凝结水泵变频改造和性能分析

张 宇

（1.山西电大科学研究院，山西 太原 030012；2.太原理工大学，山西 太原 030024）

1 引言

近年来，国家高度重视节能发展战略，对我国电力系统节能国际比较；研究“十一五”期间电力系统节能降耗潜力，包括电力系统节能的技术经济可行性分析；研究电力系统节能原则、节能目标、节能重点领域；提出可操作的电力系统节能技术、经济、管理政策措施建议。为响应国家节能号召，电力行业也相应出台了节能减排政策，对能耗大的电力设备进行节能改造。由原来的工频工作方式改为频率可调的变频工作方式。通过对火力发电企业中变频器应用的调研和分析，确定了其可行性。凝结水泵作为火电厂中的大型辅机，承担着凝汽器疏水和除氧器上水的动力，也为部分工业水系统和减温水系统提供水源，需要消耗大量的电力。因此，凝结水泵必须具备较高的运行可靠性和灵活性，通过改变变频器的工作频率来调节凝结水泵的转速，高负荷时增加转速，低负荷时降低转速，使之可以较好地满足流量变化，提高泵在变流量时的工作效率，通过运行实践，使用变频后系统运行的线形度较好、动态响应快，完全保证机组在更经济的状态下安全稳定运行。

2 凝结水泵改造前后运行比较

图1 凝结水系统流程图

图1为凝结水系统流程图，简要流程是：排气装置凝汽器→凝结水泵→精处理装置→轴封加热器→凝结水再循环门→除氧器上水阀→低压加热器→除氧器。在机组运行期间，蒸汽经旁路或低压缸，排入凝汽器，排汽经凝汽器内的冷却器凝结成水，流入凝汽器底部。凝结水通过凝汽器底部出水管，经滤网后进入凝结水泵，再由凝结水泵经低压加热器打入除氧器中。凝汽器中的水源主要由凝结水补水泵来的除盐水补充。在机组的启动和运行过程中汽水工质做功产生的损耗，都需要补充除盐水，以维持正常运行所需水量。凝汽器内水位太高会使换热面积减少，真空下降，影响机组的经济与安全运行，凝汽器中的凝结水必须保持一定的水位，才能保证凝结水泵安全运行。

图2 变频改造前后的电器图

从图2可以看出，对电气回路的改造，变频模式与工频模式采用并列方式，若变频器发生故障的情况下可以切换到工频模式，两台凝结水泵均按此回路方式改造。凝结水泵在工频方式运行，当机组降低负荷时，锅炉蒸发量减少，给水量需求相应下降，为了防止凝结水补水过量造成除氧器水位上升，须打开凝结水再循环门，通过调节再循环门的开度，控制凝结水流量，使泵以最小流量运行。改为变频方式运行时，除氧器水位通过调节凝结水泵的变频器控制凝结水上水量，省去再开循环门来调节流量的步骤，同时也使泵运行更经济。变频运行的凝结水泵，以较低的出力运行时，由于凝结水泵的转速较低，各种以凝结水作为冷却水的减温水压力会有所下降，此时需要通过变频调速来达到理想的出力保证凝结水母管压力。

单元机组通常设计两台100%出力的凝结水泵，两台泵都装有独立的变频器。正常工况下为一运一备，当变频方式的工作泵发生故障跳闸或凝结水母管压力不足时，备用泵自动投入变频方式运行。若故障泵处理好后，切换至变频方式运行。若出现变频器故障不能及时使用，且需两台泵运行时，将泵切换到工频方式运行。为了保证两台泵之间无扰切换，锅炉上水门要减小开度，同时也要根据负荷和除氧器水位变化，控制好凝汽器水量和除氧器水量，保证除氧器水位不至于大幅度波动。当机组升负荷时，除氧器以滑压方式运行，除氧器上水压力和给水量也会随着发生变化，给水量增大除氧器水位下降，除氧器上水阀迅速打开补水，凝汽器水位随上水量的增加而下降，因此需要除盐水补水系统快速补水，直至负荷稳定到目标值。反之，当系统在降负荷时，需要快速疏水，保证水位不至偏高影响系统正常运行。维持稳定的除氧器水位可为给水泵提供必要的静压力，防止给水泵汽蚀发生，同时也能达到很好的除氧效果。因此，凝结水系统的自动控制回路需要控制好除氧器水位与凝结水泵出口压力。

