昌進國,楊立慶,王澤川
(南海發(fā)電一廠有限公司,廣東 佛山 528211)
電廠凝結(jié)水泵高壓變頻器供電節(jié)能改造分析
昌進國,楊立慶,王澤川
(南海發(fā)電一廠有限公司,廣東 佛山 528211)
分析了電廠凝結(jié)水泵工頻運行存在能耗高、效率低,對電網(wǎng)和機電系統(tǒng)沖擊大等缺點,指出了變頻改造的必要性;介紹了凝泵變頻改造的方案及控制策略;闡述了變頻運行軟啟動的優(yōu)點;計算了改造后的節(jié)能效果,改造后節(jié)能效果顯著。
凝結(jié)水泵;高壓變頻器;變頻調(diào)速;軟啟動;節(jié)能
根據(jù)DL/T5000—2000《火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定,某電廠2臺330 MW汽輪發(fā)電機組凝結(jié)水泵(以下簡稱凝泵)設(shè)計容量為機組額定負荷時凝結(jié)水量再加10 %的裕量作為選泵要求,同時,輸送管道的通流量也相應(yīng)增大,與凝泵相匹配。為了保證發(fā)電生產(chǎn)的安全性和可靠性,允許凝結(jié)水泵短時適當超額定流量運行來處理突發(fā)故障。因此,電廠系統(tǒng)配置的凝泵容量與揚程均有較大的裕量,機組在正常運行時除氧器水位調(diào)節(jié)閥不需開足,此時有較大的節(jié)流損失;而且工頻運行水泵大部分時間偏離設(shè)計的高效運行區(qū)域,一定程度上影響了機組的經(jīng)濟性。
為了降低機組的能耗,經(jīng)過多方論證及技術(shù)經(jīng)濟比較,決定采用高壓變頻器技術(shù),通過改變水泵電機驅(qū)動電源頻率,實現(xiàn)凝泵無級變速,使得凝結(jié)水的流量與壓力適應(yīng)機組負荷的變化,并減少調(diào)節(jié)閥門的節(jié)流損失。
理論上而言,泵的功耗與轉(zhuǎn)速3次方成正比,因而采用變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能效果將非常顯著。另外,采用變頻調(diào)速之后,依靠泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)凝結(jié)水流量來調(diào)整除氧器的水位,比采用普通閥門調(diào)節(jié)線性度更好,易取得更好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。目前,高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)(以下簡稱INVERT)技術(shù),由于具有明顯的節(jié)能效果,已成為我國電力系統(tǒng)重點推廣的節(jié)能技術(shù)之一。
由電機學可知,電機的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比,與電機磁極對數(shù)p成反比,見式(1)。電機出廠p,s(電機轉(zhuǎn)差率)已確定不變,故可改變f調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。
由離心水泵的工作原理可知,使用感應(yīng)電動機驅(qū)動的水泵負載,軸功率P與流量Q、揚程H的關(guān)系為:
式中:P,kW;H,m;Q,m3/h;η為效率。由于Q與轉(zhuǎn)速n成正比,H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比,P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。因此當電動機的轉(zhuǎn)速由n1變化到n2時,Q,H,P與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下:
根據(jù)流量Q、軸功率P與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系可知,當需要80 %的額定流量時,通過調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速的80 %,即調(diào)節(jié)頻率到40 Hz即可,這時所需功率將僅為原來的51.2 %。
下面從水泵的運行特性曲線(見圖1)來進一步分析采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果。
圖1 水泵運行特性曲線
