9FA燃氣-蒸汽多軸聯合循環機組的凝結水泵變頻改造

柳超，王建偉，劉建剛

（神華浙江國華余姚燃氣發電有限責任公司，浙江余姚315400）

9FA燃氣-蒸汽多軸聯合循環機組的凝結水泵變頻改造

柳超，王建偉，劉建剛

（神華浙江國華余姚燃氣發電有限責任公司，浙江余姚315400）

介紹浙江某發電廠9FA燃氣-蒸汽多軸聯合循環機組凝結水泵的變頻改造設計方案，對改造前后凝結水泵實際運行參數進行對比，作出節能效果分析。

燃氣輪機；凝結水泵；變頻改造；節能

0 引言

隨著商業化運營的實施，發電廠的節能降耗日顯重要?；鹆Πl電廠的凝結水泵在設計時一般按照機組最大出力，往往在選型時留有足夠的裕量，但是隨著機組數量增多和機組負荷率下降，火電機組長期處于中低負荷運行，導致凝結水泵往往在實際運行中只帶了部分甚至很少負荷，偏離經濟運行工況，造成巨大的電能浪費。而對燃氣型的調峰機組而言，其上網電價與氣價均較高，節省廠用電將會帶來十分可觀的經濟效益。因此，某燃氣-蒸汽聯合循環電廠對其凝結水泵進行了高壓變頻改造，通過調節變頻調速裝置的輸出頻率改變電機的轉速，從而滿足負荷工況變化的需求，大大提高了運行效率，達到節能的目的，獲得了良好的經濟效益。

1 變頻器節能原理

異步感應電動機的轉速n與電源頻率f、轉差率s、電機極對數p等參數有如下關系：

由上式可以看出，改變電源頻率f可以達到改變電動機轉速n的目的。在異步感應電動機的設計制造完成后，雖然在帶負載運行過程中由于負載變化，滑差率會略有變化，但是由于凝結水泵對轉速精度要求不高，因此可以近似認為水泵轉速與其電機定子電源頻率成線性關系。

對于水泵，由流體動力學理論可以知道，流量與轉速的一次方成正比；扭矩與轉速二次方成正比；而泵的功率則與轉速的三次方成正比。因此通過降低水泵轉速可以降低水泵消耗的功率。

發電廠廠用電動機的負載都是隨著機組負荷的變化而不斷變化的，為了實現準確控制，一般采用控制閥門開度的方法，因此損失了大量電能。變頻器能根據電動機的負載特性，通過改變電動機電源頻率來改變水泵的轉速，以適應所需壓力、流量等參數的要求，避免了閥門開度造成的節流損失。當水泵轉速下降時，消耗的功率也大大下降，因此凝結水泵在穩定運行時，尤其是低負荷階段時的節電效果十分明顯。

2 凝結水泵變頻改造前狀況

某燃機發電廠一期工程裝機容量1×780 MW，選用美國GE公司生產的S209FA型“二拖一”燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，即由2套燃氣輪機分別帶2臺250 MW發電機和2臺余熱鍋爐；2臺余熱鍋爐產生的蒸汽供1臺280 MW凝汽式汽輪機組。整套機組既可采用1套燃機余熱鍋爐帶汽輪機的“一拖一”運行方式，也可采用2套燃機余熱鍋爐帶汽輪機的“二拖一”運行方式。

整套機組配備2臺按“二拖一”滿負荷780 MW運行工況設計的100%容量定速凝結水泵，以母管制方式向2臺余熱鍋爐供水，依靠余熱鍋爐低壓給水調節閥控制水量。正常運行時，凝結水泵1臺運行1臺備用。凝結水泵型號為9.5LDTN-4P，電機型號為YLKK560-4，每臺最大流量為1 035 t/h，電機額定容量1 250 kW，額定電流136.3 A，詳細參數見表1。每臺余熱鍋爐額定蒸發量為360 t/h。因機組無回熱抽汽系統，所以每臺余熱鍋爐的凝結水需要量和蒸發量基本相等；機組以“二拖一”方式運行時，額定負荷下的凝結水流量為750 t/h，相應的凝結水泵電流約為122 A，功率約1 200 kW；當機組以“一拖一”方式運行時，額定負荷下的凝結水流量為360 t/h，凝結水泵電流約100 A，功率約為900 kW。

