高壓變頻技術(shù)在凝結(jié)水泵調(diào)速改造中的應(yīng)用

趙朝陽, 戴超超

(1.浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司,嘉興 314201;2.浙江浙能嘉興發(fā)電有限公司,嘉興 314201)

嘉興電廠4號機組為600 MW國產(chǎn)亞臨界機組,配置2臺凝結(jié)水泵,一用一備,為立式多級離心泵,配套 ABB生產(chǎn)的高壓電動機,功率為 2 100 kW,額定電壓為6 kV,額定電流為240 A,轉(zhuǎn)速為1 490 r/min.

兩臺凝結(jié)水泵技術(shù)改造前屬于定速運行方式,機組運行時凝結(jié)水流量由DCS系統(tǒng)根據(jù)除氧器水位自動控制調(diào)節(jié)閥的開度進行控制.運行負荷越低,相應(yīng)調(diào)節(jié)閥的開度越小,這必然造成系統(tǒng)管網(wǎng)的阻力增大,導(dǎo)致節(jié)流損失明顯增加,浪費了大量電能.運行過程中調(diào)節(jié)閥因頻繁動作而極易損壞,對機組運行可靠性產(chǎn)生較大影響.因此,有必要對凝結(jié)水泵進行技術(shù)改造、以降低能耗,提高可靠性.該變頻改造項目就是在這種背景下提出的.筆者分析了裝置選型、動力方案、控制邏輯及經(jīng)濟性等幾個方面,并針對“功率單元旁路”和“工頻旁路”提出了見解.

1 裝置選型

變頻裝置選型前應(yīng)著重關(guān)注以下幾個方面:

(1)變頻裝置的可靠性.變頻調(diào)速改造的前提是保證機組運行的穩(wěn)定與可靠性,否則節(jié)能無從談起.因此,需要對變頻器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)、功率單元、冷卻系統(tǒng)及故障診斷等方面進行分析和對比.

(2)變頻器的輸入電壓波動范圍要寬.發(fā)電廠的廠用母線因備用電源自動投入、大容量電機直接啟動等原因,電壓波動較大,因此要求變頻器能在較寬的電壓范圍內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定運行.

(3)功率單元“旁路技術(shù)”的取舍.為了增強可靠性,現(xiàn)在有了功率單元“旁路技術(shù)”,即某個功率單元發(fā)生故障,該單元輸出端自動旁路,變頻器可以繼續(xù)運行[1].其關(guān)鍵是采用中性點漂移技術(shù),此時變頻器的容量必定下降,整機將“降額使用”,但在功率單元旁路的情況下變頻器的運行時間幾乎為零,出現(xiàn)單元故障時的首要任務(wù)是將變頻器停役,并查明原因;而且,由于旁路技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一定程度上反而降低了變頻器本身的可靠性,因此“單元旁路”技術(shù)可不選擇.

(4)考慮諧波的影響.輸出、輸入諧波必須控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi),不應(yīng)對廠用電系統(tǒng)的自身正常工作造成影響.

基于以上考慮,經(jīng)過公開的技術(shù)及商務(wù)評標(biāo),最后中標(biāo)產(chǎn)品為日立變頻器,其拓撲結(jié)構(gòu)為功率單元串聯(lián)式多電平電壓源型,該裝置的特點主要有:①電源高次諧波含量低,采用串聯(lián)多重整流方式抑制輸入端高次諧波,無需配置諧波濾波器等裝置,完全滿足高次諧波的規(guī)定;②獨有的“軟充電”技術(shù),減少了零部件數(shù)量,可提高可靠性和效率;③輸出電壓與電流波形接近正弦波,降低了對電動機的沖擊;④采用壽命較長的薄膜電容來代替電解電容,降低了維護成本;⑤對輸入電壓的要求不高,電壓波動范圍在65%～115%;⑥移相變壓器和功率單元柜可以分開設(shè)置,安裝的場所選擇比較自由.

