M701F機(jī)組交流潤(rùn)滑油泵變頻改造分析與應(yīng)用

黎 暉， 江昌標(biāo)， 王新年， 邱賢明， 周向藝， 念小文

(中海福建燃?xì)獍l(fā)電有限公司， 福建 莆田 351100)

福建某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠一期建設(shè)4套M701F單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，每套機(jī)組的燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)共用一套潤(rùn)滑油系統(tǒng)[1]。電廠機(jī)組設(shè)計(jì)年運(yùn)行時(shí)間為3 500 h，因?yàn)樘烊粴鈨r(jià)格大幅上漲和福建省城市天然氣用量上升的雙重因素，自2014年后機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間逐年下降。2020年機(jī)組平均年運(yùn)行時(shí)間僅1 800 h，約為設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間的一半。機(jī)組盤(pán)車(chē)運(yùn)行時(shí)間大幅增加至約4 200 h，盤(pán)車(chē)運(yùn)行期間機(jī)組主要輔機(jī)均已停運(yùn)，功率160 kW的交流潤(rùn)滑油泵為主要耗電設(shè)備。

在保證機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，為進(jìn)一步節(jié)約機(jī)組盤(pán)車(chē)運(yùn)行期間廠用電量，考慮減少潤(rùn)滑油供油壓力裕量，將機(jī)組盤(pán)車(chē)運(yùn)行期間交流潤(rùn)滑油泵改為變頻運(yùn)行，對(duì)此進(jìn)行了必要性、可行性分析。設(shè)計(jì)實(shí)施#1機(jī)組1B交流潤(rùn)滑油泵變頻改造，投運(yùn)后節(jié)電40%，測(cè)算年節(jié)約廠用電量約20萬(wàn) kW·h，節(jié)能效果顯著。

1 潤(rùn)滑油系統(tǒng)簡(jiǎn)介

潤(rùn)滑油系統(tǒng)的作用是向燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的軸承及燃?xì)廨啓C(jī)排氣側(cè)支撐、盤(pán)車(chē)裝置、發(fā)電機(jī)密封油和頂軸油系統(tǒng)提供一定溫度和壓力的潔凈潤(rùn)滑油，以確保機(jī)組安全可靠運(yùn)行，防止發(fā)生軸瓦燒毀、轉(zhuǎn)子軸頸過(guò)熱彎曲等事故[1]。

M701F單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)流程如圖1所示。按照正常流程，主潤(rùn)滑油箱中的潤(rùn)滑油由交流潤(rùn)滑油泵升壓后，經(jīng)過(guò)冷油器以及溫控閥，將油溫調(diào)整到限定值以?xún)?nèi)。然后潤(rùn)滑油進(jìn)入過(guò)濾器濾除雜質(zhì)，經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)整潤(rùn)滑油供應(yīng)壓力，供給潤(rùn)滑油到軸承、盤(pán)車(chē)、密封油、頂軸油等處。之后潤(rùn)滑油經(jīng)回油粗過(guò)濾器重新回到主潤(rùn)滑油箱[1]。

圖1 潤(rùn)滑油系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

潤(rùn)滑油系統(tǒng)配備兩臺(tái)交流潤(rùn)滑油泵、一臺(tái)直流潤(rùn)滑油泵，均安裝在主潤(rùn)滑油箱頂部，均為立式單級(jí)離心泵[1]。交流潤(rùn)滑油泵額定轉(zhuǎn)速為1 485 r/min，額定壓力為0.59 MPa，額定電流為287 A。

2 交流潤(rùn)滑油泵變頻改造的必要性、可行性

M701F單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在停機(jī)備用期間，由于燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子金屬溫度較高，為了防止大軸在高溫下長(zhǎng)時(shí)間靜置引起大軸自然彎曲，必須對(duì)大軸連續(xù)不停低速盤(pán)車(chē)，使它均勻冷卻。機(jī)組低速盤(pán)車(chē)期間，為了防止軸頸與軸瓦之間發(fā)生金屬磨擦，同時(shí)降低軸承、軸徑處的溫度，必須連續(xù)不斷的向軸承提供潤(rùn)滑油。

