基于某600MW亞臨界機(jī)組凝結(jié)水泵的變頻改造分析

摘 要：文章從某電廠600MW亞臨界機(jī)組凝結(jié)水泵的運(yùn)行情況入手，分析了對(duì)其進(jìn)行變頻改造的必要性，在原有凝結(jié)水泵設(shè)備及運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了變頻設(shè)計(jì)和改造，同時(shí)闡述了改造后的運(yùn)行方式及對(duì)除氧器水位調(diào)節(jié)的影響，達(dá)到了降耗節(jié)能的目的，值得參考。

關(guān)鍵詞：600MW亞臨界機(jī)組；凝結(jié)水泵；變頻改造；分析

在電力電子技術(shù)以及現(xiàn)代通信和高壓電氣技術(shù)快速發(fā)展的背景下，高壓變頻技術(shù)已經(jīng)成為確保電力企業(yè)變頻設(shè)備工作狀態(tài)穩(wěn)定，以及有效節(jié)能的主要途徑。文章根據(jù)某600MW亞臨界機(jī)組凝結(jié)水泵的自我特性結(jié)合其運(yùn)行方式，合理地對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化改造，實(shí)踐證明，這種變頻改造不但使機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)更加穩(wěn)定，而且節(jié)能效果顯著，對(duì)提高電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有較強(qiáng)的實(shí)踐意義。

1 改造的必要性分析

從形式上看，伴隨電力體制的改革，電力行業(yè)已經(jīng)將傳統(tǒng)的經(jīng)營模式轉(zhuǎn)化成“廠網(wǎng)分開”的新的運(yùn)營機(jī)制，這種模式的市場競爭性明顯，而要在此種形式下達(dá)到企業(yè)利潤最大化，關(guān)鍵問題便集中在機(jī)組運(yùn)行成本的經(jīng)濟(jì)性是否明顯上；在當(dāng)前我國低碳節(jié)能背景下，只有有效降耗節(jié)能、降低生產(chǎn)成本，才能讓電力企業(yè)走上可持續(xù)的快速發(fā)展道路。從這個(gè)意義上講，機(jī)組的改造已迫在眉睫。

2 設(shè)備概述及當(dāng)前運(yùn)行方式

該廠有2臺(tái)600MW機(jī)組，汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)制造的亞臨界中間一次再熱、單軸、雙背壓、三缸四排汽、沖動(dòng)純凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為：N600-16.67/538/538，機(jī)組采用復(fù)合變壓運(yùn)行方式，汽輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。單臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)100%容量NLT500-570X4S立式筒型凝結(jié)水泵2臺(tái)，1臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用，由上海凱士比泵有限公司制造。凝結(jié)水泵設(shè)計(jì)流量為1628m3/h，軸功率1724kW，轉(zhuǎn)速1490rpm，必須汽蝕余量為5.2m，級(jí)數(shù)為四級(jí)；配套電機(jī)由上海電機(jī)廠生產(chǎn)，型號(hào)為YLKS630-4，額定電壓6kV，功率因數(shù)為0.89，額定功率2000kW。系統(tǒng)采用傳統(tǒng)配置，即除氧器水位由水位調(diào)節(jié)閥控制，由于機(jī)組經(jīng)常參與調(diào)峰運(yùn)行，滿負(fù)荷時(shí)間較短，除氧器水位調(diào)節(jié)閥開啟不足，由節(jié)流引起的凝結(jié)水壓力損失嚴(yán)重，凝結(jié)水泵偏離了經(jīng)濟(jì)區(qū)域運(yùn)行，較大的影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)同行業(yè)電廠的改造經(jīng)驗(yàn)分析，若將水泵改為變頻調(diào)速控制，則泵和電機(jī)的結(jié)構(gòu)均無需改變，一臺(tái)機(jī)組只需增加一臺(tái)變頻器即可。如此，調(diào)節(jié)閥便可長時(shí)間處于大開度狀態(tài)，大大減少了節(jié)流損失，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。

3 凝泵變速運(yùn)行節(jié)能的理論基礎(chǔ)

