6 0 0 MW機(jī)組循環(huán)水泵變頻改造及運(yùn)行優(yōu)化

馮曉波,許新宇,張文爭(zhēng),閔昌發(fā),吳鴻飛,劉宇,王家勝

（1.貴州粵黔電力有限責(zé)任公司,貴州 盤(pán)縣 553505;2.重慶電力高等專科學(xué)校，重慶 400053）

0 引言

目前，發(fā)電機(jī)組廠用電率已成為運(yùn)行考核的重要指標(biāo)，而電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)組調(diào)峰要求越來(lái)越高，發(fā)電機(jī)組在調(diào)整負(fù)荷時(shí)，也在同步調(diào)整輔機(jī)運(yùn)行，既要保證安全，又要減小其廠用電，降低發(fā)電成本；同時(shí)大型輔機(jī)啟動(dòng)、停止會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生功率沖擊[1-2]。隨著大型變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，很多發(fā)電企業(yè)采用變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輔機(jī)設(shè)備的控制，大幅降低大電機(jī)的啟動(dòng)功率，同時(shí)降低輔機(jī)的運(yùn)行功率，實(shí)現(xiàn)廠用電率的同步降低，也降低輔機(jī)運(yùn)行調(diào)整對(duì)電網(wǎng)和機(jī)組的沖擊[3-4]。

國(guó)內(nèi)許多發(fā)電企業(yè)采用變頻技術(shù)對(duì)已建和新建機(jī)組高壓大功率輔機(jī)（主要包括送、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵（以下簡(jiǎn)稱循泵）等）進(jìn)行優(yōu)化或改造，均取得較好的經(jīng)濟(jì)效益[5-7]。本文介紹了某發(fā)電企業(yè)將機(jī)組鍋爐大修后退出的引風(fēng)機(jī)變頻器(還具有使用年限)改造后用于該廠循環(huán)水系統(tǒng)，并對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)4臺(tái)機(jī)組混合交叉運(yùn)行，節(jié)約機(jī)組廠用電。

1 循泵運(yùn)行工況及變頻策略

該發(fā)電企業(yè)由4臺(tái)600 MW機(jī)組構(gòu)成，汽輪機(jī)為亞臨界、中間再熱、沖動(dòng)式、單軸、三缸、四排汽，凝汽式，其型號(hào)為N600-16.67/538/538-1。每臺(tái)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)配置2臺(tái)88LKXA-28.6型立式循泵；循泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程為28.6 m，額定流量為32 983 m3/h，配備電機(jī)額定功率為3 500 kW；循泵設(shè)計(jì)工況均為工頻運(yùn)行，循環(huán)水的供水方式采用擴(kuò)大單元制（兩臺(tái)機(jī)組的循泵出口有聯(lián)絡(luò)電動(dòng)蝶閥相互連通，分組方式為1/2號(hào)機(jī)組，3/4號(hào)機(jī)組）。

該閑置的變頻器匹配功率為3 800 kW，與循泵電機(jī)設(shè)計(jì)功率相匹配，采用相互補(bǔ)償技術(shù)將該變頻器內(nèi)置功能與外在邏輯相結(jié)合可以消除兩者在運(yùn)行方式上的不兼容，采用變頻調(diào)節(jié)循泵實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行和節(jié)能目的。

2 循泵變頻改造

2.1 變頻器組成

循泵變頻改造主要將原3、4號(hào)鍋爐引風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行的變頻器進(jìn)行利舊，變頻器由變頻器旁路開(kāi)關(guān)QF2，變頻器進(jìn)出口開(kāi)關(guān)QF3、QF4，原循泵6 kV電源開(kāi)關(guān)QF1，變頻器變壓器柜、變頻器功率單元柜、變頻器控制柜，變頻器變壓器柜冷卻器，變頻器功率柜冷卻器、冷卻風(fēng)機(jī)等組成，變頻器一次回路如圖1所示。

圖1 變頻器一次回路

2.2 循泵運(yùn)行方式配置

按照設(shè)計(jì)配置，機(jī)組8臺(tái)循泵均是工頻運(yùn)行。優(yōu)化后的邏輯為低負(fù)荷時(shí)采用單臺(tái)變頻（連續(xù)）運(yùn)行，高負(fù)荷時(shí)采用一臺(tái)工頻一臺(tái)變頻運(yùn)行方式。循環(huán)水的供水方式采用擴(kuò)大單元制（兩臺(tái)機(jī)組的循泵出口有聯(lián)絡(luò)電動(dòng)蝶閥相互連通，分組方式為1/2號(hào)機(jī)組，3/4號(hào)機(jī)組）。

