循環軟啟動變頻調速在300 MW汽輪機組給水泵上的應用

崔寅

摘 要：分析了循環軟啟動變頻調速在300 MW汽輪機組給水泵上的具體應用，重點介紹了一拖三循環軟啟動變頻調速系統結構下實現給水泵電機軟啟動和變頻調速的運行方式。通過對比，總結了采用變頻器進行給水泵電機控制在經濟性和穩定性等方面的優勢，以期促進該技術的應用和推廣。

關鍵詞：汽輪機；給水泵；鍋爐；熱電廠

中圖分類號：TM311 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.129

近年來，新建設的城市供熱機組多采用額定容量為300 MW的抽氣式汽輪機組，300 MW的抽氣式汽輪機組的主給水泵系統通常為3臺50%額定容量的電動給水泵或2臺30%額定容量的氣動給水泵+1臺50%容量的電動給水泵。在我國已經投入運行的熱電廠中，采用的給水系統調節方式和給水泵電機調速方式不盡相同。作為熱電廠重要的輔助設備和耗能設備，必須保證給水泵運行的穩定性和經濟性，以淘汰高耗能設備，并引入新技術、低能耗節能型設備。在新建熱電廠和舊熱電廠改造過程中，應大力推廣循環軟啟動變頻調速方案，采取300 MW汽輪機組給水泵調節替代小汽輪機調節和液力偶合器調節。

1 主給水系統的調節方式

鍋爐主給水系統的主要功能是為鍋爐汽包輸送壓力、溫度和水質合格的水，并維持鍋爐汽包水位處于規定范圍內。主給水系統擔負著保障鍋爐供水質量和維護鍋爐安全運行的任務，是重要的熱工系統之一。通常情況下，主給水系統的電動給水泵分為定速給水泵和變頻調速給水泵兩種。

1.1 定速給水泵調節系統

定速給水泵調節系統是在保持給水泵特性曲線固定的情況下，通過改變主給水調節閥門開度來控制主給水管道阻力特性曲線，從而改變主給水泵的工作點。處于定速運行的給水泵電機運行過程中的能耗損失大，應淘汰該技術。

1.2 變速給水泵調節系統

變速給水泵調節系統可在主給水調節閥門全開、管道阻力特性曲線固定的條件下，通過改變電動機供電頻率調節電動機轉速，從而調節供水流量。變速調節系統可按照原動機不同分為氣動和電動兩種。其中，氣動給水泵的原動機為小汽輪機，小汽輪機控制系統可接收到供水系統輸出的供水流量、壓力和水位等信號，并作用于小汽輪機的進氣閥門，根據系統的供水需求調節小汽輪機閥門開度，進而控制進氣量，最終實現對給水泵轉速的調節。

電動給水泵可根據速度調節單元的不同分為液力耦合器調速和變頻調速兩種。其中，液力耦合器的能量傳輸介質為油，驅動泵輪與渦輪之間通過油進行轉速傳遞，液力耦合器主要通過改變機構充油量來調節渦輪轉速；相比其他技術，變頻調速更加先進，其原理是改變電動機供電電源的電壓值和頻率值，從而調節異步電動機的轉速，變頻調速系統在接收到給水系統的調節信號后，可通過調整電源電壓和頻率值來滿足系統對電動機轉速的要求。

2 300 MW汽輪機組給水泵的變頻調速方案

液力偶合器調速與變頻調速的最大區別在于系統結構，使用液力偶合器調速必須采用單臺液力偶合器調節單臺給水泵；當使用變頻器調速時，使用1臺變頻器便可實現對2臺100%額定容量的給水泵或3臺50%額定容量的給水泵的變頻調速和軟啟動功能，且系統結構更加簡化。

2.1 一拖三循環軟啟動變頻調速方案

300 MW汽輪機組通常需要配置3臺50%額定容量的電動給水泵，并采用兩用一備的設備運行方式。3臺電動給水泵的軟啟動和變頻調速均通過1臺變頻器實現，即一拖三循環軟啟動變頻調速系統。采用一拖三的方式，僅使用1臺變頻器即可控制3臺電動給水泵，提高了變頻器的利用效率，同時，實現了給水泵電機的軟啟動和變頻調速。采用一拖三的方式運行時，當鍋爐機組滑啟或機組負荷降至額定負荷的50%以下時，只需要投入1臺給水泵并采用變頻調速的方式運行；當鍋爐機組負荷達到額定負荷的50%以上時，需要投入2臺給水泵，其中一臺為工頻運行方式，且所帶的固定流量由鍋爐機組的汽包壓力、汽包水位到給水泵水柱高度和管道阻力共同決定，另外一臺選擇變頻運行方式，主要負責調解給水流量，從而控制鍋爐水位。

