電廠凝結水泵高壓變頻器供電節能改造分析

昌進國，楊立慶，王澤川

（南海發電一廠有限公司，廣東 佛山 528211）

電廠凝結水泵高壓變頻器供電節能改造分析

昌進國，楊立慶，王澤川

（南海發電一廠有限公司，廣東 佛山 528211）

分析了電廠凝結水泵工頻運行存在能耗高、效率低，對電網和機電系統沖擊大等缺點，指出了變頻改造的必要性；介紹了凝泵變頻改造的方案及控制策略；闡述了變頻運行軟啟動的優點；計算了改造后的節能效果，改造后節能效果顯著。

凝結水泵；高壓變頻器；變頻調速；軟啟動；節能

0　引言

根據DL/T5000—2000《火力發電廠設計技術規程》規定，某電廠2臺330 MW汽輪發電機組凝結水泵（以下簡稱凝泵）設計容量為機組額定負荷時凝結水量再加10 %的裕量作為選泵要求，同時，輸送管道的通流量也相應增大，與凝泵相匹配。為了保證發電生產的安全性和可靠性，允許凝結水泵短時適當超額定流量運行來處理突發故障。因此，電廠系統配置的凝泵容量與揚程均有較大的裕量，機組在正常運行時除氧器水位調節閥不需開足，此時有較大的節流損失；而且工頻運行水泵大部分時間偏離設計的高效運行區域，一定程度上影響了機組的經濟性。

為了降低機組的能耗，經過多方論證及技術經濟比較，決定采用高壓變頻器技術，通過改變水泵電機驅動電源頻率，實現凝泵無級變速，使得凝結水的流量與壓力適應機組負荷的變化，并減少調節閥門的節流損失。

理論上而言，泵的功耗與轉速3次方成正比，因而采用變頻調速技術節能效果將非常顯著。另外，采用變頻調速之后，依靠泵轉速調節凝結水流量來調整除氧器的水位，比采用普通閥門調節線性度更好，易取得更好的調節品質。目前，高壓大功率變頻調速系統（以下簡稱INVERT）技術，由于具有明顯的節能效果，已成為我國電力系統重點推廣的節能技術之一。

1　變頻調速節能原理

由電機學可知，電機的轉速n與電源頻率f成正比，與電機磁極對數p成反比，見式（1）。電機出廠p，s（電機轉差率）已確定不變，故可改變f調節電機轉速。

由離心水泵的工作原理可知，使用感應電動機驅動的水泵負載，軸功率P與流量Q、揚程H的關系為：

式中：P，kW；H，m；Q，m3/h；η為效率。由于Q與轉速n成正比，H與轉速n的平方成正比，P與轉速n的立方成正比。因此當電動機的轉速由n1變化到n2時，Q，H，P與轉速的關系如下：

根據流量Q、軸功率P與轉速n的關系可知，當需要80 %的額定流量時，通過調節電動機的轉速至額定轉速的80 %，即調節頻率到40 Hz即可，這時所需功率將僅為原來的51.2 %。

下面從水泵的運行特性曲線（見圖1）來進一步分析采用變頻調速后的節能效果。

圖1　水泵運行特性曲線

當所需流量從Q1減小到Q2時，如果水泵電機工頻運行并采用閥門調節的辦法，管網阻力將會增加，管網特性曲線上移，系統的運行工況點從A點變到新的運行工況點B點，所需軸功率P2與圖中H2×Q2的面積成正比。如果采用調節轉速控制方式，水泵轉速由n1下降到n2，其管網特性并不發生改變，但水泵的特性曲線將下移，因此其運行工況點由A點移至C點，此時所需軸功率P3與圖中HC×Q2的面積成正比。從理論上分析，所節約的軸功率P與（H2-HC）×Q2的面積成正比。考慮減速后效率下降和附加損耗，經實際運行統計，水泵通過變頻調速控制可節能20 %-50 %。

