火电厂凝结水泵变频改造方案

江苏大唐国际吕四港发电有限责任公司 陈雪峰

火电厂凝结水泵变频改造方案

江苏大唐国际吕四港发电有限责任公司 陈雪峰

随着能源短缺问题的突出，节能减耗愈来愈受到人们重视，据统计，目前全国各类电机年耗电量约占全国总发电量的65%，其中大功率风机、泵类的年耗电量约占工业总耗电量的50%。最大限度地降低风机、泵类设备的耗电量，对于节能减耗具有重要意义。国家发改委已正式将“电机系统节能”列为“十一五”的十大节能工程之一。

随着变频调速在发电厂 的广泛运用，发电厂的节能减耗也日显重要。凝结泵是发电厂凝结水系统的重要动力设备，汽轮机做功后的蒸汽经凝汽器凝结成水，再由凝结水泵输送到除氧器。凝结泵在设计时考虑到较大的流量和扬程安全余量，传统的通过调节阀门开度调节流量的方式耗电量大，同时凝结泵工频启动电流大，对电网冲击较大，启动时会造成电机笼条松动，有开焊断条的危险。基于上述原因，笔者所在的江苏大唐国际吕四港发电有限责任公司决定对一期工程660 MWX4机组凝结泵进行变频改造。

一、凝结水泵变频改造方案设计

1. 系统改造方案设计。改造方案遵循“最小改动、最大可靠性、最优经济性”的原则，考虑到变频器退出运行后，系统需保持正常工作，不能影响生产，因此，需配置工频旁路，当变频器出现故障时，将另一台电机投切到工频下运行。整个系统由1台高压变频柜、1台控制柜（内置S7–200PLC和PID调节器）、1台变压器柜、2台旁路柜、2台电机及2台水泵组成，变频器采用“一拖二”方案系统连接方式。变频器内置PLC控制系统连锁、变频器的本地/远程启动，以避免系统误操作。变频器按“一拖二”方案系统连接方式改造后为：进线＋旁路刀闸柜（2台）＋变频器＋电机＋水泵。该方案的特点是其中一台变频运行，另外一台工频备用。由DCS采集除氧器的压力信号，并将其转化为4～20 mA的信号作为变频器的转速给定信号指令，由变频器控制凝结泵的转速，调节系统凝结供水量，以达到节能目的。变频改造“一拖二”方案如图1所示。

图1中共有6个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，QS1与QS3采用一个双投隔离开关；QS4与QS6采用一个双投隔离开关，实现自然机械互锁，并采用S7-200PLC控制系统实现电气连锁，以避免系统误操作。当QS2和QS3闭合、QS1断开时，电机运行在变频状态；当QS2和QS3断开、QS1闭合时，电机工频运行。同理，当QS5和QS6闭合、QS4断开时，电机运行在变频状态；当QS5和QS6断开、QS4闭合时，电机工频运行，此时高压变频器从高压中隔离出来，便于工作人员检修、维护和调试。

2. 变频器的选择。一般情况下，变频器容量应不小于电机容量，这样能满足电机在额定出力内进行不同转速的调节。变频器要既能满足生产需要，又能节省变频器投资、减少配套设施，还要满足实际运行工况的需要。江苏大唐国际吕四港发电公司凝结水泵电机为6 kV/2 000 kW电机，设计时存在一定裕量。为了满足50 Hz时满负荷运行要求，选择配备了容量为2 500 kV·A的变频器，以满足各种工况下不同转速调节的要求。

二、凝结水泵系统运行

1. 凝结水泵变频控制策略。

（1）变频泵正常启动初期，变频器频率、除氧器水位调节门均由手动操作。

（2）在除氧器水位自动调整回路中增加单独的PID、手动/自动切换站、输出指令信号以及相应的反馈信号。变频器自动单冲量（除氧器水位）调节和三冲量（除氧器水位、给水流量、凝结水流量）调节之间实现跟踪功能和无扰切换，切换的条件与除氧器调门相同。变频器和除氧器水位主调门不能同时投入使用，两者互为闭锁。