依照水泵的相似定律，即在相似（同時(shí)滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似與動(dòng)力相似）點(diǎn)處，水泵轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程和功率之間的關(guān)系如下：Q1/Q0=n1/n0；H1/H0=（n1/n0）2=（Q1/Q0）2；P1/P0=（n1/n0）3。其中，n0、Q0、H0、P0分別為水泵在額定工況下的轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程和功率；式中的n1、Q1、H1、P1分別為水泵在n1轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程和軸功率。由理論計(jì)算可知，改變較少的轉(zhuǎn)速，降低較大幅度的功率值，而流量、揚(yáng)程下降幅度較少。在凝結(jié)水泵變頻改造中，我們可以根據(jù)實(shí)際情況在保證凝結(jié)水泵汽蝕安全、電機(jī)振動(dòng)幅度安全、以及低負(fù)荷時(shí)出口壓力滿足系統(tǒng)要求的情況下，通過修改和降低母管壓力定值，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。雖然變速運(yùn)行時(shí)，凝泵效率曲線隨著轉(zhuǎn)速的改變也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，但通常情況下，當(dāng)凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速大于50%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，即可使其處于高效率運(yùn)行狀態(tài)。

4 凝泵變頻裝置選型

變頻調(diào)速改造的前提是保證機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，否則節(jié)能無從談起。因此，需要對(duì)變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率單元、冷卻系統(tǒng)及故障診斷等方面進(jìn)行分析和對(duì)比；同時(shí)，由于發(fā)電廠的廠用母線因備用電源自動(dòng)投入、大容量電機(jī)直接啟動(dòng)等原因，電壓波動(dòng)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(yùn)行；此外還要求變頻器的輸入、輸出諧波必須控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，不應(yīng)對(duì)廠用電系統(tǒng)的自身正常工作造成影響?；谝陨峡紤]，經(jīng)過公開的技術(shù)及商務(wù)評(píng)標(biāo)，最后中標(biāo)產(chǎn)品為符合上述條件的某品牌變頻器。該變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為功率單元串聯(lián)式多電平電壓源型，主要特點(diǎn)有：（1）對(duì)輸入電壓的要求不高，電壓波動(dòng)范圍在65%～115%均滿足系統(tǒng)要求；（2）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；（3）獨(dú)有的軟充電技術(shù)，減少了零部件數(shù)量，提高了可靠性和效率；（4）輸出電壓與電流波形接近正弦波，降低了對(duì)電機(jī)的沖擊；（5）采用壽命較長的薄膜電容來代替電解電容，降低了維護(hù)成本。

5 動(dòng)力方案選擇以及改造后的凝泵運(yùn)行方式

為了充分發(fā)揮變頻器的功效，該廠選用了手動(dòng)一拖二方式，一次原理圖如圖1。

圖1

其中，QF1、QF2為用戶原有凝結(jié)水泵斷路器，QS1、QS2為單刀單擲隔離開關(guān)，QS3、QS4為單刀雙擲隔離開關(guān)。QS1、QS2互鎖，即QS1合上時(shí)，QS2合不上；QS3、QS4互鎖，即QS3投到b點(diǎn)時(shí)，QS4不能投到b點(diǎn)。QS1、QS3聯(lián)鎖，即QS1合上時(shí)，QS3才能投到b位置；QS2、QS4聯(lián)鎖，即QS2合上時(shí)，QS4才能投到b位置。切換時(shí)，初始狀態(tài)為QF1斷開，QS1閉合。QS3投到b位置，QS4投到a位置。此時(shí)電機(jī)A為變頻就緒狀態(tài)，電機(jī)B為工頻就緒狀態(tài)。變頻就緒時(shí)，合QF1，運(yùn)行變頻器，此時(shí)電機(jī)A處于變頻運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)B處于工頻備用狀態(tài)；需要切換至電機(jī)B變頻運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，先斷開高壓開關(guān)QF1，再斷開QS1，將QS3投到a位置，此時(shí)電機(jī)A處于工頻備用狀態(tài)。斷開高壓開關(guān)QF2，再合上QS2、將QS4投到b位置，合高壓開關(guān)QF2，此時(shí)電機(jī)B處于變頻運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)A處于工頻備用狀態(tài)。此外，在檢修變頻器時(shí)，QS3（QS4）倒到a位置，斷QS1（QS2）。

