火電廠中凝結(jié)水泵變頻技術(shù)研究

山東省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 于惠莉 山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?王志塏

1 火電廠凝結(jié)水泵工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 凝結(jié)水泵介紹

在火電廠中，經(jīng)鍋爐加熱水后，水從液態(tài)變成飽和蒸汽，并向汽輪機(jī)輸送，汽輪機(jī)對(duì)其實(shí)施作業(yè)之后將飽和蒸汽排入凝汽器，此時(shí)的蒸汽也被稱作乏汽，乏汽經(jīng)循環(huán)冷卻之后變作凝結(jié)水，此時(shí)水的溫度在40℃左右，當(dāng)凝結(jié)水傳送到凝汽熱井時(shí)，會(huì)分為左右兩路來(lái)傳送，凝結(jié)水經(jīng)過(guò)凝結(jié)水泵升壓之后，會(huì)順著出口管道來(lái)輸送，先后流到凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥以及低壓加熱器之后進(jìn)入除氧器，此時(shí)的水經(jīng)過(guò)高壓加熱器向鍋爐汽包進(jìn)行輸送，進(jìn)入到鍋爐汽包的水又經(jīng)過(guò)鍋爐的加熱變作高壓高溫的飽和蒸汽，后被輸送到汽輪機(jī)內(nèi)，轉(zhuǎn)化成乏汽回到凝汽器不斷循環(huán)和往復(fù)。

通過(guò)以上輸送流程可了解到：除氧器、低壓加熱器以及凝結(jié)水泵是凝結(jié)水系統(tǒng)的主要設(shè)施，凝結(jié)水泵除了對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行輸送之外，也會(huì)向定子冷卻水箱定期補(bǔ)水。凝結(jié)水調(diào)整門和除氧器調(diào)整門是凝結(jié)水系統(tǒng)兩個(gè)主要的閥門，其中凝結(jié)水調(diào)整門發(fā)揮的功能如下所示：一方面會(huì)調(diào)整凝結(jié)水泵出口水流量和壓力，另一方面能對(duì)凝結(jié)水熱井水位加以保障，滿足凝結(jié)水泵的入口壓力。除氧器調(diào)整門主要作用是參照機(jī)組對(duì)凝結(jié)水的需求，向除氧器來(lái)輸送凝結(jié)水，以上兩個(gè)主要的閥門通過(guò)彼此的協(xié)作，實(shí)時(shí)調(diào)整凝結(jié)水流量。在系統(tǒng)正常運(yùn)作時(shí)會(huì)關(guān)閉凝結(jié)水調(diào)整門，利用除氧器調(diào)整門對(duì)凝結(jié)水量做出調(diào)節(jié)。

除此之外，保障除氧器和凝汽器液位的穩(wěn)定是凝結(jié)水泵的另一關(guān)鍵作用。除氧器與凝汽器液位會(huì)隨著機(jī)組負(fù)荷的變化而變化，在實(shí)際運(yùn)作期間會(huì)對(duì)除氧器上水調(diào)門加以調(diào)整，來(lái)控制凝結(jié)水流量的平衡。在調(diào)節(jié)除氧器上水調(diào)門上，如幅度過(guò)大會(huì)降低凝汽器水位，升高除氧器水位。基于此，要對(duì)除氧器上水調(diào)門做出合理的調(diào)節(jié)[1]。

1.2 凝結(jié)水泵工藝系統(tǒng)

離心式水泵是我國(guó)一些火電廠應(yīng)用的凝水泵，在水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪受到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的引導(dǎo)高速旋轉(zhuǎn)，液體進(jìn)入葉輪之后，隨著不斷的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力，同時(shí)液體會(huì)受到離心力的作用，被甩向葉輪外圍區(qū)域產(chǎn)生能量，在離開(kāi)葉輪進(jìn)入泵殼之后，液體的速度有所降低，其中部分動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為靜壓能，一些具備較高靜壓能的液體會(huì)在水泵出口對(duì)外排出，在水泵運(yùn)轉(zhuǎn)期間，一些液體被甩出葉輪，與葉輪中心部位形成低差，低差和吸入口形成壓差，在壓差的影響下，葉輪的吸入口會(huì)不斷的吸入液體。利用低壓加熱器將凝結(jié)水打入除氧器，保障除氧器水量充足，滿足現(xiàn)實(shí)的工藝需求，在不浪費(fèi)電能的同時(shí)，起到節(jié)能降耗的作用是火電廠凝結(jié)水泵建設(shè)的主要目的[2]。