（3）凝泵再循环门不参与凝泵联启控制，但变频泵启动时，应保证其最低转速时流量不得低于跳凝结泵最小流量362 t/h。

（4）2台凝泵的倒泵操作均由手动操作实现。

（5）凝结泵变频时，应保证减温水、密封水、冷却水等凝结水用户要求的最低压力。

（6）精处理系统压力、差压定值。需由发电部与综合专业负责人提供，或在试验期间根据实际情况确定。

（7）正常运行期间及异常状况下的控制方式。正常情况下，凝结水再循环调整门关闭，运行人员手动将除氧器上水主调整门开度调至100%，除氧器上水副调整门开度指令100%。变频泵故障跳闸时，工频备用泵自动联起，凝泵变频退出自动控制，根据当前负荷情况，由函数关系式输出凝结水主调整门的开度指令，除氧器上水主调整门自动关闭至设定开度，之后由运行人员手动调整除氧器水位稳定后，投入凝结水主调整门自动控制。

2. 动态调试应具备条件。

（1）系统静态调试结束。

（2）变频器具备动态调试条件。

（3）DCS组态完成、DCS带电，变频冷却系统可正常运行。

（4）凝结水泵变频自动调试时，提前一天向调度提申请票。

（5）凝结水泵变频自动调试前，由热控人员解除除氧器水位高一、高二、高三及低二所带的保护；变频自动调试工作完成后恢复保护。

（6）凝结水泵变频自动调试前，运行人员关闭除氧器溢流放水主调门的前后手动门，试开关除氧器事故放水门，发现除氧器溢流调整门和除氧器溢流旁路门正常，5号低加出口放水门正常。辅控网人员试开关精处理旁路门，结果正常。

（7）运行人员做好备用工频泵摇绝缘，检查备用工频泵是否具备随时启动的条件。

（8）运行值长通知设备部综合专业负责人，作好凝结水精处理切至旁路运行和凝结水精处理法兰漏水的事故预想。

3. 动态调试。

（1）凝泵变频自动控制动态调试的目的在于通过动态实验，求取凝结水系统变频方式下的动态特性，进而整定系统的控制参数，最终保证系统良好的动态响应，以改善系统的调节品质。

（2）动态调试需在工况稳定的条件下，解除除氧器水位保护，并经公司领导、发电部运行人员同意后方可进行。

（3）动态调试内容包括：被控对象的动态特性试验、控制系统对扰动量的动态响应试验、确定凝泵母管压力低变频泵运行联启工频泵的低定值。

（4）确定凝泵和气泵密封水压力的凝泵最低转速。

（5）试验凝泵变频–工频切换时自动调整维持除氧器水位稳定。

（6）动态调试试验方法。操作员站上手动改变执行机构位置，使用工程师站及历史站的趋势功能纪录被控对象的变化曲线。在凝结泵变频自动方式下，除氧器水位超过试验规定范围时，立即切除自动控制，由运行人员手动调整变频器转速，进行除氧器水位控制。必要时利用凝结水主调整门手动控制除氧器水位。自动控制系统的调节参数，通过反复整定认可之后，改变扰动量（包括负荷扰动、凝结水流量扰动、除氧器水位扰动）的值，使用工程师站及历史站的趋势功能纪录被控对象的变化曲线及控制器输出的控制曲线。内扰试验一般以定值扰动试验为主，内扰试验应在70%以上负荷进行，维持负荷稳定，扰动量一般应按被控量满量程的10%掌握，调节过程衰减率应在0.75左右，且被调量的峰值与保护动作值有一定的裕量。

4. 凝结水泵变频特殊工况。

（1）变频泵跳闸，联启工频泵时，除氧器水位主调节门按照速率曲线关至设定开度，并解除自动。

（2）变频泵运行，工频泵备用时，母管压力低于低I值，除氧器水位主调门（或副调门）按照速率曲线联锁关至预设开度，保证凝结水压力达到系统要求。

（3）给水RB动作，除氧器水位主调门（或副调门）按照速率曲线，联锁关至50%开度。

（4）除氧器水位高I值，除氧器水位主调门（或副调门）按照速率曲线（调试中确定速率）联锁关至70%开度。

（5）汽轮机跳闸。除氧器水位主调门、副调门、旁路门全关，除氧器水位自动控制解除，变频泵自动解除。

三、变频器节能改造效果分析

1. 节能原理。由电机学可知n＝60f（1 – s）/p，三相异步电动机的转速n与电源频率f、转差率s、电机极对数p有关。n与f之间为线性关系，变频调速通过改变电源频率f来实现调节电动机转速，转速调节范围宽，不存在励磁调节和节流作用带来的功率损失。