當所需流量從Q1減小到Q2時,如果水泵電機工頻運行并采用閥門調(diào)節(jié)的辦法,管網(wǎng)阻力將會增加,管網(wǎng)特性曲線上移,系統(tǒng)的運行工況點從A點變到新的運行工況點B點,所需軸功率P2與圖中H2×Q2的面積成正比。如果采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制方式,水泵轉(zhuǎn)速由n1下降到n2,其管網(wǎng)特性并不發(fā)生改變,但水泵的特性曲線將下移,因此其運行工況點由A點移至C點,此時所需軸功率P3與圖中HC×Q2的面積成正比。從理論上分析,所節(jié)約的軸功率P與(H2-HC)×Q2的面積成正比??紤]減速后效率下降和附加損耗,經(jīng)實際運行統(tǒng)計,水泵通過變頻調(diào)速控制可節(jié)能20 %-50 %。
2.1設(shè)備及運行參數(shù)
水泵:型號為B640-6;揚程為335.3 m;流量為832.4 m3/h。
電機:型號為YKKL1500-4TH;功率為1 120 kW;電壓為6 kV;電流為128.9 A;功率因數(shù)為0.85;轉(zhuǎn)速為1 480 r/m in。
各工況下凝泵工頻運行的電流、功率如下:
(1) 發(fā)電200 MW,凝泵電機電流94 A, P=1.732×94×6×0.85≈830 kW;
(2)發(fā)電250 MW,凝泵電機電流97 A,P=1.732×97×6×0.85≈857 kW;
(3)發(fā)電300 MW,凝泵電機電流112 A,P=1.732×112×6×0.85≈989 kW;
(4)發(fā)電330 MW,凝泵電機電流115 A,P=1.732×115×6×0.85≈1 016 kW;
以年運行時間比例20 %,50 %,20 %,10 %計算,工頻年平均功率:P=830×20 %+857×50 % +989×20 %+1 016×10 %≈894 kW。
2.2變頻改造供電方式
該廠2臺330 MW汽輪發(fā)電機組,每臺機組配2臺凝泵,正常運行時凝泵1臺工作1臺備用。改造方案為:1臺機組配1臺變頻器,2臺凝泵可分別切至變頻器運行,但只能1臺凝泵變頻運行,另1臺凝泵工頻備用或運行。這樣配置可節(jié)省1臺高壓變頻器的高額改造投資及維護費用,而滿足機組運行要求。其電氣一次接線如圖2所示。
2.3變頻改造電氣控制
(1) 無論變頻或工頻運行方式下,仍通過6 kV高壓電源開關(guān)啟停凝泵。
(2) 運行閉鎖方式:只允許單臺變頻器供單臺泵運行方式,即只允許投1D泵1K,3K刀閘或2D泵2K,4K刀閘;只允許單臺泵變頻或工頻運行方式,即只允許投1D泵3K與或5K刀閘,2D 泵4K或6K刀閘。
(3) 正常變頻方式:6 kV A段(B段)段電源經(jīng)1K(2K)刀閘輸入至變頻器,輸出經(jīng)3K(4K)刀閘供1D(2D)泵。
(4) 旁路工頻方式:6 kV A段(B段)電源經(jīng)5K(6K)切至旁路工頻供1D(2D)泵。
(5) 備用聯(lián)鎖方式:當工作變頻泵1D(2D)事故跳閘時聯(lián)鎖自動合2D(1D)工頻備用泵2DL(1DL)高壓開關(guān)。只設(shè)變頻至工頻正向聯(lián)鎖,而不設(shè)反向聯(lián)鎖。
圖2 機組高壓凝結(jié)水泵電機變頻供電接線
(6) 切換試驗方式:先將備用泵投工頻運行,再將工作變頻泵切至工頻運行,再次將備用泵由工頻切至變頻運行,最后停原工作變頻(現(xiàn)工頻)泵。這樣,倒換泵時增加了啟停次數(shù),可考慮適當延長定期切換試驗周期。
(7) 變頻器選用脈沖法控制方式,只需外部中間繼電器短時動作來控制變頻器啟停,消除了常規(guī)兩線法中間繼電器需長期帶電存在易誤跳閘的安全隱患,提高了運行可靠性。
2.4變頻改造DCS控制
2.4.1工頻運行
當凝泵在工頻方式下運行時,控制邏輯在保持原有除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位的基礎(chǔ)上,增加至三沖量(即除氧器流量、水位和凝結(jié)水母管壓力)調(diào)節(jié)方式。在1臺泵變頻運行時聯(lián)啟另1臺工頻泵,為保證水位不至于波動太大,啟動1個控制邏輯快速關(guān)小上水調(diào)節(jié)閥開度,對應(yīng)當時機組負荷的凝結(jié)水流量。當存在2臺泵并列運行時,至少1臺泵工頻運行,此時泵出口壓力大,應(yīng)投除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位方式。
2.4.2變頻運行
實際上,凝結(jié)水流量與壓力在流動過程中是相互耦合關(guān)聯(lián)的,可以通過壓力來間接控制流量,也可以通過流量來間接控制壓力。當調(diào)節(jié)閥開度不變時,改變泵轉(zhuǎn)速可以同時改變泵的出口流量和壓力。反之,泵轉(zhuǎn)速不變時,調(diào)節(jié)閥門開度變化也可以改變管路的壓力和流量。
當機組負荷小于110 MW時,由變頻泵的轉(zhuǎn)速控制凝結(jié)水母管壓力(新增),除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位(原有)。當機組負荷大于或等于110 MW時,由變頻泵的轉(zhuǎn)速控制除氧器水位(新增),除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制凝結(jié)水母管壓力(新增),并且這些控制方式能在2種負荷下實現(xiàn)自動無擾切換。
