火電廠中凝結(jié)水泵應(yīng)用變頻技術(shù)的節(jié)能分析

劉增遠(yuǎn)，康 博，張同亮

(1. 西北電力設(shè)計院，陜西 西安 710075；

2. 國電巴楚發(fā)電有限公司，新疆 巴楚 843800)

火電廠中凝結(jié)水泵應(yīng)用變頻技術(shù)的節(jié)能分析

劉增遠(yuǎn)1，康 博1，張同亮2

(1. 西北電力設(shè)計院，陜西 西安 710075；

2. 國電巴楚發(fā)電有限公司，新疆 巴楚 843800)

根據(jù)火電廠凝結(jié)水工藝系統(tǒng)的特點，本文提出了凝結(jié)水泵電機采用變頻調(diào)速技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計原則。在此基礎(chǔ)上，分析了一拖二帶工頻旁路方案的三種典型接線形式，梳理了除氧器水位控制邏輯和變頻調(diào)節(jié)的控制策略。最后以某電廠凝結(jié)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)為實例，研究了變頻調(diào)速系統(tǒng)運行方式和安全工作方式，分析了節(jié)能效果。分析結(jié)果顯示，凝結(jié)水泵變頻調(diào)速技術(shù)可以大大的節(jié)約能源，取得很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，值得在火力發(fā)電廠中大面積推廣。

凝結(jié)水泵；變頻調(diào)速技術(shù)；節(jié)能；設(shè)計；發(fā)電廠。

1 概述

隨著全球經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，人均能耗不斷升高，節(jié)能降耗成為越來越重要的課題。目前，我國火電廠中泵與風(fēng)機的運行效率比世界發(fā)達(dá)國家水平大約低20%，研究一種先進(jìn)的節(jié)能降耗技術(shù)毫無疑問可以有效推進(jìn)我國的節(jié)能降耗工作。

火電廠中凝結(jié)水泵的變頻調(diào)節(jié)方式與擋板或閥門調(diào)節(jié)方式有著非常突出的優(yōu)點：首先變頻裝置響應(yīng)的速度很快，可以隨時根據(jù)現(xiàn)場的變化而靈活調(diào)整，其次避免了節(jié)流損耗，起到了節(jié)能降耗的作用。除此之外，因為閥門或出口擋板不起調(diào)節(jié)作用，可以提高其使用壽命，因此，各種變頻裝置在火電廠中凝結(jié)水泵的節(jié)能應(yīng)用越來越廣泛。

2 凝結(jié)水工藝系統(tǒng)簡介

火電機組凝結(jié)水泵的作用是把凝汽器熱井中的凝結(jié)水經(jīng)低壓加熱器打入除氧器，既維持凝汽器熱井水位穩(wěn)定又保證除氧器中的水量，既要滿足生產(chǎn)工藝要求又不能造成電能的浪費，因此，保證凝結(jié)水泵的安全可靠運行顯得至關(guān)重要。

火力發(fā)電廠中，凝結(jié)水泵的配置一般有三種：

(1)2×50%配置，50%容量的泵在50%THA及以下1臺泵運行，50%THA以上2臺泵運行。

(2)2×100%配置，100%容量的泵始終一臺運行，一臺備用。

(3)3×50%配置，50%容量的泵在50%THA及以下1臺泵運行，50%THA以上2臺泵運行，一般情況下兩臺運行，一臺備用。；

圖1為典型的2×100%配置方案凝結(jié)水系統(tǒng)簡圖

發(fā)電機運行時，凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥開度見表1。由該表可看出，凝結(jié)水泵電機長期處于重度節(jié)流狀態(tài)，會造成大量電能浪費，使用效率非常低。

表1 輕負(fù)荷下的凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥開度

3 凝結(jié)水泵電機采用變頻調(diào)速技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計原則

根據(jù)工藝系統(tǒng)配置特點，凝結(jié)水泵電機采用變頻調(diào)速技術(shù)的系統(tǒng)可按如下原則設(shè)計：

(1) 當(dāng)工藝系統(tǒng)為2×50%配置時，變頻調(diào)速系統(tǒng)一般采用一臺變頻裝置拖動一臺電機的一拖一方式，宜配置工頻旁路開關(guān)。