火力發(fā)電廠凝結(jié)水泵的配置包含以下幾種：第一，2×50%配置；第二，2×100%配置；第三，3×50%配置。據(jù)相關(guān)資料顯示：火電廠凝結(jié)水泵電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于重度節(jié)流的狀態(tài)，此舉不但浪費(fèi)了電能，也讓凝結(jié)水泵具備較低的應(yīng)用效率，所以善用變頻技術(shù)、保障水泵發(fā)揮節(jié)能降耗的作用是火電廠最應(yīng)關(guān)注的問(wèn)題。

2 火電廠中凝結(jié)電泵應(yīng)用變頻技術(shù)的研究——以具體方案為例

2.1 工程概述

以A公司兩臺(tái)凝結(jié)水泵為研究主體，機(jī)組配備的凝結(jié)水泵正常運(yùn)作時(shí)，一臺(tái)運(yùn)作，一臺(tái)備用，凝結(jié)水具有的流量大小與汽輪機(jī)負(fù)荷呈現(xiàn)直接關(guān)系，定速運(yùn)行是凝結(jié)水泵的運(yùn)行原理，所以控制閥門會(huì)跟隨機(jī)組對(duì)出口流量進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)。節(jié)流損失較大，具備較高的出口壓力，凝結(jié)水泵運(yùn)行效率不高，再加上在閥門控制上，會(huì)應(yīng)用電動(dòng)機(jī)械對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整性能不佳，具備較差的線性度。各部門對(duì)設(shè)備和閥門維修頻次不高，某種程度上也影響了凝結(jié)水泵作用的發(fā)揮。在此背景之下，A公司對(duì)凝結(jié)水泵做出了變頻技術(shù)改造，希望可以獲取較多的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。表1是凝結(jié)水泵和電動(dòng)機(jī)相關(guān)的技術(shù)參數(shù)。

表1 凝結(jié)水泵和電動(dòng)機(jī)相關(guān)的技術(shù)參數(shù)

2.2 變頻技術(shù)改造方案

2.2.1 應(yīng)用的變頻改造技術(shù)

本方案堅(jiān)持可靠，安全的原則，在變頻技術(shù)改造期間，對(duì)其中一臺(tái)凝結(jié)水泵加以改造，另一臺(tái)保持原狀不變，通過(guò)試驗(yàn)選擇具備較高的安全性能的ACS800變頻器方案，并在此基礎(chǔ)上對(duì)凝結(jié)水泵電機(jī)加以更換，不但可以提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率，也可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

ACS800變頻器包含了變頻器的常規(guī)功能，并應(yīng)用了DTC技術(shù)，具備的優(yōu)勢(shì)如下所示：DTC具備較強(qiáng)的磁通優(yōu)化能力和速度轉(zhuǎn)矩控制特點(diǎn)，變頻器的主要控制變量是轉(zhuǎn)矩和定子磁通，并在改造方案中結(jié)合了電機(jī)軟件模型和數(shù)字信號(hào)處理器，可保障電機(jī)每秒更新4萬(wàn)次。同時(shí)，因不存在固定的開(kāi)關(guān)頻率驅(qū)動(dòng)，所以電機(jī)在運(yùn)作期間不會(huì)產(chǎn)生高頻的噪聲。在幾毫秒時(shí)間內(nèi)，ACS800就能對(duì)電機(jī)的狀態(tài)加以檢測(cè)，具備較佳的自啟動(dòng)性能。IGBT應(yīng)用了光纖觸發(fā)技術(shù)，抗干擾和安全可靠性能較高，在惡劣的環(huán)境下也可應(yīng)用。

