600 MW機組凝結水泵變頻控制策略及節能分析

摘 要：本文介紹了600 MW機組凝結水泵用變頻器調節除氧器水位的策略以及介紹了變頻器應用在凝潔水泵上的節能原理及高壓、大功率變頻器在電廠凝潔水泵上的應用，節能效果明顯。

關鍵詞：凝結水泵 高壓變頻器 控制策略 節能

中圖分類號：TM621.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（b）-0108-02

1 系統概述

茂名熱電廠600 MW機組汽輪機為東方汽輪機廠引進日立技術生產制造的超臨界壓力、一次中間再熱、沖動式、單軸、三缸四排汽、雙背壓、抽汽凝汽式汽輪機，其凝結水系統將汽輪機低壓缸的排汽經凝汽器凝結在熱水井中的凝結水輸送至除氧器，供鍋爐給水用水，同時還向低旁、輔汽、軸封供汽等減溫器提供減溫水。配套凝結水系統設兩臺100%容量的凝結水泵，兩臺凝泵電機共用一套變頻裝置采用“一拖二”變頻方案，即利用一套變頻裝置通過切換可分別拖動任意一臺凝結水泵電機變頻運行，通過切換刀閘把變頻器切換到要運行的凝結水泵上。變頻器可以拖動#1凝結水泵電機實現變頻運行，也可以通過切換拖動#2凝結水泵電機實現變頻運行。2臺凝結水泵電機均具備工頻備用功能，正常運行情況下一臺變頻運行另外一臺工頻備用。每一臺凝結水泵都能滿足40%額定轉速以上工況的變頻調節運行。可實現任意一臺電機的變頻運行、另一臺工頻備用，當變頻器發生故障時，系統可聯鎖另一臺工頻電機運行。

同時凝結水系統中設置四臺低壓加熱器、一臺軸封冷卻器、一臺除氧器，#5、#6低壓加熱器，精處理裝置均設有各自的凝結水旁路。#7、#8低壓加熱器設有公用的凝結水旁路。軸封冷卻器出口設有25%額定流量的凝結水再循環管至凝汽器。#7、#8低壓加熱器入口管道上設有主、副調整閥（副調整閥容量是主調閥的25%），用以調整除氧器水位。（如圖1）

2 除氧器水位調節策略的比較

2.1 傳統的除氧器水位控制（凝結水泵工頻運行策略）

在沒有使用變頻器之前，傳統凝結水系統運行，是凝結水泵工頻運行，運行中除氧器水位控制采用主、副調整閥，用以調整除氧器水位，機組在滿負荷情況下，凝結泵出口除氧器上水Msv0U/p6gd3Ujhhs/RHY0w==調節閥開度在35%～85%之間，閥門一直處在節流狀態下工作，特別是在較低負荷或機組參與調峰時，閥門開度更小，令凝結水泵節流損耗更大，凝泵效率也迅速降低，能耗增大；再者凝結水系統采用閥門調節時，精度差，除氧器水位波動大；閥門長期處于較高壓差下運行，金屬磨損較大，同時閥門門芯頻繁操作易導致閥門可靠性下降，影響了機組的穩定運行。正常運行時，2臺凝結水泵l臺運行1臺備用，在聯鎖開關投入的情況下，若運行泵跳閘，備用泵必須馬上啟動，凝結水母管壓力低的情況下，備用泵也要啟動。當凝結水流量小于一定值時，邏輯強制打開凝結水再循環流量調節門，流量繼續降低就聯開凝結水再循環流量電動門，防止管道受阻時對泵體的損害。

2.2 采用凝結水泵變頻運行下的除氧器水位控制

除氧器水位調節在高負荷時除氧器水位主調節閥和低負荷時除氧器水位副調節門2套自動的基礎上，增加了1套變頻自動調節，替代以往通過改變管徑來調整流量的方式，減少節流損失，達到節能效果。除氧器水位調節邏輯回路中增加1個切換開關。使除氧器水位調節可在變頻調水位與壓力調水位之間切換。當機組負荷<200 M

W時，凝結水泵變頻運行，當投入變頻器自動時凝結變頻運行，當投入變頻器自動時凝結水泵控制凝結水壓力，原除氧器水位調節閥控制除氧器水位。當機組負荷≥200 MW時，凝結水泵變頻運行，當投入變頻器自動時凝結水泵控制除氧器水位，原除氧器主水位調節閥控制凝結水壓力。

除氧器水位控制策略還滿足以下要求。

（1）維持最低凝結水母管壓力。考慮低旁減溫水的最低壓力要求，在低于350 MW負荷時，凝結水壓力設為2.3 MPa。變頻運行、備泵聯動自啟的壓力定值2.0 MPa。凝泵變頻調節水位后，350 MW以上穩定工況下凝泵出口母管壓力約為1.8 MPa。因此原變頻運行、備泵聯動自啟的壓力定值1.4 MPa。