2 動力方案

2.1 “一拖一”方案

不少單位在變頻改造中,為了充分發(fā)揮變頻器功效,都選用了“一拖二”方案,即1臺變頻器可以分別拖動2臺電機.文獻[2]指出,“一拖二”方案容易出現(xiàn)變頻泵跳閘后無法連鎖啟動備用泵,而且系統(tǒng)和控制邏輯相對復(fù)雜,設(shè)備故障概率大.綜合以上情況,從機組運行安全性、供水系統(tǒng)可靠性及運行方式考慮,確定采用“一拖一”的方案,即1臺凝結(jié)水泵采用變頻運行,另1臺凝結(jié)水泵采用工頻運行方式.

2.2 工頻旁路的“自動”與“手動”

備用工頻系統(tǒng)若設(shè)計為“自動”,則旁路必須采用斷路器,設(shè)備占用空間較大,且該斷路器始終帶電運行,因此必須安裝防止誤操作的連鎖裝置.當(dāng)變頻器上方斷路器無論因何種原因跳閘時,都應(yīng)該首先停運相應(yīng)的凝結(jié)水泵,隔離變頻器,并進行系統(tǒng)檢查,同時應(yīng)將工頻備用泵自動連鎖投入,而不應(yīng)在變頻器跳閘后原變頻泵繼續(xù)在工頻狀態(tài)下運行.因此,工頻旁路“手動”模式已經(jīng)足以實現(xiàn)所需要的功能.圖1為變頻器“一拖一”“手動”旁路方案示意圖.在圖1中,K1、K2為手動閘刀,且K 2采用單刀雙擲,操作簡單、可靠.

圖1 變頻器“一拖一”“手動”旁路方案示意圖Fig.1 Converter bypass scheme of“ one-to-one” “ manual”control mode

3 控制邏輯

凝結(jié)水泵變頻調(diào)速技術(shù)改造的另一個關(guān)鍵是對凝結(jié)水控制系統(tǒng)進行優(yōu)化,基本思路是:變頻器依靠轉(zhuǎn)速控制除氧器水位,當(dāng)凝結(jié)水管道的壓力低于設(shè)定值時,調(diào)節(jié)閥參與調(diào)節(jié),保證系統(tǒng)壓力正常;備用凝結(jié)水泵B自動跟蹤不同負荷段除氧器水位對應(yīng)的調(diào)節(jié)閥開度,當(dāng)凝結(jié)水泵A變頻器故障退出時,首先讓調(diào)節(jié)閥調(diào)整到一定的開度,再聯(lián)動凝結(jié)水泵B,使系統(tǒng)的擾動降低.

(1)由于除氧器水位具有滯后及大慣性等特點,并存在時變性和不確定性等因素,為保證在負荷大變化、全過程運行中,不間斷地投入除氧器水位自動控制,增加的凝結(jié)水泵A的轉(zhuǎn)速控制自動回路與原調(diào)節(jié)閥控制一樣采用三沖量調(diào)節(jié).原除氧器水位調(diào)節(jié)閥控制全部保留,作為調(diào)節(jié)的后備手段,正常工況處于合適開度,以保證調(diào)節(jié)的靈活性[3].

(2)除氧器調(diào)節(jié)閥控制增加切手動的條件(凝結(jié)水泵A轉(zhuǎn)速控制在自動狀態(tài)),增加凝結(jié)水泵A跳閘啟動凝結(jié)水泵B時(用凝結(jié)水泵連鎖投入和凝結(jié)水泵A跳閘信號采用脈沖量),超馳關(guān)小調(diào)節(jié)門至一定開度,在閥門開度與設(shè)置指令相差在一定范圍內(nèi)(發(fā)脈沖量)時,將除氧器調(diào)節(jié)閥投入自動調(diào)節(jié).

(3)在凝結(jié)水泵A啟動允許條件中,增加凝結(jié)水泵A變頻允許啟動和凝結(jié)水泵A工頻允許啟動信號(只需其中之一條件滿足即可).變頻運行且變頻故障就地有保護跳閘,DCS不增加此保護邏輯.

(4)當(dāng)凝結(jié)水泵A變頻運行時,凝結(jié)水壓力下降較多,原凝結(jié)水泵A出口壓力低且凝結(jié)水流量低Ⅱ值保護跳閘邏輯中的壓力低定值需根據(jù)調(diào)試中所確定的、合理的工作壓力進行修改.