表1 凝結水泵主要技術參數

由于機組主要用于調峰運行，設計年運行小時數為3 500 h。為了盡可能發揮機組的調峰作用，機組以“一拖一”方式運行的時間較長，“二拖一”方式運行小時數不足三分之一。因此凝結水泵長期處于40%以下負荷運行，能耗損失較大。

3 凝結水泵變頻改造實施方案

本著“最小改動、最大可靠性、最優經濟性”的改造原則，對凝結水泵增設1套DHVECTOLDI01600/06高壓變頻調速裝置，以實現0～50 Hz無級調速，功耗隨機組負荷變化而變化，提高設備利用率，達到最佳經濟運行模式的目的。改造原理如圖1所示。

圖1 凝結水泵變頻改造原理

圖1中，QF1和QF2為原用戶6 kV小車式斷路器，虛線框內及變頻器為新增設備。QS1和QS2為單刀單擲隔離開關，QS3和QS4為單刀雙擲隔離開關，為防止人員誤操作、保證同一時刻只有1臺凝結水泵處于變頻狀態，該裝置設有各種閉鎖，主要有：

（1）QS1與QS2互鎖，即QS1合上時，QS2合不上。

（2）QS3與QS4互鎖，即QS3投到b點時，QS4不能投到b點。

（3）QS1與QS3聯鎖，即QS1合上時，QS3才能投到b位置。

（4）QS2與QS4聯鎖，即QS2合上時，QS4才能投到b位置。

以電動機A為例，其操作順序為：

工頻切變頻操作過程：先斷開QF1，再合上隔離刀閘QS1，將隔離刀閘QS3投變頻位置，然后運行變頻器，變頻器充電完成后自動合上QF1，變頻器帶電機變頻運行。

變頻切工頻操作過程：先停止變頻器，變頻器頻率降低至0 Hz后自動斷開QF1；再將隔離刀閘QS3投工頻位置，再斷開隔離刀閘QS1，最后合上QF1，電機工頻運行。

檢修變頻器時，斷開QF1和QF2并搖開手車開關至試驗位置，再把QS3和QS4置于工頻位置，斷開QS1和QS2。

若凝結水泵A選擇變頻模式、凝結水泵B選擇工頻模式，首先選擇A泵變頻方式，變頻器發出變頻準備就緒信號后，DCS（分散控制系統）給變頻器發運行指令，變頻器開始充電。充電完成后，變頻器發出QF1合閘指令，QF1合閘后，A泵開始變頻運行。從給變頻器發運行指令開始，到變頻器開始運行一共需25 s。如果A泵或變頻器發生故障，立即分斷6 kV用戶開關QF1，變頻器停止輸出，B泵備投工頻運行。故障排除后，將A泵變頻啟動，正常后停B泵，A泵以變頻運行。如果變頻器收到停機指令，即從當前運行頻率開始降速，降到0 Hz后，變頻器發QF1分閘指令，QF1分斷；變頻器收到緊急停機指令后，立即發QF1分閘指令，QF1分斷，A泵停運。

當凝結水泵變頻運行后，調節凝結水流量的調節閥門可以完全打開，凝結水再循環系統關閉，并由變頻器或DCS控制凝結水泵的電動閥門，實現變頻水泵與電動閥門的聯動。聯動邏輯為：變頻水泵啟動前，凝結水泵出口電動閥全關；當DCS向變頻器發出啟動指令后，水泵轉速逐漸加快，泵出口水壓相應升高，當水壓大于閥外側管網水壓時，變頻器發出開閥指令，閥門打開；當閥門全開后向變頻器返回閥門全開信號，變頻器進入正常運行狀態，即可根據凝結水母管壓力自動調節凝結水泵轉速，正常運行時控制凝結水母管壓力在2.5 MPa，運行人員可輸入相應的偏置值進行調整，但偏置后的壓力控制在最高3.7 MPa、最低2.0 MPa。