2.3 循泵變頻改造后出現(xiàn)的問(wèn)題

2.3.1 循泵出口蝶閥聯(lián)鎖保護(hù)時(shí)限設(shè)置不合理

原始邏輯中，循泵運(yùn)行60 s后，出口蝶閥未開(kāi)，循泵聯(lián)鎖跳閘。由于循泵電機(jī)改為變頻控制，在從QF1開(kāi)關(guān)閉合到6 kV電機(jī)中有延時(shí)，導(dǎo)致啟動(dòng)過(guò)后60 s出口蝶閥未在開(kāi)位，開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)。經(jīng)過(guò)變頻器靜態(tài)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)變頻器從啟動(dòng)指令發(fā)出到出口蝶閥開(kāi)到位總耗時(shí)在100 s左右。后將“循泵運(yùn)行60 s后，出口蝶閥未開(kāi)，循泵跳閘”改為“循泵變頻運(yùn)行120 s后，出口蝶閥未開(kāi)，循泵跳閘”。工頻條件下，該邏輯不變。

2.3.2 循泵變頻運(yùn)行母管壓力偏低

機(jī)組在低負(fù)荷或者單臺(tái)泵變頻運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)母管壓力降低，造成備用循泵聯(lián)啟。通過(guò)循泵頻率變化試驗(yàn)得出循泵最低允許運(yùn)行頻率對(duì)應(yīng)壓力值，將凝汽器循環(huán)水進(jìn)水壓力低聯(lián)啟備用循泵由0.14 MPa改為0.13 MPa。

2.3.3 循泵變頻器控制電源設(shè)置

舊的循泵變頻器控制電源設(shè)置和循泵控制電源在一路，在循泵變頻器故障跳閘后該循泵工頻失備。通過(guò)優(yōu)化電源配置，將各機(jī)組循泵變頻器控制電源獨(dú)立供電，且循泵變頻器電源開(kāi)關(guān)QF3、QF4與旁路電源開(kāi)關(guān)QF2控制電源應(yīng)獨(dú)立供電，確保循泵變頻器故障跳閘后，該泵仍然處于工頻備用狀態(tài)。

2.3.4 循泵共振區(qū)調(diào)整

變頻改造后，循泵將在低速區(qū)運(yùn)行，容易停留在共振區(qū)域，觸發(fā)事故及損壞部件。對(duì)循泵頻率變化與振動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為單獨(dú)一臺(tái)循泵運(yùn)行時(shí)變頻工況和兩臺(tái)循泵并泵運(yùn)行（其中一臺(tái)變頻運(yùn)行，一臺(tái)工頻運(yùn)行），得出單泵運(yùn)行和并泵運(yùn)行時(shí)的共振頻率區(qū)域值，設(shè)置頻率時(shí)避開(kāi)共振區(qū)運(yùn)行，確保循泵安全運(yùn)行。

3 循泵變頻改造后運(yùn)行方式優(yōu)化

循泵改造后，對(duì)其運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化，尋求機(jī)組在不同冷卻水進(jìn)口溫度和不同運(yùn)行負(fù)荷下的循泵最佳運(yùn)行方式，確定機(jī)組最佳運(yùn)行背壓，在提高經(jīng)濟(jì)性時(shí)，也同步減少?gòu)S用電率。

3.1 試驗(yàn)優(yōu)化原理

機(jī)組最佳運(yùn)行背壓是通過(guò)機(jī)組微增出力試驗(yàn)和循泵流量功耗試驗(yàn)，結(jié)合凝汽器變工況性能計(jì)算得到。

通過(guò)機(jī)組微增出力試驗(yàn)，得出機(jī)組在不同負(fù)荷下，微增出力與背壓的關(guān)系：

式中：ΔNT為機(jī)組微增出力，kW；NT為機(jī)組負(fù)荷，kW；Pk為機(jī)組背壓，kPa。

機(jī)組在低負(fù)荷或者單臺(tái)泵變頻運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)母管壓力降低，造成備用循泵聯(lián)啟。通過(guò)循泵頻率變化試驗(yàn)得出循泵最低允許運(yùn)行頻率對(duì)應(yīng)壓力值，將凝汽器循環(huán)水進(jìn)水壓力低聯(lián)啟備用循泵由0.14 MPa改為0.13 MPa。

式中：Np為循泵功耗，kW;W為凝汽器冷卻水流量，kg/h。

3.2 循泵運(yùn)行方式優(yōu)化結(jié)果

以1號(hào)機(jī)組作為試驗(yàn)對(duì)象，在600 MW、540 MW、480 MW、420 MW、360 MW和300 MW工況下，考慮試驗(yàn)實(shí)測(cè)的凝汽器冷卻水進(jìn)口溫度、不同循泵運(yùn)行方式下的凝汽器冷卻水流量和凝汽器性能試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到機(jī)組在上述負(fù)荷下，不同循泵運(yùn)行方式和凝汽器冷卻水進(jìn)口溫度分別為5～35℃時(shí)的凝汽器壓力。根據(jù)機(jī)組循泵在不同運(yùn)行方式下的凝汽器冷卻水流量、循泵耗功、汽輪機(jī)出力和排汽壓力的關(guān)系，考慮機(jī)組的極限背壓(取3.3 kPa)，結(jié)合凝汽器變工況特性，計(jì)算出基于不同機(jī)組負(fù)荷在不同冷卻水進(jìn)口溫度情況下的循泵最佳組合方式。

（1）聯(lián)絡(luò)門(mén)打開(kāi)時(shí)，循泵最佳運(yùn)行方式（運(yùn)行方式為A工頻，B變頻），見(jiàn)表1和圖2。