潤(rùn)滑油系統(tǒng)的兩臺(tái)交流潤(rùn)滑油泵一運(yùn)一備，其出口壓力0.59 MPa，遠(yuǎn)高于潤(rùn)滑油供油母管油壓低報(bào)警值0.189 MPa，或者考慮到一定余量防止備用潤(rùn)滑油泵頻繁聯(lián)鎖啟動(dòng)的潤(rùn)滑油壓力0.2 MPa。機(jī)組盤(pán)車(chē)狀態(tài)下，在交流潤(rùn)滑油泵運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑油壓力調(diào)節(jié)閥存在較大的節(jié)流損失?？梢?jiàn)通過(guò)變頻改造，降低交流潤(rùn)滑油泵出口壓力，同時(shí)開(kāi)大潤(rùn)滑油壓力調(diào)節(jié)閥，保障潤(rùn)滑油供油壓力是可行的。

為保證機(jī)組運(yùn)行安全，在機(jī)組發(fā)電運(yùn)行時(shí)交流潤(rùn)滑油泵仍保持原設(shè)計(jì)運(yùn)行模式，在機(jī)組每年約4 200 h的盤(pán)車(chē)運(yùn)行時(shí)間段，一臺(tái)交流潤(rùn)滑油泵增加變頻旁路，切換至變頻運(yùn)行。根據(jù)泵的相似定律，泵的輸出功率與轉(zhuǎn)速成3次方關(guān)系。假設(shè)一臺(tái)泵由工頻運(yùn)行改為變頻運(yùn)行，頻率為40 Hz時(shí)，輸出功率僅為工頻時(shí)的51.2%，節(jié)能效果是很顯著的。

“雙碳”目標(biāo)的設(shè)定與實(shí)現(xiàn)，即“力爭(zhēng)在 2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，在 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”，對(duì)能源工作，尤其是節(jié)能管理和節(jié)能執(zhí)法工作，提出了新的和更高的要求[2]。節(jié)能減排成為國(guó)家總體戰(zhàn)略的背景下，M701F機(jī)組實(shí)施交流潤(rùn)滑油泵變頻改造，既能節(jié)約電廠運(yùn)行成本，又能響應(yīng)國(guó)家總體戰(zhàn)略，也是在電力行業(yè)火電機(jī)組給水泵、凝結(jié)水泵等主要輔機(jī)變頻運(yùn)行后，變頻運(yùn)用領(lǐng)域的創(chuàng)新和拓展，是十分必要的。

3 交流潤(rùn)滑油泵變頻改造原則及系統(tǒng)配置

交流潤(rùn)滑油泵變頻改造原則：不降低機(jī)組發(fā)電運(yùn)行安全性，實(shí)現(xiàn)機(jī)組盤(pán)車(chē)運(yùn)行交流潤(rùn)滑油泵節(jié)電40%，操作簡(jiǎn)單，防止誤操作措施到位。

3.1 電氣接線改造

為實(shí)現(xiàn)變頻改造，1B交流潤(rùn)滑油泵變頻改造電氣一次系統(tǒng)接線圖如圖2所示。新增變頻器電源取自#1機(jī)組380 V保安1E段，工頻電源取自#1機(jī)組380 V工作1B段。

圖2 1B交流潤(rùn)滑油泵變頻改造電氣一次系統(tǒng)接線圖

為了不影響機(jī)組發(fā)電運(yùn)行時(shí)的電氣接線方式，工頻開(kāi)關(guān)出口至電機(jī)不設(shè)刀閘，變頻器進(jìn)、出口自帶一把隔離刀閘QS1與QS2，KM接觸器與變頻器啟停聯(lián)鎖合、分閘，并將變頻器控制回路串接一個(gè)常閉觸點(diǎn)至工頻電源開(kāi)關(guān)，用來(lái)防止工頻、變頻同時(shí)合閘運(yùn)行，變頻器原理圖詳見(jiàn)圖3。為了防止人為就地操作失誤導(dǎo)致工頻與變頻輸出非同期并列，將變頻器控制回路中07至13部分就地控制回路取消，變頻器僅能通過(guò)遠(yuǎn)方進(jìn)行啟動(dòng)，由機(jī)組TCS系統(tǒng)控制。

