9FA燃气-蒸汽多轴联合循环机组的凝结水泵变频改造

柳超，王建伟，刘建刚

（神华浙江国华余姚燃气发电有限责任公司，浙江余姚315400）

9FA燃气-蒸汽多轴联合循环机组的凝结水泵变频改造

柳超，王建伟，刘建刚

（神华浙江国华余姚燃气发电有限责任公司，浙江余姚315400）

介绍浙江某发电厂9FA燃气-蒸汽多轴联合循环机组凝结水泵的变频改造设计方案，对改造前后凝结水泵实际运行参数进行对比，作出节能效果分析。

燃气轮机；凝结水泵；变频改造；节能

0 引言

随着商业化运营的实施，发电厂的节能降耗日显重要。火力发电厂的凝结水泵在设计时一般按照机组最大出力，往往在选型时留有足够的裕量，但是随着机组数量增多和机组负荷率下降，火电机组长期处于中低负荷运行，导致凝结水泵往往在实际运行中只带了部分甚至很少负荷，偏离经济运行工况，造成巨大的电能浪费。而对燃气型的调峰机组而言，其上网电价与气价均较高，节省厂用电将会带来十分可观的经济效益。因此，某燃气-蒸汽联合循环电厂对其凝结水泵进行了高压变频改造，通过调节变频调速装置的输出频率改变电机的转速，从而满足负荷工况变化的需求，大大提高了运行效率，达到节能的目的，获得了良好的经济效益。

1 变频器节能原理

异步感应电动机的转速n与电源频率f、转差率s、电机极对数p等参数有如下关系：

由上式可以看出，改变电源频率f可以达到改变电动机转速n的目的。在异步感应电动机的设计制造完成后，虽然在带负载运行过程中由于负载变化，滑差率会略有变化，但是由于凝结水泵对转速精度要求不高，因此可以近似认为水泵转速与其电机定子电源频率成线性关系。

对于水泵，由流体动力学理论可以知道，流量与转速的一次方成正比；扭矩与转速二次方成正比；而泵的功率则与转速的三次方成正比。因此通过降低水泵转速可以降低水泵消耗的功率。

发电厂厂用电动机的负载都是随着机组负荷的变化而不断变化的，为了实现准确控制，一般采用控制阀门开度的方法，因此损失了大量电能。变频器能根据电动机的负载特性，通过改变电动机电源频率来改变水泵的转速，以适应所需压力、流量等参数的要求，避免了阀门开度造成的节流损失。当水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此凝结水泵在稳定运行时，尤其是低负荷阶段时的节电效果十分明显。

2 凝结水泵变频改造前状况

某燃机发电厂一期工程装机容量1×780 MW，选用美国GE公司生产的S209FA型“二拖一”燃气-蒸汽联合循环发电机组，即由2套燃气轮机分别带2台250 MW发电机和2台余热锅炉；2台余热锅炉产生的蒸汽供1台280 MW凝汽式汽轮机组。整套机组既可采用1套燃机余热锅炉带汽轮机的“一拖一”运行方式，也可采用2套燃机余热锅炉带汽轮机的“二拖一”运行方式。

整套机组配备2台按“二拖一”满负荷780 MW运行工况设计的100%容量定速凝结水泵，以母管制方式向2台余热锅炉供水，依靠余热锅炉低压给水调节阀控制水量。正常运行时，凝结水泵1台运行1台备用。凝结水泵型号为9.5LDTN-4P，电机型号为YLKK560-4，每台最大流量为1 035 t/h，电机额定容量1 250 kW，额定电流136.3 A，详细参数见表1。每台余热锅炉额定蒸发量为360 t/h。因机组无回热抽汽系统，所以每台余热锅炉的凝结水需要量和蒸发量基本相等；机组以“二拖一”方式运行时，额定负荷下的凝结水流量为750 t/h，相应的凝结水泵电流约为122 A，功率约1 200 kW；当机组以“一拖一”方式运行时，额定负荷下的凝结水流量为360 t/h，凝结水泵电流约100 A，功率约为900 kW。

