9FA燃?xì)?蒸汽多軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的凝結(jié)水泵變頻改造

柳超，王建偉，劉建剛

（神華浙江國華余姚燃?xì)獍l(fā)電有限責(zé)任公司，浙江余姚315400）

9FA燃?xì)?蒸汽多軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的凝結(jié)水泵變頻改造

柳超，王建偉，劉建剛

（神華浙江國華余姚燃?xì)獍l(fā)電有限責(zé)任公司，浙江余姚315400）

介紹浙江某發(fā)電廠9FA燃?xì)?蒸汽多軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組凝結(jié)水泵的變頻改造設(shè)計(jì)方案，對改造前后凝結(jié)水泵實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對比，作出節(jié)能效果分析。

燃?xì)廨啓C(jī)；凝結(jié)水泵；變頻改造；節(jié)能

0 引言

隨著商業(yè)化運(yùn)營的實(shí)施，發(fā)電廠的節(jié)能降耗日顯重要?；鹆Πl(fā)電廠的凝結(jié)水泵在設(shè)計(jì)時(shí)一般按照機(jī)組最大出力，往往在選型時(shí)留有足夠的裕量，但是隨著機(jī)組數(shù)量增多和機(jī)組負(fù)荷率下降，火電機(jī)組長期處于中低負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致凝結(jié)水泵往往在實(shí)際運(yùn)行中只帶了部分甚至很少負(fù)荷，偏離經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況，造成巨大的電能浪費(fèi)。而對燃?xì)庑偷恼{(diào)峰機(jī)組而言，其上網(wǎng)電價(jià)與氣價(jià)均較高，節(jié)省廠用電將會(huì)帶來十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。因此，某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠對其凝結(jié)水泵進(jìn)行了高壓變頻改造，通過調(diào)節(jié)變頻調(diào)速裝置的輸出頻率改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而滿足負(fù)荷工況變化的需求，大大提高了運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能的目的，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 變頻器節(jié)能原理

異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f、轉(zhuǎn)差率s、電機(jī)極對數(shù)p等參數(shù)有如下關(guān)系：

由上式可以看出，改變電源頻率f可以達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的目的。在異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造完成后，雖然在帶負(fù)載運(yùn)行過程中由于負(fù)載變化，滑差率會(huì)略有變化，但是由于凝結(jié)水泵對轉(zhuǎn)速精度要求不高，因此可以近似認(rèn)為水泵轉(zhuǎn)速與其電機(jī)定子電源頻率成線性關(guān)系。

對于水泵，由流體動(dòng)力學(xué)理論可以知道，流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比；扭矩與轉(zhuǎn)速二次方成正比；而泵的功率則與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因此通過降低水泵轉(zhuǎn)速可以降低水泵消耗的功率。

發(fā)電廠廠用電動(dòng)機(jī)的負(fù)載都是隨著機(jī)組負(fù)荷的變化而不斷變化的，為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制，一般采用控制閥門開度的方法，因此損失了大量電能。變頻器能根據(jù)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性，通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率來改變水泵的轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)所需壓力、流量等參數(shù)的要求，避免了閥門開度造成的節(jié)流損失。當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此凝結(jié)水泵在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，尤其是低負(fù)荷階段時(shí)的節(jié)電效果十分明顯。

2 凝結(jié)水泵變頻改造前狀況

某燃機(jī)發(fā)電廠一期工程裝機(jī)容量1×780 MW，選用美國GE公司生產(chǎn)的S209FA型“二拖一”燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，即由2套燃?xì)廨啓C(jī)分別帶2臺(tái)250 MW發(fā)電機(jī)和2臺(tái)余熱鍋爐；2臺(tái)余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽供1臺(tái)280 MW凝汽式汽輪機(jī)組。整套機(jī)組既可采用1套燃機(jī)余熱鍋爐帶汽輪機(jī)的“一拖一”運(yùn)行方式，也可采用2套燃機(jī)余熱鍋爐帶汽輪機(jī)的“二拖一”運(yùn)行方式。

整套機(jī)組配備2臺(tái)按“二拖一”滿負(fù)荷780 MW運(yùn)行工況設(shè)計(jì)的100%容量定速凝結(jié)水泵，以母管制方式向2臺(tái)余熱鍋爐供水，依靠余熱鍋爐低壓給水調(diào)節(jié)閥控制水量。正常運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水泵1臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用。凝結(jié)水泵型號為9.5LDTN-4P，電機(jī)型號為YLKK560-4，每臺(tái)最大流量為1 035 t/h，電機(jī)額定容量1 250 kW，額定電流136.3 A，詳細(xì)參數(shù)見表1。每臺(tái)余熱鍋爐額定蒸發(fā)量為360 t/h。因機(jī)組無回?zé)岢槠到y(tǒng)，所以每臺(tái)余熱鍋爐的凝結(jié)水需要量和蒸發(fā)量基本相等；機(jī)組以“二拖一”方式運(yùn)行時(shí)，額定負(fù)荷下的凝結(jié)水流量為750 t/h，相應(yīng)的凝結(jié)水泵電流約為122 A，功率約1 200 kW；當(dāng)機(jī)組以“一拖一”方式運(yùn)行時(shí)，額定負(fù)荷下的凝結(jié)水流量為360 t/h，凝結(jié)水泵電流約100 A，功率約為900 kW。

