀單擲隔離開關(guān)，QS3、QS4為單刀雙擲隔離開關(guān)。QS1、QS2互鎖，即QS1合上時，QS2合不上；QS3、QS4互鎖，即QS3投到b點時，QS4不能投到b點。QS1、QS3聯(lián)鎖，即QS1合上時，QS3才能投到b位置；QS2、QS4聯(lián)鎖，即QS2合上時，QS4才能投到b位置。切換時，初始狀態(tài)為QF1斷開，QS1閉合。QS3投到b位置，QS4投到a位置。此時電機A為變頻就緒狀態(tài)，電機B為工頻就緒狀態(tài)。變頻就緒時，合QF1，運行變頻器，此時電機A處于變頻運行狀態(tài)，電機B處于工頻備用狀態(tài)；需要切換至電機B變頻運行狀態(tài)時，先斷開高壓開關(guān)QF1，再斷開QS1，將QS3投到a位置，此時電機A處于工頻備用狀態(tài)。斷開高壓開關(guān)QF2，再合上QS2、將QS4投到b位置，合高壓開關(guān)QF2，此時電機B處于變頻運行狀態(tài)。電機A處于工頻備用狀態(tài)。此外，在檢修變頻器時，QS3（QS4）倒到a位置，斷QS1（QS2）。

變頻改造前，當凝結(jié)水泵備用投入后，兩臺泵工頻互為備用，但不能并列運行。改造后，兩臺泵變頻方式不作為備用，備用泵始終為工頻方式；從工頻到變頻切換時，只能手動進行切換；變頻和工頻可以并列運行。凝泵變頻器不接受聯(lián)鎖啟動指令，在參與除氧器水位控制時，初始指令為控制回路預(yù)置的10%指令。在原除氧器水位調(diào)閥切除自動條件出現(xiàn)、變頻器重故障或變頻器停止時，自動切除變頻調(diào)節(jié)自動。

6 凝泵變頻器與除氧器水位調(diào)節(jié)閥切換過程

除氧器水位調(diào)節(jié)閥設(shè)有主路調(diào)門和輔路調(diào)門，并聯(lián)安裝在軸封冷卻器出口與8號低壓加熱器進口管道之間；該廠凝結(jié)水額定流量為1628t/h，輔路調(diào)門設(shè)計流量最大為480t/h（約30%BMCR），主路調(diào)門設(shè)計流量為1540t/h。具體過程如下。

變頻器運行時，運行人員將水位調(diào)節(jié)門手動調(diào)至最大開度后，同時投入“除氧器水位調(diào)閥控制”自動（主路調(diào)門或輔路調(diào)門任意一個投入）和“除氧器水位變頻控制”自動，此時“除氧器水位調(diào)閥控制”將自動切換到慢速模式，調(diào)閥根據(jù)除氧器水位緩慢動作或者不動，除氧器水位主要通過凝泵變頻來調(diào)節(jié)。

變頻器故障時，可自動切除“除氧器水位變頻控制”自動，此時工頻泵聯(lián)鎖啟動，若“除氧器水位調(diào)節(jié)門控制”在自動方式，調(diào)節(jié)門控制將自動切換到快速調(diào)節(jié)模式，除氧器水位主要通過調(diào)節(jié)閥開度變化來調(diào)節(jié)。此外，運行人員也可以將“除氧器水位調(diào)節(jié)門控制”置手動，自己確定調(diào)節(jié)閥開度，待除氧器水位穩(wěn)定后再投入自動。

工頻泵切換到變頻泵時，在變頻啟動條件具備后，切除凝結(jié)水泵備用投入，手動啟動變頻器，變頻器接受10%預(yù)置指令啟動。當變頻器啟動正常后，運行人員通過手動調(diào)節(jié)變頻器使該凝泵出口壓力接近運行泵出口壓力（2-3.2MPa），確認出力后采用中停方式逐步關(guān)閉工頻泵出口電動門，手動加大變頻出力--此過程中除氧器水位調(diào)閥可以投入自動，待出力穩(wěn)定后停止工頻泵運行，然后將“除氧器水位調(diào)閥控制”切為手動，視除氧器水位情況投入變頻調(diào)節(jié)自動，待水位穩(wěn)定后，逐步將調(diào)閥手動開到最大開度再投入自動。當凝結(jié)水流量大于30%BMR時，除氧器水位控制三沖量（總給水流量為前饋、凝結(jié)水流量為反饋，除氧器水位為被調(diào)量）調(diào)節(jié)回路起作用。在三沖量切換之前，變頻方式下，運行人員可以選擇變頻控制手動或自動，調(diào)節(jié)閥手動；工頻方式下，調(diào)節(jié)控制和改造前一致。機組啟動低流量過程中，將除氧器水位調(diào)閥投自動以控制除氧器水位，變頻器由運行人員手動控制以保證減溫水等壓力。變頻器運行頻率下限在調(diào)試中根據(jù)凝泵運行工況（振動等）確定。