同時，考慮到原凝結水泵的MM200A+綜合保護裝置是一體式的，能夠保護6 kV開關、電纜以及就地電動機繞組；變頻改造后，相當于在6 kV開關和電動機之間增加了1道斷口，原先的保護已不能滿足改造后的接線方式。因此，在變頻裝置的上、下游區段設置了獨立的保護裝置，將原MM200A+綜合保護裝置更換為南瑞RCS-9626CN型保護裝置，并在變頻小室內配置四方CSC-236B型保護裝置。

4 凝結水泵變頻改造后的節能效果

由于該廠機組主要用于電網調峰運行，全年三分之二以上運行時間處于“一拖一”運行狀態，同時考慮到機組“二拖一”運行時凝結水泵已接近額定工況運行，因此凝結水泵變頻改造后主要用于機組“一拖一”情況。通過就地抄表及PI（生產實時數據）系統取均值，在“一拖一”聯合循環運行時對凝結水泵變頻及工頻模式下相關數據的統計如表2所示。

表2 凝結水泵變頻與工頻模式相關數據

該廠6 kV廠用電電壓為6.3 kV，凝結水泵電機功率因數取0.85，根據表2，可以分別計算出凝結水泵在工頻與變頻模式下的耗電量：

工頻模式運行時，耗電量=1.732×6 300×102× 0.85≈939.5 kWh/h。

變頻模式運行時，耗電量=1.732×6 300×58× 0.85≈537.9 kWh/h。

由此可以看出，凝結水泵采取變頻運行后，每小時節電量為401.6 kWh。

2012年該廠機組不同運行方式的小時數統計如表3所示。

表3 2012年機組運行方式小時數統計

凝結水泵加裝高壓變頻器后，按該廠2012年全年“一拖一”滿負荷運行小時數4 260 h來計算，全年可節約廠用電量=（939.5－537.9）×4 260= 1 710 816 kWh，以當前發電煤耗232.3 g/kWh來計算，相當于全年可節約標煤量=1 704 582× 232.3=396 037 120 g＝396.04 t。

以當前該廠上網電價0.904元/度計算，則實施凝結水泵變頻改造后，相當于該廠全年至少可增收154.7萬元，僅需1年左右就能收回成本。因此，凝結水泵變頻改造的投入產出效能比是顯而易見的。

另一方面，凝結水泵加裝變頻器后還可實現軟啟動，啟泵時電流從零開始，隨著轉速增加而上升，基本沒有大的沖擊，停泵時電流逐漸降低至零，大大改善了凝結水泵的啟停性能。同時，變頻運行可以改善凝結水系統工作性能，在機組穩定運行尤其是低負荷期間，可以大大降低凝結水壓力，減少對凝結水管道系統的沖擊，避免發生因凝結水壓力過大而損壞凝結水管道法蘭，并有效解決了凝結水閥門和管道振動及噪音大的問題，延長設備使用壽命，減少設備故障率，降低檢修維護費用，大大提高發電企業的綜合經濟效益，保證機組安全穩定經濟運行。

5 結語

該廠凝結水泵實施變頻改造以來，運行穩定，各項指標參數不僅能滿足機組運行的正常需要，而且具有良好的節能效果，獲得可觀的經濟效益。通過變頻運行方式的優化，改善了設備性能，提高了發電企業綜合經濟效益，效果顯著。

[1]張樹國，李棟，胡競.變頻調速技術的原理及應用[J].節能技術，2009，27(1)∶83-86.

[2]張棕桐.變頻器應用與配套技術[M].北京：中國電力出版社，2008.

（本文編輯：徐晗）

Frequency Conversion Transformation of Condensate Pump in 9FA Gas and Steam Combined Cycle Units with Multiple Shafts

LIU Chao，WANG Jianwei，LIU Jiangang
（Shenhua Zhejiang Guohua Yuyao Gas Power Generation Co.，Ltd.，Yuyao Zhejiang 315400，China）

This paper introduces a design scheme for frequency conversion transformation of condensate pump in 9FA gas and steam combined cycle units with multiple shafts in a power plant of Zhejiang；it analyzes energy-saving effect by comparing the actual operation parameters of the condensate pump before and after transformation.

gas turbine；condensate pump；frequency conversion transformation；energy-saving

TK264.1+2

：B

：1007-1881（2014）06-0048-04

2013-11-27

柳超（1980-），男，湖北武漢人，工程師，從事發電廠燃氣輪機集控運行工作。