哈尔滨第三电厂4号机组凝结水泵的变频改造

2011-03-14李柏新

黑龙江电力 2011年3期

李柏新

(华电能源哈尔滨第三发电厂，黑龙江哈尔滨150024)

0 引言

近年来，黑龙江电网的负荷峰谷差越来越大，随之调峰深度逐步增大，深度调峰任务使高压电机的启停次数增加。而采用变频调速技术可实现高压电机的软启动，改善电动机运行环境。因此，如何在高压电动机中运用变频调速技术，取得更大的节能降耗的效果，并解决高压变频调速技术应用中的实际问题，如电机变频运行时的可靠性、变频与工频的切换、电机方式改变对热力系统的影响等，将具有非常重要的现实意义。

1 凝结水泵运行现状

华电能源哈尔滨第三发电厂4号机组为600 MW的燃煤发电机组。该机组凝结水泵流量大于机组最大凝结水流量，电机功率也大于凝结水泵最大输出功率，采用调节气动调节门控制凝结水流量，机组在额定负荷下运行时，凝结水泵效率较为理想;而机组在低负荷运行时，电动调门长期固定在20%～40%开度，气动调门在30% ～60%开度调节，节流损耗随机组负荷降低而迅速升高。凝结水系统流程如图1所示。

凝结水系统运行中存在的主要问题:

a.调门动作迟缓，手动时运行人员操作不灵活，而且操作不当会造成除氧器振动，投入自动运行时，很难达到最佳调节品质。

b.气动调门执行机构故障较多，不能适应长期频繁调节，使凝结水流量调节系统一直不能正常投入自动运行。

c.凝结水泵在启动时，采用直接启动方式，启动电流为额定电流的5～8倍，电动机受到的机械、电气冲击较大，经常发生转子鼠笼条断裂事故。

d.凝结水泵由于设计原因，电动机容量比水泵额定出力大，多余容量不能利用，浪费了电能。

e.气动调整门受水流冲刷较严重。

f.机组经常低负荷调峰，凝结水流量较低，大量电能消耗在阀门节流及凝结水再循环上。

图1 哈三电厂4号机组凝结水系统

2 凝结水系统变频改造的设计要求

2.1 热控联锁保护

工频运行时凝结水泵出口压力低联锁:由于在变颇运行时(特别是在低负荷阶段)泵的转速较低，原凝泵出口压力低的连锁定值就不再合适。给水泵密封水压力及各种采用凝结水作为冷却水的系统，均有压力下降的可能，既要通过变频调速保证除氧器水位，同时又要保证凝洁水压力，以确保其他凝结水用户可靠运行。

2.2 一次系统设计

电气一次回路按“一拖二”方案设计，实现1台凝泵变频运行，另1台凝泵工频备用，可定期实现设备轮换及事故切换。变频器进、出口开关之间以及变频器进、出口开关与原凝泵电源开关之间的可靠闭锁，要在变频器本身与DCS之间合理分配控制功能。避免二者出现控制真空、不必要的信号传递和重叠设置闭锁，以致增加系统的不可靠性。

2.3 控制方式设计

设计控制方案时，需重点考虑以下控制要求:

a.正常运行控制。要求变频泵单台运行时，利用对变频泵的转速调节去控制除氧器水位;而工频泵单台运行时，仍利用气动调节门来控制除氧器水位。

b.故障时除氧器水位控制。凝结水泵在工频运行时依靠调节气动调整门控制除氧器水位。变频运行时靠调节凝结水泵的转速控制除氧器水位，凝结水泵在变频运行中跳闸切换为工频运行时，要保证2种控制方式间无扰切换。在切换的同时，电动调节门要按照最大速率关到一定开度，20% ～50%开度呈线性对应300～600 MW，运行人员根据当时负荷和除氧器水位需要手动调整气动调节门开度，保证除氧器不发生满水或缺水。

c.定期切泵控制。凝结水泵1台变频运行、另1台工频备用为其最主要的运行方式。为保证1台凝结水泵长期变频运行时而另1台工频备用凝结水泵的可靠备用，需定期轮换运行的凝结水泵，包括以下具体方式:变频运行正常切换至工频运行的控制、工频运行正常切换至变频运行的控制、工作泵变频运行正常切换至备用泵变频运行。

3 凝结水泵高压变频系统设计

4号机组凝结水泵选用的高压变频系统由6 kV电源进线开关、高压变频器、6 kV输出开关、电机构成，考虑到电厂凝结水泵的运行可靠性，高压变频系统，须设置自动工频旁路。一次接线方式如图2所示。