圖2 循環(huán)水?dāng)U大單元制方式下運(yùn)行方式

從表1和圖2中可以得出，機(jī)組擴(kuò)大單元制時(shí)，在夏季（循環(huán)水32～35℃）滿負(fù)荷情況下僅需要3臺(tái)循泵同時(shí)運(yùn)行，機(jī)組整體性能效果明顯。冬季，單臺(tái)循泵就滿負(fù)荷要求，在機(jī)組負(fù)荷540 MW時(shí)可以采用單臺(tái)循泵變頻運(yùn)行。

表1 機(jī)組多種工況下循環(huán)水泵最佳組合方式

（2）聯(lián)絡(luò)門(mén)關(guān)閉時(shí)循泵最佳運(yùn)行方式

根據(jù)機(jī)組循泵在不同運(yùn)行方式下的凝汽器冷卻水流量、循泵耗功、汽輪機(jī)出力和排汽壓力的關(guān)系，考慮機(jī)組的極限背壓(取3.3 kPa)，結(jié)合凝汽器變工況特性，計(jì)算出機(jī)組在不同負(fù)荷和不同冷卻水進(jìn)口溫度下，聯(lián)絡(luò)門(mén)關(guān)閉時(shí)，循泵最佳運(yùn)行方式，詳見(jiàn)圖3。

圖3 循環(huán)水單元制方式下循泵運(yùn)行方式

通過(guò)表1和圖3得出，在完全單元制方式下運(yùn)行，在冷卻水溫度17℃以下，單臺(tái)循泵完全可以維持機(jī)組運(yùn)行（變頻和工頻）；水溫高于17℃時(shí)，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)才需要兩臺(tái)循泵運(yùn)行（一臺(tái)工頻，一臺(tái)變頻），節(jié)能效果顯著。

4 循泵變頻改造后節(jié)能效果

4.1 冷態(tài)啟動(dòng)效果

表2給出了機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)電機(jī)電流情況。

表2 機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)節(jié)能效果分析

根據(jù)冷態(tài)開(kāi)機(jī)耗時(shí)情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，平均每次冷態(tài)開(kāi)機(jī)耗時(shí)15 h，冷態(tài)開(kāi)機(jī)廠用電切換前使用的是從網(wǎng)上回購(gòu)的電，為0.48元/（kW·h），根據(jù)變頻功率37 Hz時(shí)電流計(jì)算，改造后冷態(tài)開(kāi)機(jī)循泵電流降幅為195 A,電壓取平均值6.2 kV,功率因數(shù)按照0.85計(jì)。其折算每小時(shí)耗電量按公式計(jì)算可得：P=UICOSΦ=1.732×6.2×195×0.85=1780（kW·h）。

冷態(tài)開(kāi)機(jī)一次15 h，可節(jié)省電量為26700（kW·h），其節(jié)約的費(fèi)用為12 816元。一年4臺(tái)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)次數(shù)按12次計(jì)，每年冷態(tài)開(kāi)機(jī)循泵變頻可節(jié)省費(fèi)用為15.36萬(wàn)元。

4.2 低負(fù)荷運(yùn)行效果分析

表3給出機(jī)組低負(fù)荷時(shí)，循泵變頻時(shí)電機(jī)電流情況。

表3 低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果分析

據(jù)機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行情況，單臺(tái)機(jī)組每小時(shí)可節(jié)約1 460 kW·h，通過(guò)統(tǒng)計(jì)近三年各臺(tái)機(jī)組帶負(fù)荷循泵低頻運(yùn)行時(shí)間,每臺(tái)機(jī)組每年循泵低頻運(yùn)行平均時(shí)間1 500 h，4臺(tái)機(jī)組循泵低頻率累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為6 000 h，4臺(tái)機(jī)組可省電量8 760（kW·h）。改造后低負(fù)荷循泵運(yùn)行電流降幅為160 A,上網(wǎng)電價(jià)按0.35元/（kW·h）計(jì),4臺(tái)機(jī)組節(jié)省費(fèi)用為306.6萬(wàn)元；4臺(tái)機(jī)組循泵變頻改造（含土建、安裝、調(diào)試）累計(jì)投入270.72萬(wàn)元，循泵變頻改造后每年總共可節(jié)省費(fèi)用321.96萬(wàn)元，一年內(nèi)即可收回全部改造成本，節(jié)能效果顯著。

5 結(jié)論

1）原有變頻器的再利用有效降低企業(yè)改造成本，在原有運(yùn)行模式上實(shí)行優(yōu)化，大幅降低機(jī)組本身的廠用電率，節(jié)能效果明顯。

2）技術(shù)改造和控制策略調(diào)整解決了系統(tǒng)的互聯(lián)保護(hù)問(wèn)題，提高了循泵運(yùn)行的可靠性。

3）冷端優(yōu)化試驗(yàn)綜合考慮了循環(huán)水流量的大范圍無(wú)擾調(diào)節(jié)和汽輪機(jī)冷端優(yōu)化，確保了機(jī)組能夠在最經(jīng)濟(jì)方式下安全運(yùn)行。