2.2 工頻、變頻的同步切換

實現1臺變頻器控制3臺供水泵軟啟動和變頻調速的關鍵技術是工頻、變頻的同步切換。只有在同步切換的前提下，才能確保鍋爐機組運行過程中供水的連續性。處于變頻調速工作狀態的供水泵在向工頻運行狀態切換的過程中不能出現瞬間失電，在實現切換的過程中不能先斷開變頻開關，再合上工頻開關。運行中的1#給水泵和1#給水泵工頻電源可并列運行，在完成工頻電源合閘后再進行變頻電源分閘。在此過程中，給水泵實現了從變頻運行狀態到工頻運行狀態的不停電切換。此外，實現同步切換必須使用PLC控制器和同步切換系統。其中，同步切換系統的主要功能是實現運行中的變頻調速系統與工頻電源系統的自動準同期操作，并使兩個系統的電壓幅值相等、相序相同、頻率差不超過0.5 Hz。同步切換軟件檢測到兩個系統的相位差小于額定值后會發出控制指令，控制對應節點閉合，從而進行合閘操作，并檢測采集到的運行狀態。當判斷工頻電源合閘成功后切除變頻電源，最終實現兩個電源的平穩切換。

2.3 一定一并并列運行原理

通過1臺定頻運行給水泵與1臺變頻調速運行給水泵的并列運行保持給水揚程是可行的。300 MW汽輪機組給水泵的調節主要是在保持汽包壓力一定，同時，保持在主給水調節門全開的條件下對給水泵進行速度調節，從而控制給水泵的給水量，實現對鍋爐汽包水位的控制。當鍋爐處于啟動過程和機組負荷降至額定負荷的50%以下時，只需投入1臺給水泵變頻運行即可滿足供水要求；當鍋爐機組負荷達到額定負荷的50%以上時，單臺給水泵無法滿足供水要求，需要再啟動1臺給水泵——原先變頻運行的給水泵需要切換到工頻狀態，維持固定給水流量和揚程；新啟動的給水泵通過變頻器軟啟動并投入到變頻運行狀態，繼續調節流量，從而調節鍋爐水位。

相關工作人員需要按照以下原則考慮運行中的2臺供水泵：①工頻運行的給水泵應在最佳工作點保持固定的給水量，工頻定速運行的給水泵特性曲線和揚程曲線的交點即工頻給水泵運行的最佳工作點，此點對應著工頻給水泵的流量值；②變頻給水泵需要根據工作點調節流量，同理，通過變頻調速給水泵的特性曲線和運行揚程曲線的交點可確定變頻調速給水泵的工作點，此點對應著變頻給水泵的流量值。2臺給水泵流量值之和即鍋爐給水總流量。

2.4 一拖三循環軟啟動變頻調速水泵的特點

使用變頻器實現電動給水泵的軟啟動和變頻調試具有諸多優點，主要包括以下6方面：①給水泵電機實現了變頻啟動，大大降低了電機的啟動電流，縮短了電機從啟動到穩定運行的時間，減小了電機啟動對配電網設備的沖擊；②運行中的給水泵電機可實現無極調速，調速精度可控制在0.01 Hz以內，調速過程中不會發生丟轉現象；③采用變頻器后電機的運行效率可以達到98%，同時，提高了電動機運行的功率因數，降低了損耗，節約了電能；④變頻器具有通訊接口，可通過工業網絡接入DCS系統，實現供水泵電機的啟停、閉鎖、聯鎖、開閉環、手自動選擇等自控功能；⑤變頻器自身配置的保護功能完善，能自動檢測過電流、過電壓、欠電壓、單相接地、過載、電機溫度高、冷卻風機故障停機等故障信號，從而起到保護電機的作用；⑥變頻器的使用壽命長，投入運行后發生故障的概率較低，后期基本不需要進行額外的檢修和維護工作。

3 結束語

變頻調速作為技術成熟的先進電機調速技術，在工業生產中得到了非常廣泛的應用，使用變頻器實現大電機的軟啟動和變頻調速能提高電機運行的可靠性、穩定性和經濟性。目前，火力發電廠使用的大電機基本都采用了變頻調速系統，特別是選擇變頻器實現了鍋爐主供水泵電機的一拖三運行后，大大提高了鍋爐給水泵的運行效率，此方案是鍋爐供水的最佳選擇。

筆者結合實際工作經驗，介紹了汽輪機鍋爐變頻調速系統的結構和調速方式，以期推動熱電廠鍋爐給水系統節能運行的發展，降低熱電廠的生產能耗，為企業贏得更大的經濟效益和社會效益。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