循環(huán)軟啟動(dòng)變頻調(diào)速在300 MW汽輪機(jī)組給水泵上的應(yīng)用

崔寅

摘 要：分析了循環(huán)軟啟動(dòng)變頻調(diào)速在300 MW汽輪機(jī)組給水泵上的具體應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了一拖三循環(huán)軟啟動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)給水泵電機(jī)軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速的運(yùn)行方式。通過(guò)對(duì)比，總結(jié)了采用變頻器進(jìn)行給水泵電機(jī)控制在經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢(shì)，以期促進(jìn)該技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；給水泵；鍋爐；熱電廠

中圖分類(lèi)號(hào)：TM311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.129

近年來(lái)，新建設(shè)的城市供熱機(jī)組多采用額定容量為300 MW的抽氣式汽輪機(jī)組，300 MW的抽氣式汽輪機(jī)組的主給水泵系統(tǒng)通常為3臺(tái)50%額定容量的電動(dòng)給水泵或2臺(tái)30%額定容量的氣動(dòng)給水泵+1臺(tái)50%容量的電動(dòng)給水泵。在我國(guó)已經(jīng)投入運(yùn)行的熱電廠中，采用的給水系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式和給水泵電機(jī)調(diào)速方式不盡相同。作為熱電廠重要的輔助設(shè)備和耗能設(shè)備，必須保證給水泵運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，以淘汰高耗能設(shè)備，并引入新技術(shù)、低能耗節(jié)能型設(shè)備。在新建熱電廠和舊熱電廠改造過(guò)程中，應(yīng)大力推廣循環(huán)軟啟動(dòng)變頻調(diào)速方案，采取300 MW汽輪機(jī)組給水泵調(diào)節(jié)替代小汽輪機(jī)調(diào)節(jié)和液力偶合器調(diào)節(jié)。

1 主給水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式

鍋爐主給水系統(tǒng)的主要功能是為鍋爐汽包輸送壓力、溫度和水質(zhì)合格的水，并維持鍋爐汽包水位處于規(guī)定范圍內(nèi)。主給水系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著保障鍋爐供水質(zhì)量和維護(hù)鍋爐安全運(yùn)行的任務(wù)，是重要的熱工系統(tǒng)之一。通常情況下，主給水系統(tǒng)的電動(dòng)給水泵分為定速給水泵和變頻調(diào)速給水泵兩種。

1.1 定速給水泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)

定速給水泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在保持給水泵特性曲線固定的情況下，通過(guò)改變主給水調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制主給水管道阻力特性曲線，從而改變主給水泵的工作點(diǎn)。處于定速運(yùn)行的給水泵電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的能耗損失大，應(yīng)淘汰該技術(shù)。

1.2 變速給水泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)

變速給水泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)可在主給水調(diào)節(jié)閥門(mén)全開(kāi)、管道阻力特性曲線固定的條件下，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)供電頻率調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)供水流量。變速調(diào)節(jié)系統(tǒng)可按照原動(dòng)機(jī)不同分為氣動(dòng)和電動(dòng)兩種。其中，氣動(dòng)給水泵的原動(dòng)機(jī)為小汽輪機(jī)，小汽輪機(jī)控制系統(tǒng)可接收到供水系統(tǒng)輸出的供水流量、壓力和水位等信號(hào)，并作用于小汽輪機(jī)的進(jìn)氣閥門(mén)，根據(jù)系統(tǒng)的供水需求調(diào)節(jié)小汽輪機(jī)閥門(mén)開(kāi)度，進(jìn)而控制進(jìn)氣量，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)給水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

電動(dòng)給水泵可根據(jù)速度調(diào)節(jié)單元的不同分為液力耦合器調(diào)速和變頻調(diào)速兩種。其中，液力耦合器的能量傳輸介質(zhì)為油，驅(qū)動(dòng)泵輪與渦輪之間通過(guò)油進(jìn)行轉(zhuǎn)速傳遞，液力耦合器主要通過(guò)改變機(jī)構(gòu)充油量來(lái)調(diào)節(jié)渦輪轉(zhuǎn)速；相比其他技術(shù)，變頻調(diào)速更加先進(jìn)，其原理是改變電動(dòng)機(jī)供電電源的電壓值和頻率值，從而調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻調(diào)速系統(tǒng)在接收到給水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)信號(hào)后，可通過(guò)調(diào)整電源電壓和頻率值來(lái)滿足系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的要求。

