M701F聯合循環機組給水系統節能改造

陳義鋒

（深圳市廣前電力有限公司，廣東深圳 518054）

0 引言

某電廠引進三菱/東汽聯合生產的M701F燃氣蒸汽聯合循環機組，采用三壓、再熱、臥式、無補燃、自然循環余熱鍋爐。原設計鍋爐給水系統采用高中壓合泵的定速給水泵，這種方式在機組啟停及低負荷階段給水調門開度較小，存在較大的節流損失，作為兩班制運行調峰電廠，對給水系統進行節能改造很有必要。常用的節能技術有電機變頻技術、液力耦合技術、永磁調速技術等，通過對比分析，該電廠選用了電機變頻方案，高中壓給水系統由高中壓給水泵單泵運行改為分泵運行，新增兩臺中壓給水泵，其中高壓泵電機變頻運行，中壓泵電機工頻運行[1]。

1 高中壓給水系統改造前后簡介

1.1 高中壓給水系統異動情況

高中壓給水系統的主要作用是為高中壓汽包補水，同時也為高壓過熱器、再熱器及高壓旁路減溫器提供減溫水。節能改造前，高壓給水及高過減溫水取自高中壓給水泵出口，中壓給水、再熱器減溫水及高旁減溫水取自高中壓給水泵中間抽頭。高壓給水泵變頻改造后，考慮低頻運行時無法同時滿足高中壓給水需求，故新增一套中壓給水系統，中壓給水及再熱器減溫水改由中壓給水泵供水，高旁減溫水仍取自高中壓給水泵中間抽頭。系統流程如圖1所示。

圖1 高中壓給水系統圖

1.2 變頻改造后接線特點

原設計高中壓給水泵一運一備，兩臺高中壓給水泵電機分別由兩臺6 kV開關供電。變頻改造采用“一拖二加旁路”方式[2]，即一臺變頻器可分別拖動兩臺給水泵，設置一臺6 kV開關單獨給高壓給水變頻器供電，變頻器輸出端分兩路分別引至高壓給水泵電源開關出線處，變頻接線如圖2所示。

圖2 高壓給水變頻接線圖

變頻器制造商為廣州智光，型號為Zinvert-A6H2500/06B，GSA、GSB為手動刀閘，QFA、QFB為真空接觸器。當給水泵由變頻器驅動時，通過邏輯閉鎖對應給水泵6 kV電源開關合閘，處于備用的給水泵仍可通過自身電源開關啟動，變頻器不能同時拖動兩臺給水泵運行。當變頻器故障時，兩臺給水泵均可工頻啟動。在保留原有接線條件下新增變頻回路接線方式，接線簡單靈活，但需要配置一套可靠的邏輯閉鎖系統。主要的電氣閉鎖關系如表1所示。

表1 主要的閉鎖關系

為實現變頻系統電氣設備的“五防”閉鎖，原兩臺給水泵工頻電源開關（分別為QF1、QF2）和新增QF3開關地刀增加電磁鎖，該部分電磁鎖為直流電磁鎖，其電源分別為開關的控制電源，電磁鎖的動作原理為帶電解鎖。

由于本次改造牽涉到的聯鎖、閉鎖回路較多，很多閉鎖回路采用的是開關的轉換接點，必須在變頻器、變頻器各旁路柜、QF1、QF2、QF3等的控制電源送上的情況下閉鎖才起作用，因此在進行各項操作時務必送上上述回路的控制電源。

2 變頻改造后相關控制邏輯變動

2.1 汽包水位控制邏輯

高中壓汽包水位控制采用的是汽包水位、蒸汽流量和給水流量組成的三沖量調節，根據蒸汽流量高低分別采用單沖量調節和三沖量調節[3]。控制核心是三個比例積分器，單沖量調節單獨采用一個比例積分器，三沖量調節采用兩個比例積分器，單沖量調節時比例積分輸入為汽包水位偏差，三沖量調節則疊加了蒸汽流量與給水流量差值作為比例積分器輸入，控制輸出值即作為執行機構輸出。控制邏輯框圖如圖3所示。

圖3 余熱鍋爐汽包水位控制邏輯框圖

變頻器頻率控制也沿用這種控制算法，即頻率輸出也采取三沖量調節模式。但變頻運行時高壓汽包水位控制較為復雜，采用的是高壓給水調門與變頻器聯合控制。

變頻運行時，設有兩種控制模式：閉環控制模式和開環控制模式。閉環控制下，變頻最小頻率為負荷的函數，水位調節主要通過調門調節，這種模式下仍存在一定節流損失，故一般不采用；開環控制模式下，低負荷階段變頻器設定在最小頻率下運行，給水流量由給水調門調節，此時變頻器頻率處于鎖定狀態。隨著負荷上升，給水需求量上升，調門不斷開大至90%，此時調門將鎖定不動，給水流量轉由變頻器頻率調節，調節過程中如果出現水位偏離正常水位較多、備泵聯啟、變頻退出自動等異常情況時，高壓給水調門自動解除閉鎖參與水位調節。聯合調節在保證安全的條件下盡可能減少調門節流損失，從而達到節能的目的。

開環運行頻率最小設定為可變值，主要依據給水泵電機冷卻、電機振動、減溫水壓力、給水壓力與汽包壓力差值等因素確定，一般在30～38 Hz，當給水母管壓力對汽包壓力的差值不足0.28 MPa時，最小壓力按一定速率向上提升，直至壓差滿足要求。