3 凝结水系统改造前后控制方式对比

凝结水泵变频控制的目标是除氧器水位与凝结水泵出口压力，控制的对象是除氧器上水调节阀与凝结水泵转速。除氧器水位是通过凝汽器的除盐水补水门间接控制的，如除氧器水位低于设定值，除盐水补水阀打开，除盐水补充到凝汽器中，因为凝汽器设定的水位值没变，补充的水量会通过凝结水泵被输送到除氧器。凝汽器水位是通过凝结水泵至除氧器之间的上水调节阀来控制的。

凝结水泵变频改造前，除氧器水位主要由除氧器上水调节阀控制，具有手动和自动两种控制方式。自动控制方式分为单冲量控制方式和三冲量控制方式。当锅炉给水流量较低时，除氧器水位控制采用单冲量控制方式；当锅炉给水流量大于一定值时，除氧器水位控制采用三冲量控制方式。在不同的负荷工况时，由于锅炉给水量的变化给水方式也相应地进行自动切换。使用除氧器上水调节阀调节除氧器水位能够达到较好的控制特性。

凝结水泵变频改造后，除氧器水位由原来的使用除氧器上水调节阀调节，调整为将上水调节阀阀位固定在某一开度通过改变凝结水泵转速来控制除氧器水位。为能达到最大节能效果，通常将除氧器上水调节阀开到全开状态，通过变频器手动或自动调节控制凝泵转速，以维持除氧器水位。变频方式下的凝结水泵在较低频率工作时，存在共振区域，为避免共振现象对泵的影响，设置凝结水泵变频器的最低运行频率。当凝结水泵在最低运行转速工作时，为了维持除氧器水位，可适当调小除氧器上水调节阀开度。在锅炉给水流量大于一定值时，变频工作的凝结水泵投入三冲量控制方式，除氧器上水调节阀也投入自动控制方式。除氧器上水调节阀调节除氧器水位，凝结水泵转速调节控制凝结水母管压力。为了保证对除氧器水位的连续自动控制，凝结水泵变频器运行中如果退出自动控制方式后，除氧器上水调节阀会投入自动控制方式。实际应用后表明，通过改变凝结水泵转速来控制凝结水泵出口压力要比通过改变除氧器上水调节阀开度更为迅速，变频改造后的凝结水泵控制特性表现出较好的节能效果。

4 凝结水系统改造前后经济效益分析

在凝结水泵变频改造前，机组运行中凝结水泵的出力得不到充分发挥，电机线圈发热量较大，设备耗电高。凝结水泵改为变频运行方式后，在除氧器上水调节阀可以全开，既减少了阀门节流损失，也能均匀调速，节约了大量的电能，具有显著的节电效果。电机低速运行以及工作在高效率区间，凝结水泵电流明显降低，电机线圈和轴承的温度明显下降，减少了机械磨损和振动，延长了大修周期,可节省大量的检修费用，具有良好的经济价值。表1为凝结水泵采用变频调速前后的试验能耗比较：可以看出，在泵同样出力的情况下，改造后的能耗明显下降。按600 MW机组全年平均负荷率80%计算，厂用电量下降约42 000 kW，按年运行5 000 h计算，全年节电量约为22 000 GWh，综合节点率可达28%，经济效益十分可观。

表1 凝结水泵采用变频调速前后的试验能耗比较

5 结束语

随着电力体制改革的深入，竞价上网日趋激烈。节能降耗，降低发电成本成为提高电厂竞争能力的有效途径。通过变频器对高能耗用电设备进行改造，节能效果明显，采用变频调速后，实现了电机的软启动，延长电动机的寿命，减少了阀门的磨损，降低了厂用电，而且也能提高设备和机组的安全可靠性，减少机组的故障率，给电厂带来间接的经济效益。