圖3 1B交流潤(rùn)滑油泵變頻器二次原理圖

如圖3所示，1B潤(rùn)滑油泵變頻器控制原理為當(dāng)工頻開(kāi)關(guān)未合閘時(shí)，工頻聯(lián)鎖信號(hào)常閉觸點(diǎn)導(dǎo)通，此時(shí)將變頻柜面板上的“工頻/變頻”切換把手切至“變頻”位，SA1切換開(kāi)關(guān)①②觸點(diǎn)導(dǎo)通，KA1繼電器帶電使常開(kāi)觸點(diǎn)KA1吸合導(dǎo)通，變頻器啟?？刂苹芈诽幱诠ぷ鳡顟B(tài)。將變頻器面板上“遠(yuǎn)方/就地”切換把手切至“遠(yuǎn)方”位，SA2切換開(kāi)關(guān)③④觸點(diǎn)導(dǎo)通，遠(yuǎn)方給定啟動(dòng)信號(hào)后，“遠(yuǎn)程控制”常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，KA2繼電器帶電，變頻器運(yùn)行，由TCS給定變頻器輸出頻率。遠(yuǎn)方給定停止信號(hào)時(shí)，“遠(yuǎn)程控制”常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，KA2繼電器失電，變頻器停運(yùn)。

3.2 控制邏輯改造

為實(shí)現(xiàn)變頻改造，對(duì)潤(rùn)滑油系統(tǒng)TCS控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化。

1B交流潤(rùn)滑油泵工頻運(yùn)行時(shí)，1A、1B交流潤(rùn)滑油泵聯(lián)鎖啟動(dòng)的條件仍按原邏輯運(yùn)行。1A交流潤(rùn)滑油泵(1B交流潤(rùn)滑油泵工頻狀態(tài))緊急啟動(dòng)條件為以下任一條件：1B交流潤(rùn)滑油泵工頻運(yùn)行請(qǐng)求延時(shí)5 s且1B潤(rùn)滑油泵工頻未運(yùn)行；1B交流潤(rùn)滑油泵工頻運(yùn)行且潤(rùn)滑油供油母管壓力低(壓力開(kāi)關(guān)0.189 MPa)；1B交流潤(rùn)滑油泵工頻運(yùn)行且1B交流潤(rùn)滑油泵出口壓力低(壓力變送器0.467 MPa)。

新增1A交流潤(rùn)滑油泵工頻聯(lián)鎖邏輯：1B交流潤(rùn)滑油泵變頻運(yùn)行延時(shí)5 s且潤(rùn)滑油母管壓力低(壓力開(kāi)關(guān)0.189 MPa),聯(lián)啟1A交流潤(rùn)滑油泵；1B交流潤(rùn)滑油泵變頻運(yùn)行時(shí)閉鎖1B交流潤(rùn)滑油泵工頻自動(dòng)啟動(dòng)，從控制邏輯上閉鎖工頻與變頻同時(shí)運(yùn)行。

新增1B交流潤(rùn)滑油泵變頻器啟停邏輯，如圖4所示。變頻器僅可手動(dòng)啟動(dòng)，并且在以下條件均滿(mǎn)足的情況下才能啟動(dòng)：機(jī)組停運(yùn)滿(mǎn)1 h；1A交流潤(rùn)滑油泵運(yùn)行；1B交流潤(rùn)滑油泵工頻未運(yùn)行；1B交流潤(rùn)滑油泵變頻停運(yùn)滿(mǎn)2 min(防止停止后立即啟動(dòng))。

圖4 TCS系統(tǒng)新增1B交流潤(rùn)滑油泵變頻器手動(dòng)啟停邏輯圖

1B交流潤(rùn)滑油泵變頻停運(yùn)條件：1A交流潤(rùn)滑油泵運(yùn)行，且在TCS系統(tǒng)上手動(dòng)停止1B交流潤(rùn)滑油泵變頻；1B交流潤(rùn)滑油泵工頻運(yùn)行；1D直流潤(rùn)滑油泵運(yùn)行請(qǐng)求新增變頻停運(yùn)條件(由控制回路硬接線實(shí)現(xiàn))；潤(rùn)滑油母管壓力低；1A交流潤(rùn)滑油泵、1B交流潤(rùn)滑油泵工頻、1B交流潤(rùn)滑油泵變頻運(yùn)行全停延時(shí)2 s。

4 交流潤(rùn)滑油泵變頻改造的實(shí)施

按照電廠討論確定的1B交流潤(rùn)滑油泵變頻改造方案，2021年下半年采購(gòu)了變頻器設(shè)備，2022年3— 6月份在#1機(jī)組大修期間進(jìn)行安裝、調(diào)試。