(2) 當(dāng)工藝系統(tǒng)為2×100%配置時，變頻調(diào)速系統(tǒng)可采用一臺變頻裝置拖動兩臺電機的一拖二(帶工頻旁路)方式，也可采用一臺變頻裝置拖動一臺電機的一拖一(不帶工頻旁路開關(guān))方式。

(3) 當(dāng)工藝系統(tǒng)為3×50%配置時，變頻調(diào)速系統(tǒng)可采用一拖一(帶工頻旁路)+一拖二(帶工頻旁路)方式，也可3臺全配一拖一(不帶工頻旁路)方式。

4 凝結(jié)水泵電機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案分析

4.1 電氣設(shè)計方案分析

總體來說，凝結(jié)水泵電機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案可分為一拖一帶工頻旁路方案和一拖二帶工頻旁路方案兩種，一拖一帶工頻旁路方案較為簡單，下面主要介紹一拖二帶工頻旁路方案。

一拖二帶工頻旁路方案按電氣系統(tǒng)不同配置組合方式一般有以下三種典型接線：

典型接線一采用三臺母線上饋線開關(guān)、四臺變頻系統(tǒng)切換開關(guān)和一臺高壓變頻裝置組成，兩臺凝結(jié)水泵以工頻運行時分別接在不同高壓工作段上，以變頻運行時只能從固定的一段取電源。工頻、變頻的切換集中在切換開關(guān)柜處，正常運行時不需操作母線上饋線開關(guān)。

典型接線二采用三臺母線上饋線開關(guān)、兩臺變頻系統(tǒng)切換開關(guān)和一臺高壓變頻裝置組成，節(jié)省兩臺接觸器，功能與方案一基本 相同。但工頻、變頻的切換需操作母線上饋線開關(guān)，存在變頻控制系統(tǒng)與廠用電源控制系統(tǒng)的接口。

典型接線三采用兩臺母線上饋線開關(guān)、六只切換開關(guān)組成。兩臺凝結(jié)水泵工頻、變頻運行時均分別接在不同高壓工作段上，便于高壓系統(tǒng)負(fù)荷平衡，工頻、變頻的切換集中在切換開關(guān)柜處。由于切換開關(guān)數(shù)量較多，當(dāng)需要節(jié)約投資時也可采用刀閘，但由于刀閘不能帶負(fù)荷操作，故需斷開斷路器進(jìn)行切換操作，切換復(fù)雜。

由于在工頻與變頻之間切換時需先調(diào)節(jié)閥門開度再進(jìn)行切換，以防止直接切換時出力變化大對工藝系統(tǒng)造成的沖擊，同時大部分制造廠在工頻與變頻自動切換時的同步問題解決存在較大困難，故對于工頻與變頻之間的切換大部分采用手動切換。

圖2為一拖二帶工頻旁路方案三種典型接線圖對比。

圖2 一拖二帶工頻旁路方案三種典型接線圖對比

4.2 除氧器水位控制邏輯分析

控制除氧器水位在期望的數(shù)值是發(fā)電機運行監(jiān)控的重要內(nèi)容之一。未采用變頻調(diào)速方案時，如果凝結(jié)水流量小于30%時，T1切換裝

置切換至N側(cè)，除氧器水位的調(diào)節(jié)方式改為單沖量調(diào)節(jié)方式，控制器PID1直接調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開度數(shù)值；如果凝結(jié)水流量大于30%時，T1切換裝置切換至Y側(cè)，調(diào)節(jié)方式改為三沖量調(diào)節(jié)方式，控制器PID2的輸出信號和凝結(jié)水流量信號，兩者綜合可作為控制器PID3的輸入值，與實際的凝結(jié)水流量相比，經(jīng)運算后，由其輸出信號調(diào)控調(diào)節(jié)閥的開度數(shù)值。采用凝結(jié)水泵變頻調(diào)速方案后，將三沖量信號輸出到變頻裝置，再經(jīng)變頻裝置內(nèi)置的控制單元調(diào)節(jié)信號頻率和電壓，這樣就可以起到控制凝結(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速的作用，實現(xiàn)對除氧器水位的無級調(diào)節(jié)。凝結(jié)水泵電機變頻調(diào)速方案除氧器水位控制邏輯見圖3。