2　凝泵變頻改造

2.1設備及運行參數

水泵：型號為B640-6；揚程為335.3 m；流量為832.4 m3/h。

電機：型號為YKKL1500-4TH；功率為1 120 kW；電壓為6 kV；電流為128.9 A；功率因數為0.85；轉速為1 480 r/m in。

各工況下凝泵工頻運行的電流、功率如下：

（1） 發電200 MW，凝泵電機電流94 A， P=1.732×94×6×0.85≈830 kW；

（2）發電250 MW，凝泵電機電流97 A，P=1.732×97×6×0.85≈857 kW；

（3）發電300 MW，凝泵電機電流112 A，P=1.732×112×6×0.85≈989 kW；

（4）發電330 MW，凝泵電機電流115 A，P=1.732×115×6×0.85≈1 016 kW；

以年運行時間比例20 %，50 %，20 %，10 %計算，工頻年平均功率：P=830×20 %+857×50 % +989×20 %+1 016×10 %≈894 kW。

2.2變頻改造供電方式

該廠2臺330 MW汽輪發電機組，每臺機組配2臺凝泵，正常運行時凝泵1臺工作1臺備用。改造方案為：1臺機組配1臺變頻器，2臺凝泵可分別切至變頻器運行，但只能1臺凝泵變頻運行，另1臺凝泵工頻備用或運行。這樣配置可節省1臺高壓變頻器的高額改造投資及維護費用，而滿足機組運行要求。其電氣一次接線如圖2所示。

2.3變頻改造電氣控制

（1） 無論變頻或工頻運行方式下，仍通過6 kV高壓電源開關啟停凝泵。

（2） 運行閉鎖方式：只允許單臺變頻器供單臺泵運行方式，即只允許投1D泵1K，3K刀閘或2D泵2K，4K刀閘；只允許單臺泵變頻或工頻運行方式，即只允許投1D泵3K與或5K刀閘，2D 泵4K或6K刀閘。

（3） 正常變頻方式：6 kV A段（B段）段電源經1K（2K）刀閘輸入至變頻器，輸出經3K（4K）刀閘供1D（2D）泵。

（4） 旁路工頻方式：6 kV A段（B段）電源經5K（6K）切至旁路工頻供1D（2D）泵。

（5） 備用聯鎖方式：當工作變頻泵1D（2D）事故跳閘時聯鎖自動合2D（1D）工頻備用泵2DL（1DL）高壓開關。只設變頻至工頻正向聯鎖，而不設反向聯鎖。

圖2　機組高壓凝結水泵電機變頻供電接線

（6） 切換試驗方式：先將備用泵投工頻運行，再將工作變頻泵切至工頻運行，再次將備用泵由工頻切至變頻運行，最后停原工作變頻（現工頻）泵。這樣，倒換泵時增加了啟停次數，可考慮適當延長定期切換試驗周期。

（7） 變頻器選用脈沖法控制方式，只需外部中間繼電器短時動作來控制變頻器啟停，消除了常規兩線法中間繼電器需長期帶電存在易誤跳閘的安全隱患，提高了運行可靠性。

2.4變頻改造DCS控制

2.4.1工頻運行

當凝泵在工頻方式下運行時，控制邏輯在保持原有除氧器上水調節閥控制除氧器水位的基礎上，增加至三沖量（即除氧器流量、水位和凝結水母管壓力）調節方式。在1臺泵變頻運行時聯啟另1臺工頻泵，為保證水位不至于波動太大，啟動1個控制邏輯快速關小上水調節閥開度，對應當時機組負荷的凝結水流量。當存在2臺泵并列運行時，至少1臺泵工頻運行，此時泵出口壓力大，應投除氧器上水調節閥控制除氧器水位方式。

2.4.2變頻運行

實際上，凝結水流量與壓力在流動過程中是相互耦合關聯的，可以通過壓力來間接控制流量，也可以通過流量來間接控制壓力。當調節閥開度不變時，改變泵轉速可以同時改變泵的出口流量和壓力。反之，泵轉速不變時，調節閥門開度變化也可以改變管路的壓力和流量。

當機組負荷小于110 MW時，由變頻泵的轉速控制凝結水母管壓力（新增），除氧器上水調節閥控制除氧器水位（原有）。當機組負荷大于或等于110 MW時，由變頻泵的轉速控制除氧器水位（新增），除氧器上水調節閥控制凝結水母管壓力（新增），并且這些控制方式能在2種負荷下實現自動無擾切換。