2.4.3凝結(jié)水壓力制定
凝泵變頻改造之后,要達到節(jié)能效果,必然會降低凝結(jié)水壓力運行。而正常運行時,凝結(jié)水除了主要供除氧器用水外,還要供機爐等其他系統(tǒng)設(shè)備用水。因此,變頻改造后,凝結(jié)水壓力要根據(jù)各個廠自身設(shè)備安全運行的最低需要來制定。凝結(jié)水壓力的制定原則為:滿足機組最大負荷時,凝結(jié)水壓力高于除氧器壓力與除氧器與凝泵之間的高度差所產(chǎn)生的壓力和,以及其他設(shè)備對凝結(jié)水最低壓力的要求。
2.5變頻系統(tǒng)的散熱
INVERT成套系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)上由高壓刀閘柜、隔離變壓器、功率單元柜與控制柜組成。由于使用了隔離變壓器及大功率高頻開關(guān)元件,其發(fā)熱量較大。變頻滿負荷工作時,系統(tǒng)效率約97 %,其他約3 %的功率以發(fā)熱形式消耗。同時運行環(huán)境的溫度也會影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及功率元件的使用壽命。因此,為了使變頻器能長期穩(wěn)定可靠地運行,對變頻器的安裝環(huán)境要求為最低環(huán)境溫度-20 ℃,最高環(huán)境溫度45 ℃。變頻器配電室設(shè)計為隔熱防塵配電室,采用風道將熱風排出室外,室內(nèi)采用多臺空調(diào)冷卻降溫。
3.1軟啟動的效果
大功率電機“硬”啟動時的大電流對電網(wǎng)、電機造成很大沖擊,啟動時產(chǎn)生的沖擊、震動對擋板和閥門的損害極大,影響其使用壽命。利用變頻器的軟啟動功能可選擇多種啟動模式,使啟動電流從0開始,最大值不超過額定電流,減輕了對電網(wǎng)、電機的沖擊和對供電容量的要求。轉(zhuǎn)速降低有利于減輕主設(shè)備及相應(yīng)輔助設(shè)備如軸承等的磨損。閥門開度大時,運行中承受壓力小,能因阻力減少而節(jié)能。這樣就節(jié)省了設(shè)備的維護費用,延長了設(shè)備的使用壽命。并且變頻器本身設(shè)有過流、過壓、過載等完善的電氣保護功能,能確保設(shè)備安全。
3.2節(jié)電效果
通過以上方法完成了2臺機組凝泵變頻供電改造。下面以3號機組凝泵為例,列出變頻改造前后在機組不同負荷下的運行參數(shù)及節(jié)電效果,如表1所示。
從表1可見,因變頻器內(nèi)部濾波電容器的作用,減少了無功損耗,變頻供電功率因數(shù)接近1,且機組負荷越低,節(jié)電率越高。
以機組200 MW,250 MW,300 MW,330 MW負荷年運行時間比例為20 %,50 %,20 %,10 %計算年節(jié)電量。
變頻平均功率:P=(489×20 %)+(619×50 %)+(768×20 %)+(808×10 %)≈641 kW;
表1 3號機凝泵變頻改造前后運行參數(shù)對比
以單機年負荷率70 %運行6 132 h,上網(wǎng)電價0.488元/kW·h,及運行中4臺制冷空調(diào)總功率16 kW,4臺冷卻風機總功率1.8 kW耗電計算,改造后凝泵全年節(jié)電如下:
節(jié)電率:(894-641)/894≈28 %;
節(jié)電量:(894-641-17.8)×6 132/10 000≈144 萬kWh;
節(jié)省電費:144×0.488≈70萬元。
通過上述計算表明:按1臺機組改造增設(shè)1臺變頻器,改造投資約73萬元,1年多可收回投資成本。證明此高壓變頻器供電改造項目的投資回報率高,持續(xù)節(jié)電經(jīng)濟效益顯著。
高壓變頻技術(shù)較成熟,變頻器能與機組配套的DCS控制系統(tǒng)自動閉環(huán)控制實現(xiàn)精準調(diào)節(jié),達到機組安全經(jīng)濟運行要求。變頻供電改造只需在原基礎(chǔ)上增加變頻器等配套設(shè)施,投資費用不高,施工簡單,工期不長,約1年多就可收回投資,且持續(xù)經(jīng)濟回報可觀。改造后可減少原調(diào)節(jié)流量與壓力的機械設(shè)備,提高了設(shè)備的安全可靠性;減少對電網(wǎng)無功的需求,提高電壓穩(wěn)定性;減少對機電設(shè)備的沖擊,延長使用壽命。因此,在大中型火力發(fā)電廠鍋爐給水泵、凝泵、送風機、引風機等大容量高壓輔機的節(jié)能改造中,推廣變頻器非常必要。
2015-07-08;
2016-03-09。
昌進國(1962-),男,高級工程師,主要從事電廠電氣自動化、變頻器領(lǐng)域研究工作,email:cjg8084@163.com。
楊立慶(1990-),男,助理工程師,主要從事電廠汽機運行維修方面的工作。
王澤川(1971-),男,工程師,主要從事電廠汽機運行技術(shù)研究方面的工作。