表1 凝结水泵主要技术参数

由于机组主要用于调峰运行，设计年运行小时数为3 500 h。为了尽可能发挥机组的调峰作用，机组以“一拖一”方式运行的时间较长，“二拖一”方式运行小时数不足三分之一。因此凝结水泵长期处于40%以下负荷运行，能耗损失较大。

3 凝结水泵变频改造实施方案

本着“最小改动、最大可靠性、最优经济性”的改造原则，对凝结水泵增设1套DHVECTOLDI01600/06高压变频调速装置，以实现0～50 Hz无级调速，功耗随机组负荷变化而变化，提高设备利用率，达到最佳经济运行模式的目的。改造原理如图1所示。

图1 凝结水泵变频改造原理

图1中，QF1和QF2为原用户6 kV小车式断路器，虚线框内及变频器为新增设备。QS1和QS2为单刀单掷隔离开关，QS3和QS4为单刀双掷隔离开关，为防止人员误操作、保证同一时刻只有1台凝结水泵处于变频状态，该装置设有各种闭锁，主要有：

（1）QS1与QS2互锁，即QS1合上时，QS2合不上。

（2）QS3与QS4互锁，即QS3投到b点时，QS4不能投到b点。

（3）QS1与QS3联锁，即QS1合上时，QS3才能投到b位置。

（4）QS2与QS4联锁，即QS2合上时，QS4才能投到b位置。

以电动机A为例，其操作顺序为：

工频切变频操作过程：先断开QF1，再合上隔离刀闸QS1，将隔离刀闸QS3投变频位置，然后运行变频器，变频器充电完成后自动合上QF1，变频器带电机变频运行。

变频切工频操作过程：先停止变频器，变频器频率降低至0 Hz后自动断开QF1；再将隔离刀闸QS3投工频位置，再断开隔离刀闸QS1，最后合上QF1，电机工频运行。

检修变频器时，断开QF1和QF2并摇开手车开关至试验位置，再把QS3和QS4置于工频位置，断开QS1和QS2。

若凝结水泵A选择变频模式、凝结水泵B选择工频模式，首先选择A泵变频方式，变频器发出变频准备就绪信号后，DCS（分散控制系统）给变频器发运行指令，变频器开始充电。充电完成后，变频器发出QF1合闸指令，QF1合闸后，A泵开始变频运行。从给变频器发运行指令开始，到变频器开始运行一共需25 s。如果A泵或变频器发生故障，立即分断6 kV用户开关QF1，变频器停止输出，B泵备投工频运行。故障排除后，将A泵变频启动，正常后停B泵，A泵以变频运行。如果变频器收到停机指令，即从当前运行频率开始降速，降到0 Hz后，变频器发QF1分闸指令，QF1分断；变频器收到紧急停机指令后，立即发QF1分闸指令，QF1分断，A泵停运。

当凝结水泵变频运行后，调节凝结水流量的调节阀门可以完全打开，凝结水再循环系统关闭，并由变频器或DCS控制凝结水泵的电动阀门，实现变频水泵与电动阀门的联动。联动逻辑为：变频水泵启动前，凝结水泵出口电动阀全关；当DCS向变频器发出启动指令后，水泵转速逐渐加快，泵出口水压相应升高，当水压大于阀外侧管网水压时，变频器发出开阀指令，阀门打开；当阀门全开后向变频器返回阀门全开信号，变频器进入正常运行状态，即可根据凝结水母管压力自动调节凝结水泵转速，正常运行时控制凝结水母管压力在2.5 MPa，运行人员可输入相应的偏置值进行调整，但偏置后的压力控制在最高3.7 MPa、最低2.0 MPa。

同时，考虑到原凝结水泵的MM200A+综合保护装置是一体式的，能够保护6 kV开关、电缆以及就地电动机绕组；变频改造后，相当于在6 kV开关和电动机之间增加了1道断口，原先的保护已不能满足改造后的接线方式。因此，在变频装置的上、下游区段设置了独立的保护装置，将原MM200A+综合保护装置更换为南瑞RCS-9626CN型保护装置，并在变频小室内配置四方CSC-236B型保护装置。