旁路控制方式为手/自动旁路，可以在凝结水泵工频运行同时进行开关检修工作。从自动旁路切换方式看，变频切换至工频方式可由变频器程序自动切换，也可通过DCS或就地控制面板来手动切换;而工频切换至变频方式，则采用DCS或就地控制面板手动切换，因为工频情况下发生故障。

图2 高压变频器及旁路一次接线方式

2台凝结水泵平时采用“一拖二”方案。正常运行时，变频器拖动1台凝泵运行，另1台工频备用。当变频器运行中自身故障或电机、电缆故障时，变频器保护动作跳闸，备用泵工频自动联启。

为防止变频器反充电，变频器输出开关QF4与QF1开关的合闸控制回路互相闭锁;变频器输出开关QF5和QF2开关的合闸控制回路互相闭锁;变频器输出开关QF4和QF5开关的合闸控制回路互相闭锁。

4 除氧器水位自动控制策略

高压变频改造后，在凝结水泵变频运行方式下，除氧器上水电动调节门、气动调节门处于全开位置，仅在启停机过程中由除氧器上水电动调节门、气动调节门来控制除氧器水位(此时凝结水泵为定速)，正常运行时通过调节变频器的输出频率改变凝结水泵转速，调节出口流量控制除氧器水位。在凝结水泵工频运行方式下，除氧器水位按改造前的方式进行调节。另外，凝结水泵变频运行时，由于电动调节门、气动调节门全开，凝结水压力较低，若凝结水泵由变频运行方式切换至工频运行方式时，不及时关小电动调节门、气动调节门，则造成凝结水流量突然增大、除氧器水位急剧上升。为了解决此问题，将除氧器上水调整门(包括电动调节门和气动调节门)的控制逻辑作如下修改:

a.在保留原有凝泵工频运行方式下，将除氧器水位的单冲量、三冲量调节改由30%流量调节门和70%流量调节门联合控制。

b.增加变频控制方式下由变频器调节凝泵转数控制除氧器水位的单冲量、三冲量调节控制逻辑。

c.由于变频凝结水泵改用转速调节，使得凝结水压力低，而定速凝结水泵仍为上水门调整，凝结水压力很高，一旦发生变频凝结水泵跳闸，备用定速凝结水泵启动后，则凝结水压力、流量就会突然增大，对除氧器水位将造成很大的影响。对此，将控制逻辑修改为单台凝结水泵变频运行跳闸，联锁备用凝泵，30%调节门保持不动，按负荷对应的70%调节门的关系曲线自动回关，当联动的凝结水泵工频运行延时5 s时，解除70%调节门控制站跟综条件。

d.高压变频调速凝结水泵运行时，将上水调整门打开，利用改变凝结水泵的转速调节除氧器水位造成凝结水压力较低。运行中凝结水压力随负荷降低而下降，为了保证其它设备所需凝结水的压力，设定变频调速系统的最低转速所对应频率为30 Hz。而改后逻辑为变频调速转速给定指令低于60%时，闭锁任何指令，变频器频率输出保持在30 Hz，即900 r/min，防止凝结水压力过低。

e.机组启动、停止过程中，将变频凝结水泵转速控制在某个值，采用原除氧器水位调整门调节逻辑，不但使除氧器水位稳定，而且可以保证其它辅助设备有足够压力的冷却水，如低压旁路减温水、疏水扩容器减温喷水、低压缸减温喷水等。

5 除氧器水位自动控制效果

机组启动、停止过程中，凝结水泵控制方式为变频-手动，除氧器水位调节采用原30%、70%上水调门联合控制上水的控制策略，凝结水泵处于非额定运行方式下，节流损失减小，节约了大量电能。

正常运行时，采用原30%、70%上水调门全开，变频装置根据机组负荷调整凝结水泵转速来控制水位的方式。变频调节响应速度很快，水位调节品质较原控制方式有了很大的提高。

事故情况下，单台凝结水泵变频运行跳闸，联锁备用凝泵，30%调节门保持不动，70%调门按其与负荷对应的的关系曲线(20%～40%开度对应300～600 MW)自动回关。当联动的凝结水泵工频运行延时5 s时，解除70%调门控制站跟综条件，由运行人员根据水位波动情况手动调整70%调门开度，同时将30%调门投入自动，提高了系统运行可靠性。

6 哈三电厂凝结水泵变频改造效益分析

6.1 直接经济效益分析

哈三电厂热试专业人员选取5种具有代表性的负荷分配各1 d，基本涵盖了哈三电厂4号机组1 a中不同时期的接带负荷情况，使用功率测试仪表对凝结水泵在改造前后5 d的实测数据进行比较，经过计算日平均节约电能21 224.8 kW·h，年平均节约费用127.2万元，静态投资回收年限2 a，该项目的节能效果非常明显。