圖3 是否采用變頻調(diào)速方案時的除氧器水位控制邏輯對比圖

5 某火電廠凝結(jié)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案論證

某火電廠一臺發(fā)電機組配置兩臺100%凝結(jié)水泵，機組正常運行時一臺凝結(jié)水泵運行，另一臺凝結(jié)水泵備用；一旦運行的凝結(jié)水泵發(fā)生故障，供電系統(tǒng)就會自動啟動備用泵，這樣就保證了發(fā)電系統(tǒng)的安全連續(xù)運行。同時，考慮到凝結(jié)水泵長期運行的安全性和可靠性，兩臺凝結(jié)水泵一般應(yīng)按月交替使用，這樣可以方便定期檢修。

根據(jù)上文的分析，該火電廠凝結(jié)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)宜選用一拖二帶工頻旁路方案，選用較為常用的典型接線二，見圖4，變頻裝置電源與凝結(jié)水泵A的工頻電源來自同一段母線，變頻裝置輸出通過兩個相互閉鎖的斷路器(QF4和QF5)進(jìn)行切換就能實現(xiàn)兩臺泵的正常運行。

5.1 凝結(jié)水泵運行方式

(1)凝結(jié)水泵A變頻調(diào)速運行；凝結(jié)水泵B處于工頻備用狀態(tài)

正常運行時，變頻裝置電源斷路器(QF2)和凝結(jié)水泵A變頻裝置出口斷路器(QF4)處于閉合狀態(tài)，其他斷路器均斷開，凝結(jié)水泵B處于工頻備用狀態(tài)。當(dāng)凝結(jié)水泵A運行到最大轉(zhuǎn)速但還不能滿足現(xiàn)場實際要求時，系統(tǒng)自動以工頻方式啟動凝結(jié)水泵B，調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵閥門，待穩(wěn)定后系統(tǒng)將凝結(jié)水泵A轉(zhuǎn)入變頻調(diào)速運行。當(dāng)凝結(jié)水泵A變頻運行遇到故障時，可通過故障信號自動將凝結(jié)水泵B以工頻方式啟動，以調(diào)節(jié)凝凝結(jié)水泵閥門。

圖4 某火電廠凝結(jié)水泵變頻調(diào)速一次系統(tǒng)圖

(2)凝結(jié)水泵A變頻調(diào)速運行；凝結(jié)水泵B處于工頻備用狀態(tài)

運行方式與(1)所述運行方式相同，這里不再贅述。

5.2 安全工作方式

(1)凝結(jié)水泵A工頻斷路器(QF1)與凝結(jié)水泵A變頻切換斷路器(QF4)相互閉鎖；凝結(jié)水泵B工頻斷路器(QF3)與凝結(jié)水泵B變頻切換斷路器(QF5)相互閉鎖；凝結(jié)水泵A變頻切換斷路器(QF4)與凝結(jié)水泵B變頻切換斷路器(QF5)相互閉鎖。

(2)變頻裝置電源斷路器(QF2)與凝結(jié)水泵A工頻斷路器(QF1)對應(yīng)的接地刀(圖中未示出)相互閉鎖；變頻裝置電源斷路器(QF2)與凝泵B工頻斷路器(QF3)對應(yīng)的接地刀(圖中未示出)相互閉鎖。

(3)變頻裝置電源斷路器(QF2)與凝結(jié)水泵A工頻斷路器(QF1)不用相互閉鎖；變頻裝置電源斷路器(QF2)與凝結(jié)水泵B工頻斷路器(QF3)不用相互閉鎖。