7 變頻改造后的節(jié)能效果分析

目前該廠凝泵變頻改造已完成并投入運行，從一年多的運行情況來看，凝泵加裝變頻裝置是十分成功的，變頻裝置工作穩(wěn)定，節(jié)能效果非常明顯，完全達到了預(yù)期目的。

圖2為1號機組凝結(jié)水泵變頻改造后的有功功率耗差圖。從圖中可明顯看出凝泵改造前后在每個有功功率處功耗的差異，其最大功耗差達到940kw，可見改造后的節(jié)能效果是明顯的。

變頻改造后，凝結(jié)水泵的各發(fā)電負荷段近似節(jié)能表如下。

根據(jù)上述改造后的有功功率功耗差以及各發(fā)電負荷段的節(jié)能值，可計算其具體節(jié)能情況。以某年全年的電能情況計算，改造后的節(jié)約電量，即各負荷段的運行小時數(shù)×相應(yīng)時間段的節(jié)能負荷的數(shù)值，具體為： 900×2522+860×570+701×595+414×1033+374×744+25×383=389.2588萬KWh；同時在此基礎(chǔ)上，以該年1號機組凝結(jié)水泵耗電量為1091.03萬KWh計算，可得出凝結(jié)水泵改造后的節(jié)電量達到了35.66%，除去相應(yīng)的統(tǒng)計誤差，改造后的節(jié)電量可達到30%，節(jié)省費用達一百多萬元，預(yù)計正常運行一年半即可收回投資。

8 改造中的建議

在該廠的改造調(diào)試過程中，我們還總結(jié)出如下幾點以供參考：（1） 電力電子器件對溫度和環(huán)境比較敏感，應(yīng)考慮做好變頻器的防塵以及散熱措施，并加強變頻器裝置及其輔助系統(tǒng)的維護工作，確保不發(fā)生因變頻系統(tǒng)故障而發(fā)生的異常和安全事故； （2） 在變頻器使用中，要認真做好事故預(yù)想和技術(shù)措施， 熟練掌握變頻方式下各種事故的處理方法，減少事故擴大的可能。特別是機組在突遇甩負荷時尤其在低負荷發(fā)生凝結(jié)水泵變頻器故障跳閘，在備用工頻凝結(jié)水泵自動啟動或手動啟動運行后，要及時關(guān)小除氧器水位調(diào)節(jié)閥，以防止發(fā)生除氧器滿水事故。 （3） 由于凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)子細長，調(diào)試中要注意尋找變頻器的工作頻率與泵體的固有頻率之間的共振區(qū)，在控制策略上加以避開。（4）在實際運行中，繼續(xù)探索變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)各種參數(shù)的合理性和準確性，利用實際運行進一步調(diào)整各參數(shù)到最合適范圍，提高節(jié)能效果和安全系數(shù).

9 總結(jié)

機組凝結(jié)水泵的變頻改造是提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，適應(yīng)我國低碳節(jié)能發(fā)展趨勢的重要途徑。本文對傳統(tǒng)的凝結(jié)水泵進行了變頻改造，在實施過程中對容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)作了充分考慮；從改造后的實際效果來看，泵體振動幅度在安全范圍內(nèi)，變頻器控制穩(wěn)定，除氧器水位調(diào)節(jié)平穩(wěn)，低負荷時凝泵出口母管壓力滿足系統(tǒng)要求；此改造降低了凝泵的能耗，大大減少了閥門節(jié)流造成的損失，降低了調(diào)節(jié)閥動作頻率，提高了調(diào)節(jié)閥的可控性和調(diào)節(jié)品質(zhì)，為機組的安全經(jīng)濟運行提供了有力的保障，值得在火力發(fā)電廠中大力推廣應(yīng)用。

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