（2）正常情況下運行泵變頻泵與備用泵的切換，首先，運行中的變頻泵逐步提升頻率至工頻，相應的，除氧器水位通過除氧器水位調節閥進行水位控制，選擇“變頻切工頻”，通過切換刀閘把變頻器切換到要運行的備用凝結水泵上，然后通過變頻啟動備用泵，調節頻率至所需后，停下原運行泵。

（3）當凝結水泵在變頻運行方式時而另一臺凝泵工頻啟動或是變頻器故障跳閘時，控制系統將除氧器水位調閥切為手動方式運行，并根據當前的機組負荷計算出當前的除氧器水位調閥的開度將除氧器水位調閥強制為該開度（時間為2 s），然后由運行人員手動進行調節，當系統穩定后按凝結水泵在工頻運行方式邏輯執行。

3 凝結水泵變頻運行節能分析

變頻調速是通過改變輸入到交流電機的電源頻率，從而達到調節交流電動機轉速的目的。根據電機學原理，交流異步電動機轉速由下式確定：

n=60f（1-S）/p （1）

式中：n為電動機轉速；

f為輸入電源頻率；

S為電動機轉差率；

p為電機極對數。

由公式（1）可知，電動機的輸出轉速與輸入的電源頻率、轉差率、電機的極對數有關。

交流電動機的直接調速方式主要有：（1）變極調速（調整p）；（2）轉子串電阻調速或串級調速或內反饋電機（調整S）；（3）變頻調速（調整f） 。

根據流體力學的基本定律可知：水泵類設備屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q、揚程H以及軸功率P具有如下關系：

Q1/Q2=n1/n2 （2）

H1/H2=（n1/n2）2 （3）

P1/P2=（n1/n2）3 （4）

式中：Q1、H1、P1為水泵在n1轉速時的流量、壓力（或揚程）、軸功率；

Q2、H2、P2為水泵在n2轉速時的相似工況條件下的流量、壓力（或揚程）、軸功率。

由公式（1）、（2）、（3）可知，水泵的流量與其轉速成正比，壓力（或揚程）與其轉速的平方成正比，軸功率與其轉速的立方成正比。當水泵轉速降低后，其軸功率隨轉速的三次方降低，驅動水泵的電機所需的電功率亦可相應降低。

從上述分析可見，調速是水泵節能的重要途徑。采用變頻調速可以實現對水泵電機轉速的線性調節，通過改變電動機轉速使除氧器水位、凝結水壓力和流量維持一定的關系。

通過電科院對本廠機組調試的性能試驗所得數據與工頻方式運行數據統計如表1。

4 系統安全性

（1）采用變頻調水位后，操作人員無需根據負荷情況，手動輸入凝結水壓力指令。減少了疏忽遺漏或誤操作的可能，在負荷變動過程中全程實現除氧器水位的自動調整。

（2）凝結水泵改變頻調水位方式后，凝結水母管壓力降低，對泵及管路的沖刷力度減弱，減少了維護成本，提高了泵的使用壽命。

（3）凝結水泵改變頻后，啟動方式由以前的全電壓啟動改為變頻啟動，對于電機而言，全電壓啟動意味著電機要突然承受大的啟動力矩，電機直接啟動時的最大癖動電流約為額定電流的4～7倍；電機軟啟動也要達到2.5倍。對電機的損壞力很大。而改為變頻啟動，觀察變頻器起動的負荷曲線，可以發現它啟動時基本沒有沖擊，電流從零開始，僅是隨著轉速增加而上升，還管怎樣都不會超過額定電流。因此凝泵變頻支解決了電機啟動時的大電流沖擊問題目，消除了大啟動電流對電機、傳動系統和主機的沖擊應力，大降低日常的維護保養費用。且電機是平滑地過渡到要求的轉速，啟動力矩小，對電機的損壞力減小，從而延長電機的使用壽命。

（4）延長設備壽命：使用變頻器可使電機轉速變化沿凝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。

（5）降低噪音：凝結水泵改用變頻器后，降低水泵轉速運行的同時，噪音將大幅度地降低。

5 結論

茂名熱電廠#7機組自從凝結水泵變頻投入運行以來，變頻器運行穩定，除氧器水位自動調節品質良好，節能效果明顯，并實現了電機的軟啟動，延長電動機的壽命，同時由于不需要反復的開關閥門，減少了閥門的磨損。綜上優點高壓變頻器值得大力推薦和應用。