在1B交流潤(rùn)滑油泵變頻器安裝、單體調(diào)試后，首先測(cè)試了變頻器帶泵運(yùn)行的數(shù)據(jù)。1B交流潤(rùn)滑油泵變頻運(yùn)行調(diào)試數(shù)據(jù)如表1所示，變頻器在42 Hz運(yùn)行時(shí)潤(rùn)滑油供油母管壓力為0.202 MPa，可滿(mǎn)足機(jī)組盤(pán)車(chē)運(yùn)行要求，并有一定余量，確認(rèn)1B交流潤(rùn)滑油泵變頻改造達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。調(diào)試過(guò)程中，在每個(gè)工作頻率均測(cè)量了電機(jī)和泵體的溫度、振動(dòng)。在44～46 Hz存在共振頻率，電機(jī)振動(dòng)急劇增大，需要避開(kāi)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行；在41～42 Hz運(yùn)行振動(dòng)值與50 Hz相同，可以長(zhǎng)期運(yùn)行。

表1 1B交流潤(rùn)滑油泵變頻調(diào)試數(shù)據(jù)表

在1B交流潤(rùn)滑油泵變頻器帶泵試運(yùn)行后，進(jìn)行了各項(xiàng)電氣、熱控聯(lián)鎖試驗(yàn)，檢驗(yàn)變頻改造的熱控邏輯、電氣閉鎖動(dòng)作情況，一一驗(yàn)證了各項(xiàng)聯(lián)鎖保護(hù)功能，各項(xiàng)聯(lián)鎖保護(hù)均能正常動(dòng)作，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

5 交流潤(rùn)滑油泵變頻改造的試運(yùn)行及效果

在2022年6月17日#1機(jī)組大修調(diào)試結(jié)束后，1B交流潤(rùn)滑油泵變頻改造投入了試運(yùn)行，7月份投入了正式運(yùn)行，節(jié)能效果良好。

#1機(jī)組在不同潤(rùn)滑油溫度下盤(pán)車(chē)運(yùn)行，實(shí)際試運(yùn)行測(cè)試，1B交流潤(rùn)滑油泵在42 Hz變頻條件下運(yùn)行，潤(rùn)滑油供油母管壓力均大于0.2 MPa，每小時(shí)節(jié)電量48～50 kW，節(jié)電率40.6%～42.3%。按照#1機(jī)組4 200 h的年盤(pán)車(chē)運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，年可節(jié)電約20.58萬(wàn)kW·h，節(jié)能量可觀，效益良好，一年就可收回投資。

電廠通過(guò)對(duì)電氣控制回路與控制邏輯的反復(fù)研究、優(yōu)化，最終確定變頻器的控制運(yùn)行方式，成功實(shí)施聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組交流潤(rùn)滑油泵變頻改造。此方式突出優(yōu)點(diǎn)是從控制邏輯上實(shí)現(xiàn)了兩種控制邏輯的無(wú)擾切換：當(dāng)變頻器不運(yùn)行時(shí)，控制邏輯自動(dòng)切換回原工頻控制邏輯，不影響機(jī)組的保護(hù)及運(yùn)行安全；當(dāng)變頻器運(yùn)行時(shí)，閉鎖工頻開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，防止非同期并列。在電氣控制回路上實(shí)際工頻合閘時(shí)變頻器自動(dòng)跳閘并斷開(kāi)出口接觸器,工頻運(yùn)行時(shí)變頻器控制回路電源自動(dòng)切斷，變頻器無(wú)法啟動(dòng)。

近年來(lái)氣價(jià)劇烈波動(dòng)，到廠綜合氣價(jià)均在2.2元/m3左右，天然氣成本占?xì)怆娍偝杀靖哌_(dá)80%，造成氣電企業(yè)度電邊際貢獻(xiàn)下降、經(jīng)營(yíng)形勢(shì)嚴(yán)峻[3]。隨著天然氣價(jià)格升高，國(guó)內(nèi)眾多聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組發(fā)電成本上升，發(fā)電量減少，盤(pán)車(chē)運(yùn)行時(shí)間增加，經(jīng)營(yíng)壓力增大，此項(xiàng)交流潤(rùn)滑油泵變頻改造可供同類(lèi)型燃?xì)怆姀S參考。