(4)變頻裝置正常或故障停機后變頻裝置先切斷QF2，然后連跳QF4和QF5；QF4和QF5發(fā)生故障后，DCS發(fā)出信號連跳QF2。

5.3 節(jié)能計算與分析

為了對比采用變頻調(diào)速系統(tǒng)和未采用變頻

上網(wǎng)電價按照0.35元/kWh計算，每年可節(jié)約電費約為216.44×0.35=75.754(萬元)。按照這樣計算，凝結(jié)水泵電機采用變頻調(diào)速技術(shù)方案的投資回收期為：總投資額/年節(jié)約電費=200/75.754=2.64(年)。

其中，總投資額包括變頻裝置、電纜等材料費用，UPS電源和施工費用等。

由此可見，對凝結(jié)水泵電機采用的節(jié)能方案，在運行中可取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)分析來看，機組負(fù)荷率越低，取得的經(jīng)濟(jì)效益就越高。因此，機組新建擴(kuò)建和老機組改造工程中，變頻調(diào)速技術(shù)將在節(jié)省能耗方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

6 結(jié)語

本文較為系統(tǒng)的研究了凝結(jié)水泵電機采用變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能設(shè)計方案。并以某火電廠調(diào)速系統(tǒng)兩種方案的能耗，本文對上文所述某火電廠和未采用變頻調(diào)速系統(tǒng)的同類型發(fā)電廠進(jìn)行了調(diào)研，繪制了在相同負(fù)荷條件下，工頻與變頻運行的實時功率和額定功率見圖5。圖中，縱軸PD為凝結(jié)水泵正常運行時的功率，橫軸PL為機組容量，PDN為電機額定功率，PD1和PD2分別為工頻和變頻即時功率。

圖5 凝結(jié)水泵在相同機組負(fù)荷時工、變頻運行的即時功率

根據(jù)圖5中凝泵在相同機組負(fù)荷時工、變頻運行的即時功率，考慮到表1中不同機組負(fù)荷條件下分布時間的比值，每年的運行時間按7000h計算，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)方案比未采用變頻調(diào)速系統(tǒng)方案每年的節(jié)電量可按下式計算：變頻調(diào)速系統(tǒng)為實例，闡述了凝結(jié)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行方式和安全工作方式，對該電廠的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能計算與分析，分析結(jié)果顯示，每年可節(jié)約電費75.754萬元，投資回收期僅為2.64年。

可見，基于本文所述系統(tǒng)設(shè)計方案，對火電廠凝結(jié)水泵應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，從長期機組運行來看，可以大大的節(jié)約能源，取得很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，值得在火力發(fā)電廠中大面積推廣。

[1]張承慧，程金，夏東偉，等．變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．熱能動力工程，2003，18(5).

[2]曹樂敏．萊城電廠凝結(jié)水泵一拖二變頻調(diào)速改造[J]．山東電力高等專科學(xué)校學(xué)報， 2003，(4)．

[3] DLT5153－2002， 火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S]．

[4]韓安榮．通用變頻裝置及其應(yīng)用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2012．

Energy saving Analysis of Frequency Control Technology Used in Condensate Pump Motor of Power Plant

LIU Zeng-yuan1, KANG Bo1, ZHANG Tong-liang2
(1. Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 710075, China；
2. Guodian Bachu Power Generation Co.,Ltd., Bachu 843800, China)

According to the characteristic of condensate system, the system design principle of frequency control technology used in condensate pump motor is delivered. On this basis, three typical connection forms of onefrequency-converter-two-motor with power frequency bypassing are analyzed. The control logic of deaerator water control and the control strategy of variable frequency regulation are carded. Finally, take the frequency control system in a certain power plant for example, the operation mode and safety working mode in frequency control system are researched, and the energy conservation effect is analyzed. The analysis result shows that Frequency Control Technology Used in Condensate Pump Motor can save energy to a large degree and Achieve good economic and social benefits. This technology deserved to popularize in thermal power plant.

condensate pump; frequency control technology; energy conservation; design; power plant.

TM621

B

1671-9913(2014)03-0036-05

10.13500/j.cnki.11-4908/tk.2014.03.008

2013-10-01

劉增遠(yuǎn)(1967- )，男，陜西西安人，碩士研究生，高級工程師，注冊電氣工程師，注冊監(jiān)理工程師，主要從事發(fā)電廠電氣設(shè)計方面的工作。