2 300 MW汽輪機(jī)組給水泵的變頻調(diào)速方案

液力偶合器調(diào)速與變頻調(diào)速的最大區(qū)別在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使用液力偶合器調(diào)速必須采用單臺(tái)液力偶合器調(diào)節(jié)單臺(tái)給水泵；當(dāng)使用變頻器調(diào)速時(shí)，使用1臺(tái)變頻器便可實(shí)現(xiàn)對(duì)2臺(tái)100%額定容量的給水泵或3臺(tái)50%額定容量的給水泵的變頻調(diào)速和軟啟動(dòng)功能，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化。

2.1 一拖三循環(huán)軟啟動(dòng)變頻調(diào)速方案

300 MW汽輪機(jī)組通常需要配置3臺(tái)50%額定容量的電動(dòng)給水泵，并采用兩用一備的設(shè)備運(yùn)行方式。3臺(tái)電動(dòng)給水泵的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速均通過(guò)1臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)，即一拖三循環(huán)軟啟動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)。采用一拖三的方式，僅使用1臺(tái)變頻器即可控制3臺(tái)電動(dòng)給水泵，提高了變頻器的利用效率，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了給水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速。采用一拖三的方式運(yùn)行時(shí)，當(dāng)鍋爐機(jī)組滑啟或機(jī)組負(fù)荷降至額定負(fù)荷的50%以下時(shí)，只需要投入1臺(tái)給水泵并采用變頻調(diào)速的方式運(yùn)行；當(dāng)鍋爐機(jī)組負(fù)荷達(dá)到額定負(fù)荷的50%以上時(shí)，需要投入2臺(tái)給水泵，其中一臺(tái)為工頻運(yùn)行方式，且所帶的固定流量由鍋爐機(jī)組的汽包壓力、汽包水位到給水泵水柱高度和管道阻力共同決定，另外一臺(tái)選擇變頻運(yùn)行方式，主要負(fù)責(zé)調(diào)解給水流量，從而控制鍋爐水位。

2.2 工頻、變頻的同步切換

實(shí)現(xiàn)1臺(tái)變頻器控制3臺(tái)供水泵軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是工頻、變頻的同步切換。只有在同步切換的前提下，才能確保鍋爐機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中供水的連續(xù)性。處于變頻調(diào)速工作狀態(tài)的供水泵在向工頻運(yùn)行狀態(tài)切換的過(guò)程中不能出現(xiàn)瞬間失電，在實(shí)現(xiàn)切換的過(guò)程中不能先斷開(kāi)變頻開(kāi)關(guān)，再合上工頻開(kāi)關(guān)。運(yùn)行中的1#給水泵和1#給水泵工頻電源可并列運(yùn)行，在完成工頻電源合閘后再進(jìn)行變頻電源分閘。在此過(guò)程中，給水泵實(shí)現(xiàn)了從變頻運(yùn)行狀態(tài)到工頻運(yùn)行狀態(tài)的不停電切換。此外，實(shí)現(xiàn)同步切換必須使用PLC控制器和同步切換系統(tǒng)。其中，同步切換系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中的變頻調(diào)速系統(tǒng)與工頻電源系統(tǒng)的自動(dòng)準(zhǔn)同期操作，并使兩個(gè)系統(tǒng)的電壓幅值相等、相序相同、頻率差不超過(guò)0.5 Hz。同步切換軟件檢測(cè)到兩個(gè)系統(tǒng)的相位差小于額定值后會(huì)發(fā)出控制指令，控制對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)閉合，從而進(jìn)行合閘操作，并檢測(cè)采集到的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)判斷工頻電源合閘成功后切除變頻電源，最終實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電源的平穩(wěn)切換。