中壓系統未進行變頻改造，原水位控制邏輯基本不變，給水調門根據運行情況選擇三沖量或單沖量中壓汽包水位調節。

2.2 給水泵聯鎖功能

變頻改造后，給水泵原聯鎖邏輯保留不動，即當給水泵工頻運行時，原有高壓給水泵間的聯鎖功能仍不變，原有的高壓給水母管壓力低聯鎖啟動備用泵的功能只在工頻運行時起作用。

變頻運行時，原給水泵出口壓力低聯鎖啟動備用泵邏輯已不適用，此時這部分邏輯被屏蔽。新增兩種聯鎖啟備泵條件：（1）閉環模式聯鎖啟動工頻備用泵的條件是給水母管壓力超過汽包壓力不足0.2 MPa，這種聯泵方式在變工況時容易導致備泵聯啟，現一般不采用；（2）開環模式聯鎖啟動工頻備用泵的條件是汽包水位低于-450 mm，高壓包正常水位波動情況下不會導致備泵聯啟。

3 節能改造后運行出現的異常情況

3.1 變頻器故障引起給水泵跳閘

變頻器故障分輕故障和重故障，輕故障動作發報警，重故障動作直接跳變頻器。發生輕故障時變頻器雖可繼續運行，但也須及時處理，以防發展成為重故障。變頻改造多年來該廠已發生多起因變頻器故障導致的給水泵跳閘，但所幸未造成事故擴大。引起變頻器跳閘的原因很多，但多數為功率模塊故障，更換故障模塊后則恢復正常。

某電廠由于冷卻系統異常停運曾造成過給水變頻功率單元超溫跳閘。事故時機組啟動選SFC由于諧波濾波柜受潮發生接地短路，廠用電電壓瞬間下降，故障切除后恢復，電壓低導致變頻室空調跳閘，變頻裝置運行時發熱量較大，變頻器熱量積聚導致功率柜超溫跳閘。為提高變頻器運行可靠性，該電廠配置了一套可靠的冷卻系統及監控系統。三臺機給水泵變頻器統一安裝于單獨設立的電氣室，室內采用中央空調加獨立空調雙套配置，變頻室內裝有溫度探頭，溫度信號接入DCS系統，當溫度超過正常范圍可發出報警，提醒運行人員關注。

3.2 機組啟動時中壓給水泵頻繁聯啟

某電廠#3機組中壓給水泵在機組啟動過程頻繁聯啟，造成中壓汽包水位波動，增加了運行風險，也縮短了設備的使用壽命。以某日#3機溫態啟動為例，機組轉速1 450 r/min左右，中壓系統疏水閥陸續關閉，中壓汽包水位持續下降至-190 mm（水位設定值為-150 mm），給水調門快速開至62%，流量約60 t/h，中壓給水泵出口壓力降至聯泵值（4.0 MPa），備用給水泵聯啟。負荷到46 MW時，此時高旁開啟，中壓汽包水位快速降至-116 mm（此時水位設定值為0），給水調門快速開至94%，出口壓力下降，備泵再次聯啟。

聯啟一般發生在中壓系統疏水門關閉或高壓旁路閥開啟時，中壓汽包水位突然下降，虛假水位導致中壓給水調門突然開大，中壓給水泵出口壓力突然下降后中壓泵聯啟，溫熱態啟動聯啟較為突出，這與#3機組中壓系統調節特性有關，但歸根到底還是中壓泵選型出力裕量不足。通過修改中壓系統疏水閥關閉時間，避免多個疏水閥同時關閉造成水位劇烈波動，聯啟現象有所改善，但問題仍存在，需要進一步改善旁路系統調節速率，防止中壓汽包水位波動過于劇烈。

3.3 高過減溫水量不足導致過熱器超溫

某日，#1機負荷270 MW，AGC控制降負荷至240 MW，高壓給水泵頻率從41 Hz逐漸下降至39 Hz左右，燃機排氣溫度從592 ℃逐漸升高，高過出口溫度從541 ℃逐漸升高，減溫閥開度從24%逐漸開大，當燃氣溫度升至599 ℃，減溫閥開度已開至100%，但高壓給水泵頻率為39.7 Hz，減溫水流量僅為2.44 t/h，高過出口溫度升至546 ℃，機組RB。

又如某日，#3機負荷200 MW，AGC控制升負荷至330 MW，燃機排氣溫度從560 ℃逐漸升高，高過出口溫度從521 ℃逐漸升高，減溫閥開度從0%逐漸開大。09：18，機組負荷升至329 MW時，燃氣溫度升至588 ℃，高過出口蒸汽溫度升至544.8 ℃，減溫閥開度已開至100%，但減溫水流量僅為5.07 t，運行當值將高壓給水泵頻率從40.3 Hz手動提高至48.3 Hz，高過減溫水流量升至10 t/h，高過出口蒸汽溫度開始回落至正常值。

兩起高過超溫事件均表明高壓給水泵低頻率運行下，減溫水流量出現了不足現象。一般情況下，變頻運行不會引起減溫水流量不足，但變頻運行降低了減溫調節裕度，需要運行人員關注，必要時應手動干預提高頻率。

4 結語

電機變頻調速有著效率高、功率因數高、調速性能好、啟動平穩等優點[4]，廣泛應用于各電廠節能改造中。然而，節能不可避免地犧牲了一部分設備壽命及運行安全可靠性，但總體可控。改造多年來，系統運行平穩，節能效果良好。