變頻改造前，當(dāng)凝結(jié)水泵備用投入后，兩臺(tái)泵工頻互為備用，但不能并列運(yùn)行。改造后，兩臺(tái)泵變頻方式不作為備用，備用泵始終為工頻方式；從工頻到變頻切換時(shí)，只能手動(dòng)進(jìn)行切換；變頻和工頻可以并列運(yùn)行。凝泵變頻器不接受聯(lián)鎖啟動(dòng)指令，在參與除氧器水位控制時(shí)，初始指令為控制回路預(yù)置的10%指令。在原除氧器水位調(diào)閥切除自動(dòng)條件出現(xiàn)、變頻器重故障或變頻器停止時(shí)，自動(dòng)切除變頻調(diào)節(jié)自動(dòng)。

6 凝泵變頻器與除氧器水位調(diào)節(jié)閥切換過程

除氧器水位調(diào)節(jié)閥設(shè)有主路調(diào)門和輔路調(diào)門，并聯(lián)安裝在軸封冷卻器出口與8號(hào)低壓加熱器進(jìn)口管道之間；該廠凝結(jié)水額定流量為1628t/h，輔路調(diào)門設(shè)計(jì)流量最大為480t/h（約30%BMCR），主路調(diào)門設(shè)計(jì)流量為1540t/h。具體過程如下。

變頻器運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行人員將水位調(diào)節(jié)門手動(dòng)調(diào)至最大開度后，同時(shí)投入“除氧器水位調(diào)閥控制”自動(dòng)（主路調(diào)門或輔路調(diào)門任意一個(gè)投入）和“除氧器水位變頻控制”自動(dòng)，此時(shí)“除氧器水位調(diào)閥控制”將自動(dòng)切換到慢速模式，調(diào)閥根據(jù)除氧器水位緩慢動(dòng)作或者不動(dòng)，除氧器水位主要通過凝泵變頻來調(diào)節(jié)。

變頻器故障時(shí)，可自動(dòng)切除“除氧器水位變頻控制”自動(dòng)，此時(shí)工頻泵聯(lián)鎖啟動(dòng)，若“除氧器水位調(diào)節(jié)門控制”在自動(dòng)方式，調(diào)節(jié)門控制將自動(dòng)切換到快速調(diào)節(jié)模式，除氧器水位主要通過調(diào)節(jié)閥開度變化來調(diào)節(jié)。此外，運(yùn)行人員也可以將“除氧器水位調(diào)節(jié)門控制”置手動(dòng)，自己確定調(diào)節(jié)閥開度，待除氧器水位穩(wěn)定后再投入自動(dòng)。

工頻泵切換到變頻泵時(shí)，在變頻啟動(dòng)條件具備后，切除凝結(jié)水泵備用投入，手動(dòng)啟動(dòng)變頻器，變頻器接受10%預(yù)置指令啟動(dòng)。當(dāng)變頻器啟動(dòng)正常后，運(yùn)行人員通過手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器使該凝泵出口壓力接近運(yùn)行泵出口壓力（2-3.2MPa），確認(rèn)出力后采用中停方式逐步關(guān)閉工頻泵出口電動(dòng)門，手動(dòng)加大變頻出力--此過程中除氧器水位調(diào)閥可以投入自動(dòng)，待出力穩(wěn)定后停止工頻泵運(yùn)行，然后將“除氧器水位調(diào)閥控制”切為手動(dòng)，視除氧器水位情況投入變頻調(diào)節(jié)自動(dòng)，待水位穩(wěn)定后，逐步將調(diào)閥手動(dòng)開到最大開度再投入自動(dòng)。當(dāng)凝結(jié)水流量大于30%BMR時(shí)，除氧器水位控制三沖量（總給水流量為前饋、凝結(jié)水流量為反饋，除氧器水位為被調(diào)量）調(diào)節(jié)回路起作用。在三沖量切換之前，變頻方式下，運(yùn)行人員可以選擇變頻控制手動(dòng)或自動(dòng)，調(diào)節(jié)閥手動(dòng)；工頻方式下，調(diào)節(jié)控制和改造前一致。機(jī)組啟動(dòng)低流量過程中，將除氧器水位調(diào)閥投自動(dòng)以控制除氧器水位，變頻器由運(yùn)行人員手動(dòng)控制以保證減溫水等壓力。變頻器運(yùn)行頻率下限在調(diào)試中根據(jù)凝泵運(yùn)行工況（振動(dòng)等）確定。