表1 凝結(jié)水泵主要技術(shù)參數(shù)

由于機(jī)組主要用于調(diào)峰運(yùn)行，設(shè)計(jì)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為3 500 h。為了盡可能發(fā)揮機(jī)組的調(diào)峰作用，機(jī)組以“一拖一”方式運(yùn)行的時(shí)間較長，“二拖一”方式運(yùn)行小時(shí)數(shù)不足三分之一。因此凝結(jié)水泵長期處于40%以下負(fù)荷運(yùn)行，能耗損失較大。

3 凝結(jié)水泵變頻改造實(shí)施方案

本著“最小改動(dòng)、最大可靠性、最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性”的改造原則，對凝結(jié)水泵增設(shè)1套DHVECTOLDI01600/06高壓變頻調(diào)速裝置，以實(shí)現(xiàn)0～50 Hz無級調(diào)速，功耗隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化，提高設(shè)備利用率，達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式的目的。改造原理如圖1所示。

圖1 凝結(jié)水泵變頻改造原理

圖1中，QF1和QF2為原用戶6 kV小車式斷路器，虛線框內(nèi)及變頻器為新增設(shè)備。QS1和QS2為單刀單擲隔離開關(guān)，QS3和QS4為單刀雙擲隔離開關(guān)，為防止人員誤操作、保證同一時(shí)刻只有1臺(tái)凝結(jié)水泵處于變頻狀態(tài)，該裝置設(shè)有各種閉鎖，主要有：

（1）QS1與QS2互鎖，即QS1合上時(shí)，QS2合不上。

（2）QS3與QS4互鎖，即QS3投到b點(diǎn)時(shí)，QS4不能投到b點(diǎn)。

（3）QS1與QS3聯(lián)鎖，即QS1合上時(shí)，QS3才能投到b位置。

（4）QS2與QS4聯(lián)鎖，即QS2合上時(shí)，QS4才能投到b位置。

以電動(dòng)機(jī)A為例，其操作順序?yàn)椋?/p>

工頻切變頻操作過程：先斷開QF1，再合上隔離刀閘QS1，將隔離刀閘QS3投變頻位置，然后運(yùn)行變頻器，變頻器充電完成后自動(dòng)合上QF1，變頻器帶電機(jī)變頻運(yùn)行。

變頻切工頻操作過程：先停止變頻器，變頻器頻率降低至0 Hz后自動(dòng)斷開QF1；再將隔離刀閘QS3投工頻位置，再斷開隔離刀閘QS1，最后合上QF1，電機(jī)工頻運(yùn)行。

檢修變頻器時(shí)，斷開QF1和QF2并搖開手車開關(guān)至試驗(yàn)位置，再把QS3和QS4置于工頻位置，斷開QS1和QS2。

若凝結(jié)水泵A選擇變頻模式、凝結(jié)水泵B選擇工頻模式，首先選擇A泵變頻方式，變頻器發(fā)出變頻準(zhǔn)備就緒信號后，DCS（分散控制系統(tǒng)）給變頻器發(fā)運(yùn)行指令，變頻器開始充電。充電完成后，變頻器發(fā)出QF1合閘指令，QF1合閘后，A泵開始變頻運(yùn)行。從給變頻器發(fā)運(yùn)行指令開始，到變頻器開始運(yùn)行一共需25 s。如果A泵或變頻器發(fā)生故障，立即分?jǐn)? kV用戶開關(guān)QF1，變頻器停止輸出，B泵備投工頻運(yùn)行。故障排除后，將A泵變頻啟動(dòng)，正常后停B泵，A泵以變頻運(yùn)行。如果變頻器收到停機(jī)指令，即從當(dāng)前運(yùn)行頻率開始降速，降到0 Hz后，變頻器發(fā)QF1分閘指令，QF1分?jǐn)?；變頻器收到緊急停機(jī)指令后，立即發(fā)QF1分閘指令，QF1分?jǐn)?，A泵停運(yùn)。

當(dāng)凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行后，調(diào)節(jié)凝結(jié)水流量的調(diào)節(jié)閥門可以完全打開，凝結(jié)水再循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉，并由變頻器或DCS控制凝結(jié)水泵的電動(dòng)閥門，實(shí)現(xiàn)變頻水泵與電動(dòng)閥門的聯(lián)動(dòng)。聯(lián)動(dòng)邏輯為：變頻水泵啟動(dòng)前，凝結(jié)水泵出口電動(dòng)閥全關(guān)；當(dāng)DCS向變頻器發(fā)出啟動(dòng)指令后，水泵轉(zhuǎn)速逐漸加快，泵出口水壓相應(yīng)升高，當(dāng)水壓大于閥外側(cè)管網(wǎng)水壓時(shí)，變頻器發(fā)出開閥指令，閥門打開；當(dāng)閥門全開后向變頻器返回閥門全開信號，變頻器進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，即可根據(jù)凝結(jié)水母管壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速，正常運(yùn)行時(shí)控制凝結(jié)水母管壓力在2.5 MPa，運(yùn)行人員可輸入相應(yīng)的偏置值進(jìn)行調(diào)整，但偏置后的壓力控制在最高3.7 MPa、最低2.0 MPa。

