烏達熱電150 MW供熱機組電動給水泵變頻改造分析

郭雅峰，劉春松，王東川

(1.內蒙古華電烏達熱電有限公司，內蒙古 烏海 016040；2.國電南京自動化股份有限公司，南京 210032)

0 引言

內蒙古華電烏達熱電有限公司有2臺150 MW供熱機組，每臺機組配置2臺100%容量(相對于最大給水量，下同)的電動給水泵(以下簡稱給水泵)，一用一備運行，給水泵系統由電動機、液力偶合器、給水泵泵體及外部輔助系統組成。由于給水泵電機是最大的輔機，其設計余量較大，能耗高。通過對給水泵系統進行變頻改造，不但可以節省能源，還可以改善啟動性能、提高調速精度、滿足工藝控制要求、提高產品質量、增加生產效率、延長設備壽命、減少維修費用和降低噪聲水平，具有重大的經濟意義。進行給水泵變頻改造，需要解決變頻狀態下液力偶合器油壓不穩的問題。為了解決這個問題，需要采用適用于工頻、變頻2種工況的液力偶合器[1]；同時，由于給水泵為鍋爐汽包輸水，需要維持汽包水位在工藝要求的范圍內，當給水泵變頻故障時，汽包供水中斷，水位下降，必須在一定時間內恢復水泵供水，否則機組跳閘，甚至出現燒干鍋。本文主要論述華電集團內首套自主研制的高壓變頻器應用于電動給水泵系統的相關情況。

1 給水泵系統變頻改造方案

1.1 高壓級聯型變頻器的基本原理[2]

本次改造電機功率為3 800 kW，配置的高壓級聯型變頻器的功率為4 000 kW。高壓級聯型變頻器是由多個功率模塊串聯而成，通過將多個低壓功率模塊的輸出疊加起來得到高壓輸出；其主要由隔離移相變壓器、功率單元、控制系統等組成。如圖1所示，以6級高壓變頻器拓撲為例，電網三相6 kV/50 Hz交流電經移相變壓器，供電給18個功率模塊，每個功率模塊的額定輸出電壓為580 V，相鄰功率模塊的輸出聯接起來，每相6個功率模塊進行疊加，使得高壓變頻器的額定輸出相電壓為3 480 V。三相共18個功率模塊，形成星形聯結，使得線電壓為6 kV，直接驅動感應電動機。高壓變頻器控制系統調節輸出電壓的頻率和幅值，實現高壓電動機變頻運行。

圖1 高壓變頻器的典型電路拓撲圖

1.2 給水泵系統的變頻改造

考慮到變頻器工頻和變頻運行的切換，給水泵電機驅動變頻器增加3臺斷路器，分別安裝在2個斷路器柜內，如圖2所示QF4，QF5電氣互鎖。

圖2 高壓變頻器一次系統

變頻器故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態下，當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態下，變頻器故障分閘無效。

保護：保持原有電機的保護功能,但電機的保護整定值可以與變頻器的保護定值相配合，做適當調整，當變頻器運行時，把電機、液力偶合器的潤滑系統和本身的溫度過熱保護動作跳閘信號并入到變頻器跳閘信號中，以保護電動機和液力偶合器。通過變頻器的工頻狀態和變頻狀態自動控制給水泵電動機差動保護的投入與切除。當變頻運行時，差動保護退出；當工頻運行時，差動保護投入。

由于原給水泵系統無前置泵，故此次改造不對前置泵進行處理。此次改造在液力偶合器上增加了2套外部油穩壓系統，穩壓裝置為2臺變頻驅動的油泵，變頻器自動控制來穩定液力偶合器內部壓力；當一臺油泵故障時聯啟備用油泵運行，同時向分散控制系統(DCS)發出故障信號。為了防止2臺給水泵切換過程中出現逆止閥無法關閉的情況，在變頻運行時，定期切換給水泵試驗改為定期切換給水泵邏輯測試。

變頻系統由DCS進行控制，變頻系統提供遠程輸入、輸出信號，變頻裝置接受DCS的控制指令，并反饋變頻裝置的主要狀態信號和故障報警信號。變頻裝置具有與DCS的硬接線和通信接口。通過通信方式和硬接線方式，能夠傳輸各主回路斷路器的位置信號、變壓器故障保護信號、變頻器故障信號、運行主回路的電流信號及其他運行、報警和故障信號至DCS，DCS邏輯組態內做出相應的報警點。變頻控制面板具備存儲電壓、電流、頻率曲線功能。變頻控制系統共分為就地控制和DCS控制，能使電機轉速根據負載工況變化跟蹤調整，特殊情況也可由人工進行調節。