2.4.3凝結水壓力制定

凝泵變頻改造之后，要達到節能效果，必然會降低凝結水壓力運行。而正常運行時，凝結水除了主要供除氧器用水外，還要供機爐等其他系統設備用水。因此，變頻改造后，凝結水壓力要根據各個廠自身設備安全運行的最低需要來制定。凝結水壓力的制定原則為：滿足機組最大負荷時，凝結水壓力高于除氧器壓力與除氧器與凝泵之間的高度差所產生的壓力和，以及其他設備對凝結水最低壓力的要求。

2.5變頻系統的散熱

INVERT成套系統整體結構上由高壓刀閘柜、隔離變壓器、功率單元柜與控制柜組成。由于使用了隔離變壓器及大功率高頻開關元件，其發熱量較大。變頻滿負荷工作時，系統效率約97 %，其他約3 %的功率以發熱形式消耗。同時運行環境的溫度也會影響系統運行的穩定性及功率元件的使用壽命。因此，為了使變頻器能長期穩定可靠地運行，對變頻器的安裝環境要求為最低環境溫度-20 ℃，最高環境溫度45 ℃。變頻器配電室設計為隔熱防塵配電室，采用風道將熱風排出室外，室內采用多臺空調冷卻降溫。

3　變頻改造效果

3.1軟啟動的效果

大功率電機“硬”啟動時的大電流對電網、電機造成很大沖擊，啟動時產生的沖擊、震動對擋板和閥門的損害極大，影響其使用壽命。利用變頻器的軟啟動功能可選擇多種啟動模式，使啟動電流從0開始，最大值不超過額定電流，減輕了對電網、電機的沖擊和對供電容量的要求。轉速降低有利于減輕主設備及相應輔助設備如軸承等的磨損。閥門開度大時，運行中承受壓力小，能因阻力減少而節能。這樣就節省了設備的維護費用，延長了設備的使用壽命。并且變頻器本身設有過流、過壓、過載等完善的電氣保護功能，能確保設備安全。

3.2節電效果

通過以上方法完成了2臺機組凝泵變頻供電改造。下面以3號機組凝泵為例，列出變頻改造前后在機組不同負荷下的運行參數及節電效果，如表1所示。

從表1可見，因變頻器內部濾波電容器的作用，減少了無功損耗，變頻供電功率因數接近1，且機組負荷越低，節電率越高。

以機組200 MW，250 MW，300 MW，330 MW負荷年運行時間比例為20 %，50 %，20 %，10 %計算年節電量。

變頻平均功率：P=（489×20 %）+（619×50 %）+（768×20 %）+（808×10 %）≈641 kW；

表1　3號機凝泵變頻改造前后運行參數對比

以單機年負荷率70 %運行6 132 h，上網電價0.488元/kW·h，及運行中4臺制冷空調總功率16 kW，4臺冷卻風機總功率1.8 kW耗電計算，改造后凝泵全年節電如下：

節電率：（894-641）/894≈28 %；

節電量：（894-641-17.8）×6 132/10 000≈144 萬kWh；

節省電費：144×0.488≈70萬元。

通過上述計算表明：按1臺機組改造增設1臺變頻器，改造投資約73萬元，1年多可收回投資成本。證明此高壓變頻器供電改造項目的投資回報率高，持續節電經濟效益顯著。

4　結束語

高壓變頻技術較成熟，變頻器能與機組配套的DCS控制系統自動閉環控制實現精準調節，達到機組安全經濟運行要求。變頻供電改造只需在原基礎上增加變頻器等配套設施，投資費用不高，施工簡單，工期不長，約1年多就可收回投資，且持續經濟回報可觀。改造后可減少原調節流量與壓力的機械設備，提高了設備的安全可靠性；減少對電網無功的需求，提高電壓穩定性；減少對機電設備的沖擊，延長使用壽命。因此，在大中型火力發電廠鍋爐給水泵、凝泵、送風機、引風機等大容量高壓輔機的節能改造中，推廣變頻器非常必要。

2015-07-08；

2016-03-09。

昌進國（1962-），男，高級工程師，主要從事電廠電氣自動化、變頻器領域研究工作，email：cjg8084@163.com。

楊立慶（1990-），男，助理工程師，主要從事電廠汽機運行維修方面的工作。

王澤川（1971-），男，工程師，主要從事電廠汽機運行技術研究方面的工作。