同時(shí)，考慮到原凝結(jié)水泵的MM200A+綜合保護(hù)裝置是一體式的，能夠保護(hù)6 kV開關(guān)、電纜以及就地電動(dòng)機(jī)繞組；變頻改造后，相當(dāng)于在6 kV開關(guān)和電動(dòng)機(jī)之間增加了1道斷口，原先的保護(hù)已不能滿足改造后的接線方式。因此，在變頻裝置的上、下游區(qū)段設(shè)置了獨(dú)立的保護(hù)裝置，將原MM200A+綜合保護(hù)裝置更換為南瑞RCS-9626CN型保護(hù)裝置，并在變頻小室內(nèi)配置四方CSC-236B型保護(hù)裝置。

4 凝結(jié)水泵變頻改造后的節(jié)能效果

由于該廠機(jī)組主要用于電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行，全年三分之二以上運(yùn)行時(shí)間處于“一拖一”運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)考慮到機(jī)組“二拖一”運(yùn)行時(shí)凝結(jié)水泵已接近額定工況運(yùn)行，因此凝結(jié)水泵變頻改造后主要用于機(jī)組“一拖一”情況。通過就地抄表及PI（生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)）系統(tǒng)取均值，在“一拖一”聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行時(shí)對凝結(jié)水泵變頻及工頻模式下相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 凝結(jié)水泵變頻與工頻模式相關(guān)數(shù)據(jù)

該廠6 kV廠用電電壓為6.3 kV，凝結(jié)水泵電機(jī)功率因數(shù)取0.85，根據(jù)表2，可以分別計(jì)算出凝結(jié)水泵在工頻與變頻模式下的耗電量：

工頻模式運(yùn)行時(shí)，耗電量=1.732×6 300×102× 0.85≈939.5 kWh/h。

變頻模式運(yùn)行時(shí)，耗電量=1.732×6 300×58× 0.85≈537.9 kWh/h。

由此可以看出，凝結(jié)水泵采取變頻運(yùn)行后，每小時(shí)節(jié)電量為401.6 kWh。

2012年該廠機(jī)組不同運(yùn)行方式的小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 2012年機(jī)組運(yùn)行方式小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)

凝結(jié)水泵加裝高壓變頻器后，按該廠2012年全年“一拖一”滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)4 260 h來計(jì)算，全年可節(jié)約廠用電量=（939.5－537.9）×4 260= 1 710 816 kWh，以當(dāng)前發(fā)電煤耗232.3 g/kWh來計(jì)算，相當(dāng)于全年可節(jié)約標(biāo)煤量=1 704 582× 232.3=396 037 120 g＝396.04 t。

以當(dāng)前該廠上網(wǎng)電價(jià)0.904元/度計(jì)算，則實(shí)施凝結(jié)水泵變頻改造后，相當(dāng)于該廠全年至少可增收154.7萬元，僅需1年左右就能收回成本。因此，凝結(jié)水泵變頻改造的投入產(chǎn)出效能比是顯而易見的。

另一方面，凝結(jié)水泵加裝變頻器后還可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，啟泵時(shí)電流從零開始，隨著轉(zhuǎn)速增加而上升，基本沒有大的沖擊，停泵時(shí)電流逐漸降低至零，大大改善了凝結(jié)水泵的啟停性能。同時(shí)，變頻運(yùn)行可以改善凝結(jié)水系統(tǒng)工作性能，在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行尤其是低負(fù)荷期間，可以大大降低凝結(jié)水壓力，減少對凝結(jié)水管道系統(tǒng)的沖擊，避免發(fā)生因凝結(jié)水壓力過大而損壞凝結(jié)水管道法蘭，并有效解決了凝結(jié)水閥門和管道振動(dòng)及噪音大的問題，延長設(shè)備使用壽命，減少設(shè)備故障率，降低檢修維護(hù)費(fèi)用，大大提高發(fā)電企業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益，保證機(jī)組安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5 結(jié)語

該廠凝結(jié)水泵實(shí)施變頻改造以來，運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)不僅能滿足機(jī)組運(yùn)行的正常需要，而且具有良好的節(jié)能效果，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。通過變頻運(yùn)行方式的優(yōu)化，改善了設(shè)備性能，提高了發(fā)電企業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益，效果顯著。

[1]張樹國，李棟，胡競.變頻調(diào)速技術(shù)的原理及應(yīng)用[J].節(jié)能技術(shù)，2009，27(1)∶83-86.

[2]張棕桐.變頻器應(yīng)用與配套技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2008.

（本文編輯：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，湖北武漢人，工程師，從事發(fā)電廠燃?xì)廨啓C(jī)集控運(yùn)行工作。