2 變頻故障聯啟備用泵方案的確定

如圖2高壓變頻器一次系統圖所示，高壓變頻器配置3臺斷路器，具備自動工頻旁路的條件。在自動旁路切換至工頻邏輯下：變頻運行，液力偶合器勺管全開；變頻器故障后，自動投入工頻運行，但為了減小工頻投入時對給水泵系統的沖擊，在工頻開關閉合前，液力偶合器需要先減小勺管開度至合適位置。經過現場論證，當勺管關到40%時，投入工頻運行，調節液力偶合器勺管進行調節。而變頻器故障后聯啟備用泵按照原有DCS邏輯即可執行。在高壓變頻器正式投入運行前，對高壓變頻器故障后采用自動旁路邏輯還是聯啟備用泵邏輯產生了分歧。對于上述分歧，在現場進行了如下分析和計算。

2.1 汽包內水量計算

該機組的汽包為長度15.8 m、半徑0.8 m的圓柱體密閉結構。汽包水位截面如圖3所示，汽包內部水位0 mm定義為中心線以下150 mm，機組運行時正常控制水位在0 mm的±50 mm。低水位報警Ⅰ值為-50 mm，低水位報警Ⅱ值為-100 mm，主燃料跳閘(MFT)值為-230 mm[3]。

圖3 汽包內水位

以機組正常運行水位(0 mm水位)計算汽包內的總水量為12.11 m3，汽包內額定蒸發量為8 t/min。通過計算，在變頻器故障給水泵不向汽包內供水的情況下，到達低水位報警Ⅰ值的時間為9 s，到達低水位報警Ⅱ值的時間為18 s，到達MFT動作需要40 s，完全燒干需要86 s。

2.2 勺管調節時間與分析

在機組停機時，勺管在全開到不同開度下進行調節試驗，試驗結果見表1。

表1 勺管調節時間

當正常工頻旁路時，勺管關小到40%所需時間為27 s，工頻合閘后，給水泵工頻開始出力給汽包供水，基本可滿足運行要求。

當考慮極端情況，工頻旁路失敗時，需要聯啟備用泵，勺管關小到40%所需時間為27 s，若判斷旁路失敗增加2 s延時，此時需要29 s。判斷旁路失敗后，聯啟備用泵，備用泵液力偶合器勺管開度從0%到開始出力60%需要29 s，總計需要58 s，在此期間給水泵不向汽包供水，根據之前計算MFT時間為40 s。此時聯啟備用泵不滿足機組安全需求，所以，工頻旁路失敗再聯啟備用泵不滿足工藝要求，即當給水泵變頻故障時需要聯啟備用泵。

考慮極端情況，在旁路斷路器合閘失敗情況下，需要聯啟備用泵。在該極端情況下機組不跳閘，通過對現場給水泵系統的分析與討論，最終選用變頻器故障后聯啟備用泵方案，實現鍋爐汽包快速供水。

3 節能效果分析

經過統計，#1，#2機組給水泵改造前后對比分別見表2、表3。

表2 #1機組給水泵改造前后對比

表3 #2機組給水泵改造前后對比

全年按2 000 GW·h電量，每臺機組運行小時數按8 000 h計算，#1機組全年平均負荷為12 MW，#2機組全年平均負荷為13 MW，單位電價為0.277 2元/(kW·h)，設備總投資為780萬元，則

年節電量=0.41%×2 000×48%+0.24%×2 000×52%=6.432 (GW·h)；

全年節省費用=0.277 2×106×6.432÷104=178.3(萬元)；

回收年限=780/178.3=4.375(a)。

4 結論

經過現場運行可知，給水泵系統變頻改造后，實現了高壓電動機的無沖擊啟動，提高了給水泵系統輸入功率因數，節電效果顯著，具有巨大的經濟價值。同時，本次給水泵變頻改造的實現，為在華電集團內部推廣電動給水泵變頻改造提供了技術支撐和實踐基礎。

[1]程榮新，李輝，王國冠，等.工變頻切換型液力偶合器電動給水泵節能系統在300 MW汽輪機組上的應用[J].變頻器世界，2015(4)：80-82.

[2]國電南京自動化股份有限公司.高壓變頻器說明書[Z].

[3]鍋爐運行規程(第四版)：Q/HDWD-103.02-2013[S].