2.3 一定一并并列運(yùn)行原理

通過(guò)1臺(tái)定頻運(yùn)行給水泵與1臺(tái)變頻調(diào)速運(yùn)行給水泵的并列運(yùn)行保持給水揚(yáng)程是可行的。300 MW汽輪機(jī)組給水泵的調(diào)節(jié)主要是在保持汽包壓力一定，同時(shí)，保持在主給水調(diào)節(jié)門(mén)全開(kāi)的條件下對(duì)給水泵進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，從而控制給水泵的給水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐汽包水位的控制。當(dāng)鍋爐處于啟動(dòng)過(guò)程和機(jī)組負(fù)荷降至額定負(fù)荷的50%以下時(shí)，只需投入1臺(tái)給水泵變頻運(yùn)行即可滿足供水要求；當(dāng)鍋爐機(jī)組負(fù)荷達(dá)到額定負(fù)荷的50%以上時(shí)，單臺(tái)給水泵無(wú)法滿足供水要求，需要再啟動(dòng)1臺(tái)給水泵——原先變頻運(yùn)行的給水泵需要切換到工頻狀態(tài)，維持固定給水流量和揚(yáng)程；新啟動(dòng)的給水泵通過(guò)變頻器軟啟動(dòng)并投入到變頻運(yùn)行狀態(tài)，繼續(xù)調(diào)節(jié)流量，從而調(diào)節(jié)鍋爐水位。

相關(guān)工作人員需要按照以下原則考慮運(yùn)行中的2臺(tái)供水泵：①工頻運(yùn)行的給水泵應(yīng)在最佳工作點(diǎn)保持固定的給水量，工頻定速運(yùn)行的給水泵特性曲線和揚(yáng)程曲線的交點(diǎn)即工頻給水泵運(yùn)行的最佳工作點(diǎn)，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)著工頻給水泵的流量值；②變頻給水泵需要根據(jù)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)流量，同理，通過(guò)變頻調(diào)速給水泵的特性曲線和運(yùn)行揚(yáng)程曲線的交點(diǎn)可確定變頻調(diào)速給水泵的工作點(diǎn)，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)著變頻給水泵的流量值。2臺(tái)給水泵流量值之和即鍋爐給水總流量。

2.4 一拖三循環(huán)軟啟動(dòng)變頻調(diào)速水泵的特點(diǎn)

使用變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)給水泵的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)試具有諸多優(yōu)點(diǎn)，主要包括以下6方面：①給水泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)了變頻啟動(dòng)，大大降低了電機(jī)的啟動(dòng)電流，縮短了電機(jī)從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間，減小了電機(jī)啟動(dòng)對(duì)配電網(wǎng)設(shè)備的沖擊；②運(yùn)行中的給水泵電機(jī)可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，調(diào)速精度可控制在0.01 Hz以?xún)?nèi)，調(diào)速過(guò)程中不會(huì)發(fā)生丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象；③采用變頻器后電機(jī)的運(yùn)行效率可以達(dá)到98%，同時(shí)，提高了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的功率因數(shù)，降低了損耗，節(jié)約了電能；④變頻器具有通訊接口，可通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)接入DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供水泵電機(jī)的啟停、閉鎖、聯(lián)鎖、開(kāi)閉環(huán)、手自動(dòng)選擇等自控功能；⑤變頻器自身配置的保護(hù)功能完善，能自動(dòng)檢測(cè)過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓、單相接地、過(guò)載、電機(jī)溫度高、冷卻風(fēng)機(jī)故障停機(jī)等故障信號(hào)，從而起到保護(hù)電機(jī)的作用；⑥變頻器的使用壽命長(zhǎng)，投入運(yùn)行后發(fā)生故障的概率較低，后期基本不需要進(jìn)行額外的檢修和維護(hù)工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

變頻調(diào)速作為技術(shù)成熟的先進(jìn)電機(jī)調(diào)速技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了非常廣泛的應(yīng)用，使用變頻器實(shí)現(xiàn)大電機(jī)的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速能提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。目前，火力發(fā)電廠使用的大電機(jī)基本都采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)，特別是選擇變頻器實(shí)現(xiàn)了鍋爐主供水泵電機(jī)的一拖三運(yùn)行后，大大提高了鍋爐給水泵的運(yùn)行效率，此方案是鍋爐供水的最佳選擇。

筆者結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，介紹了汽輪機(jī)鍋爐變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和調(diào)速方式，以期推動(dòng)熱電廠鍋爐給水系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的發(fā)展，降低熱電廠的生產(chǎn)能耗，為企業(yè)贏得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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〔編輯：張思楠〕