4 經(jīng)濟性分析

文獻[4]和[5]從流體機械的角度分析了變頻改造后的耗電量,本文從電氣的角度對耗電量進行了統(tǒng)計,以分析節(jié)能效果.

變頻器經(jīng)改造后,凝結(jié)水運行壓力由原來的3.5 MPa降至1.5 MPa,兩個調(diào)節(jié)閥門中一個保持全開,一個保持70%的開度.基于這種運行工況,穩(wěn)定運行一段時間后,對變頻器的經(jīng)濟性進行了統(tǒng)計分析.電廠4號機組與3號機組容量相同,凝結(jié)水泵的工作方式完全一樣.表1為凝結(jié)水泵在變頻器改造后的經(jīng)濟性分析.

表1 凝結(jié)水泵在變頻器改造后的經(jīng)濟性分析Tab.1 Economical analysis for condensate pump after variable-frequency retrofit

在表1中,電流數(shù)據(jù)從6 kV斷路器端統(tǒng)計,其中變頻器的損耗包含在凝結(jié)水泵的損耗中一并考慮,從表1中的電流數(shù)據(jù)可以定性看出:機組負荷越低,變頻器的節(jié)能效果越明顯.表1中的耗電量是機組不同負荷率下的統(tǒng)計數(shù)據(jù),由此可定量得出,變頻器改造后一個月的電量比改造前節(jié)約了(1 031 040×0.82/0.78-713 760=370 154)kW ?h,若考慮機組一年的平均負荷率為70%,則變頻器一年的節(jié)能為(370 154×0.7×12/0.82=3 791 821)kW?h,按照上網(wǎng)電價0.3元/(kW?h)計算,則一年可節(jié)約(3 791 821×0.3=1 137 546)元.該臺變頻裝置改造的全部投資為220萬元,由此測算,投資回報2年即可實現(xiàn),變頻器的經(jīng)濟性能比較顯著.

5 改造中的建議

(1)由于凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)子細長,調(diào)試中要注意尋找變頻器的工作頻率與泵體的固有頻率之間的“共振區(qū)”,在控制策略上加以避開.

(2)電力電子器件對溫度和環(huán)境比較敏感,應(yīng)單獨設(shè)置清潔小室供變頻器使用,并做好散熱措施.

(3)在變頻器使用中,要認真做好事故預(yù)想和技術(shù)措施.在機組啟動期間或在低負荷時應(yīng)將除氧器補水調(diào)節(jié)投自動或手動,并保持變頻器合適的輸出以保證凝結(jié)水泵出口壓力;運行中注意加強監(jiān)視變頻器調(diào)節(jié)情況,如當(dāng)水位波動較大時,可退出變頻器自動,將除氧器補水調(diào)節(jié)閥投自動[6];機組在突遇甩負荷時應(yīng)及時將變頻器自動切換至除氧器補水調(diào)節(jié)自動或手動,尤其在低負荷發(fā)生凝結(jié)水泵變頻器故障跳閘,在備用工頻凝結(jié)水泵自動啟動或手動啟動運行后,要及時關(guān)小除氧器補水調(diào)節(jié)閥,以防止發(fā)生除氧器滿水事故.

(4)凝結(jié)水母管壓力主要受給水泵密封用水和高壓加熱器保護用水等限制,建議可以通過加裝給水泵密封水升壓泵等措施[7],使閥門盡可能達到全開,確保能量損失最小.需要注意的是:在確定了節(jié)能最大狀態(tài)后,與之相對應(yīng)的控制策略和定值也要進行更改.

6 結(jié)束語

該廠凝結(jié)水泵變頻器經(jīng)改造后,系統(tǒng)運行十分穩(wěn)定,不僅取得了顯著的經(jīng)濟效益,而且凝結(jié)水系統(tǒng)控制性能良好,水位調(diào)節(jié)穩(wěn)定可靠,大大降低了機組的故障率.

在這次凝結(jié)水泵變頻器改造調(diào)試中,未曾最大限度地降低母管壓力,有待今后作進一步探索和研究.

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