4 凝结水泵变频改造后的节能效果

由于该厂机组主要用于电网调峰运行，全年三分之二以上运行时间处于“一拖一”运行状态，同时考虑到机组“二拖一”运行时凝结水泵已接近额定工况运行，因此凝结水泵变频改造后主要用于机组“一拖一”情况。通过就地抄表及PI（生产实时数据）系统取均值，在“一拖一”联合循环运行时对凝结水泵变频及工频模式下相关数据的统计如表2所示。

表2 凝结水泵变频与工频模式相关数据

该厂6 kV厂用电电压为6.3 kV，凝结水泵电机功率因数取0.85，根据表2，可以分别计算出凝结水泵在工频与变频模式下的耗电量：

工频模式运行时，耗电量=1.732×6 300×102× 0.85≈939.5 kWh/h。

变频模式运行时，耗电量=1.732×6 300×58× 0.85≈537.9 kWh/h。

由此可以看出，凝结水泵采取变频运行后，每小时节电量为401.6 kWh。

2012年该厂机组不同运行方式的小时数统计如表3所示。

表3 2012年机组运行方式小时数统计

凝结水泵加装高压变频器后，按该厂2012年全年“一拖一”满负荷运行小时数4 260 h来计算，全年可节约厂用电量=（939.5－537.9）×4 260= 1 710 816 kWh，以当前发电煤耗232.3 g/kWh来计算，相当于全年可节约标煤量=1 704 582× 232.3=396 037 120 g＝396.04 t。

以当前该厂上网电价0.904元/度计算，则实施凝结水泵变频改造后，相当于该厂全年至少可增收154.7万元，仅需1年左右就能收回成本。因此，凝结水泵变频改造的投入产出效能比是显而易见的。

另一方面，凝结水泵加装变频器后还可实现软启动，启泵时电流从零开始，随着转速增加而上升，基本没有大的冲击，停泵时电流逐渐降低至零，大大改善了凝结水泵的启停性能。同时，变频运行可以改善凝结水系统工作性能，在机组稳定运行尤其是低负荷期间，可以大大降低凝结水压力，减少对凝结水管道系统的冲击，避免发生因凝结水压力过大而损坏凝结水管道法兰，并有效解决了凝结水阀门和管道振动及噪音大的问题，延长设备使用寿命，减少设备故障率，降低检修维护费用，大大提高发电企业的综合经济效益，保证机组安全稳定经济运行。

5 结语

该厂凝结水泵实施变频改造以来，运行稳定，各项指标参数不仅能满足机组运行的正常需要，而且具有良好的节能效果，获得可观的经济效益。通过变频运行方式的优化，改善了设备性能，提高了发电企业综合经济效益，效果显著。

[1]张树国，李栋，胡竞.变频调速技术的原理及应用[J].节能技术，2009，27(1)∶83-86.

[2]张棕桐.变频器应用与配套技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

（本文编辑：徐晗）

Frequency Conversion Transformation of Condensate Pump in 9FA Gas and Steam Combined Cycle Units with Multiple Shafts

LIU Chao，WANG Jianwei，LIU Jiangang
（Shenhua Zhejiang Guohua Yuyao Gas Power Generation Co.，Ltd.，Yuyao Zhejiang 315400，China）

This paper introduces a design scheme for frequency conversion transformation of condensate pump in 9FA gas and steam combined cycle units with multiple shafts in a power plant of Zhejiang；it analyzes energy-saving effect by comparing the actual operation parameters of the condensate pump before and after transformation.

gas turbine；condensate pump；frequency conversion transformation；energy-saving

TK264.1+2

：B

：1007-1881（2014）06-0048-04

2013-11-27

柳超（1980-），男，湖北武汉人，工程师，从事发电厂燃气轮机集控运行工作。