7 變頻改造后的節(jié)能效果分析

目前該廠凝泵變頻改造已完成并投入運(yùn)行，從一年多的運(yùn)行情況來看，凝泵加裝變頻裝置是十分成功的，變頻裝置工作穩(wěn)定，節(jié)能效果非常明顯，完全達(dá)到了預(yù)期目的。

圖2為1號(hào)機(jī)組凝結(jié)水泵變頻改造后的有功功率耗差圖。從圖中可明顯看出凝泵改造前后在每個(gè)有功功率處功耗的差異，其最大功耗差達(dá)到940kw，可見改造后的節(jié)能效果是明顯的。

變頻改造后，凝結(jié)水泵的各發(fā)電負(fù)荷段近似節(jié)能表如下。

根據(jù)上述改造后的有功功率功耗差以及各發(fā)電負(fù)荷段的節(jié)能值，可計(jì)算其具體節(jié)能情況。以某年全年的電能情況計(jì)算，改造后的節(jié)約電量，即各負(fù)荷段的運(yùn)行小時(shí)數(shù)×相應(yīng)時(shí)間段的節(jié)能負(fù)荷的數(shù)值，具體為： 900×2522+860×570+701×595+414×1033+374×744+25×383=389.2588萬KWh；同時(shí)在此基礎(chǔ)上，以該年1號(hào)機(jī)組凝結(jié)水泵耗電量為1091.03萬KWh計(jì)算，可得出凝結(jié)水泵改造后的節(jié)電量達(dá)到了35.66%，除去相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)誤差，改造后的節(jié)電量可達(dá)到30%，節(jié)省費(fèi)用達(dá)一百多萬元，預(yù)計(jì)正常運(yùn)行一年半即可收回投資。

8 改造中的建議

在該廠的改造調(diào)試過程中，我們還總結(jié)出如下幾點(diǎn)以供參考：（1） 電力電子器件對(duì)溫度和環(huán)境比較敏感，應(yīng)考慮做好變頻器的防塵以及散熱措施，并加強(qiáng)變頻器裝置及其輔助系統(tǒng)的維護(hù)工作，確保不發(fā)生因變頻系統(tǒng)故障而發(fā)生的異常和安全事故； （2） 在變頻器使用中，要認(rèn)真做好事故預(yù)想和技術(shù)措施， 熟練掌握變頻方式下各種事故的處理方法，減少事故擴(kuò)大的可能。特別是機(jī)組在突遇甩負(fù)荷時(shí)尤其在低負(fù)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(dòng)啟動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行后，要及時(shí)關(guān)小除氧器水位調(diào)節(jié)閥，以防止發(fā)生除氧器滿水事故。 （3） 由于凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)子細(xì)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。（4）在實(shí)際運(yùn)行中，繼續(xù)探索變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)各種參數(shù)的合理性和準(zhǔn)確性，利用實(shí)際運(yùn)行進(jìn)一步調(diào)整各參數(shù)到最合適范圍，提高節(jié)能效果和安全系數(shù).

9 總結(jié)

機(jī)組凝結(jié)水泵的變頻改造是提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，適應(yīng)我國低碳節(jié)能發(fā)展趨勢的重要途徑。本文對(duì)傳統(tǒng)的凝結(jié)水泵進(jìn)行了變頻改造，在實(shí)施過程中對(duì)容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)作了充分考慮；從改造后的實(shí)際效果來看，泵體振動(dòng)幅度在安全范圍內(nèi)，變頻器控制穩(wěn)定，除氧器水位調(diào)節(jié)平穩(wěn)，低負(fù)荷時(shí)凝泵出口母管壓力滿足系統(tǒng)要求；此改造降低了凝泵的能耗，大大減少了閥門節(jié)流造成的損失，降低了調(diào)節(jié)閥動(dòng)作頻率，提高了調(diào)節(jié)閥的可控性和調(diào)節(jié)品質(zhì)，為機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了有力的保障，值得在火力發(fā)電廠中大力推廣應(yīng)用。

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