对于风机和泵类负载，由流体力学理论可知，流体流量与风机或泵类的转速一次方成正比，转矩与转速的二次方成正比，而其功率则与转速三次方成正比，即Q1/ Q2＝n1/ n2，H1/ H1＝（n1/ n2）2，P1/ P1＝（n1/ n2）2。

转速减少时，电机的能耗将以其三次方的比率下降，因此变频调速的节电效果十分明显。

2. 传统流量控制方法与变频控制的能耗比较。变频控制调速方式调速范围宽，且线性度好，电子损耗低。下面，以水泵为例，比较阀门控制和变频控制的能耗情况：泵的轴功率P＝QH/1 000n，其中Q、H、n分别表示流量、出口压力和总效率。则P＝QHn0P0/ Q0H0n，其中下标0表示额定工况。阀门控制流量时水泵压力与流量的关系曲线如图2所示。

图2中，曲线BD，CE分别为不同转速下水泵的压力流量关系；曲线BF，AF分别为不同的管网阻力曲线。系统消耗有功功率的大小反映于管网阻力曲线上的压力H和流量Q的乘积；泵的输出功率大小反映于水泵特性曲线上的H与Q的乘积。A为额定工作点；y1、y2分别为水泵在转速n1、n2下的效率曲线，水泵在设计时应在额定流量时获得最大效率。

阀门开度减少时，受其节流作用，泵后管网流动阻力增加，水泵运行点沿恒转速曲线BD的A点上升到B点，使泵出口压力升高，流量减少。同时，水泵的工作效率沿曲线y1从最高点下降到M点，此时，耗电量减少不多而效率下降较大。如通过阀门控制流量从100%减少到70%时，出口压力H将由100%上升到110%，总效率由0.98降为0.80，由泵的轴功率公式可得，能耗只减少（100%×100%）/0.98－(70%×55%)/0.8＝60%。

总之，由流体力学可知，风机的流量Q与风机转速n的一次方成正比，风机的压力p与转速n的二次方成正比，而风机的功率p则与转速n的三次方成正比。

3. 节能效果分析。笔者于2011年8月对2号机组凝泵变频改造后的不同负荷段进行统计（表1），平均负荷为554 MW，平均负荷率为84%，对应凝结水泵电机电流为102 A；改造前工频方式下，相同负荷率下对应凝结水泵电机电流为202 A。综合考虑变频器小室内空调、照明等用电负荷，节约功率为850 kW，节约电能为850 kW·h。

表1 2号机组凝结泵工、变频运行工况对比

江苏大唐国际吕四港发电公司上网电价0.42元/ （kW·h），每小时节电约合人民币357元。按全年火电设备利用小时数6 000 h计算，每年每台凝结水泵约节约214.2万元。而改造1台凝结水泵变频器的成本约115万元。

4. 减少电机启动时的电流冲击。变频改造前，电机直接启动时最大启动电流大约为额定电流的7倍。采用变频调速以后，凝结泵启动时，转速从零逐渐平稳地升到所需转速，没有任何冲击，电流从零开始上升，不会超过额定电流，解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低日常的维护保养费用。

5. 延长凝结泵寿命。凝结水泵使用变频器，可使电机转速变化沿凝结泵的加减速特性曲线变化，没有应力负载作用于轴承上，延长了轴承的寿命，减少了机泵的启动冲击和机械摩擦、震动，改善了凝结泵的启动特性，延长了电动机的使用寿命。

四、结论

凝结泵变频调速改造节能效果明显，改造非常成功。同时，采用变频调速后，实现了电动机的软启动，电机的振动情况得到了改善，延长了电动机的寿命；凝结水泵调门全开，也减少了管道的振动与磨损，减少了维修量；随着电机耗能的下降，电机发热量也随之减少，电机的温升也在下降；变频调速运行时，由于小流量时转速低，降低了泵及系统的噪声，改善了运行环境；同时，调节手段变得简单、可靠，提高了自动装置的投入率。以上改造方案为江苏大唐国际吕四港发电有限责任公司创造了巨大的经济效益，也带来了社会效益，值得大力推广应用。