2.2.2 電氣主接線和應(yīng)用的主設(shè)備

第一，應(yīng)用變頻技術(shù)的接線方式和運(yùn)作模式。針對(duì)改造的凝結(jié)水泵，對(duì)其進(jìn)行變頻技術(shù)應(yīng)用，將其電動(dòng)機(jī)額定電壓由原來(lái)的6kV降低到690V，保持電動(dòng)機(jī)容量和電源開(kāi)關(guān)不變。圖1是凝結(jié)水泵電機(jī)變頻控制的接線圖。在正常運(yùn)行模式下，關(guān)上凝結(jié)水泵開(kāi)關(guān)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)被變頻器所帶動(dòng)加以轉(zhuǎn)動(dòng)。在工頻運(yùn)行模式下，合上開(kāi)關(guān)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)被旁路軟啟動(dòng)器限流所帶動(dòng)加以轉(zhuǎn)動(dòng)。在啟動(dòng)結(jié)束之后合上接觸器，工頻會(huì)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)作。

圖1 凝結(jié)水泵電機(jī)變頻控制的接線圖

第二，應(yīng)用的主設(shè)備和設(shè)備配置情況。選擇干式變壓器來(lái)作為變頻變壓器，變壓器具有超溫報(bào)警的功能，在正常運(yùn)行時(shí)，變頻變壓器分接開(kāi)關(guān)位置處于四到五檔。選擇的凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)參數(shù)型號(hào)如下所示：額定功率為430kW，額定電流為450A，額定電壓為690V，型號(hào)為Y400-4，會(huì)應(yīng)用STR數(shù)字式交流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器，該啟動(dòng)器應(yīng)用了電子電力技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器電流，電壓突變等問(wèn)題予以改善。其型號(hào)信息如下所示：額定電壓為660V，額定功率為450kW，點(diǎn)動(dòng)控制限流啟動(dòng)是其啟動(dòng)模式，具備過(guò)載、過(guò)熱、過(guò)流保護(hù)功能。

2.2.3 凝結(jié)水泵控制邏輯和變頻器功能設(shè)置

凝結(jié)水泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理如下所示：為保障除氧器水位和凝汽水位的平衡，會(huì)應(yīng)用凝泵變頻器來(lái)操作：H-SPH＞L-SPL時(shí)，降低變頻器的輸出，反之，要增加變頻器的輸出；H為除氧器水位，SPH為除氧器水位設(shè)定值，L為凝汽器水位，SPL為凝汽器水位設(shè)定值；為對(duì)除氧器水位平均高度加以控制，會(huì)采用化補(bǔ)水等方式來(lái)實(shí)施，如下所示：H+L＞SPH+SPL時(shí)降低化補(bǔ)水流量，反之增加化補(bǔ)水流量。為保障凝結(jié)水泵變頻器可以發(fā)揮作用，正常運(yùn)行，會(huì)實(shí)施以上控制對(duì)策。對(duì)回路設(shè)計(jì)切換器加以控制，系統(tǒng)在變頻器運(yùn)作停止或出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)會(huì)退出變頻自動(dòng)控制，轉(zhuǎn)化為初始設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)。

在對(duì)凝結(jié)水母管進(jìn)行壓力控制時(shí)，利用除氧器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥將凝泵變頻器及其壓力維持在一定的范圍之內(nèi)，系統(tǒng)在凝結(jié)水泵變頻器運(yùn)作停止或出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)，會(huì)退出變頻自動(dòng)控制，轉(zhuǎn)化為初始設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)。變頻器功能設(shè)置如下所示。

變頻器具備欠壓功能，如在變頻系統(tǒng)中輸入電壓跌落，直流回路電壓跌落到80%時(shí)，變頻器會(huì)發(fā)揮欠壓功能，借助負(fù)載具備的慣性，引導(dǎo)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電勢(shì)能向中間直流回路續(xù)流能量，當(dāng)電壓跌落到70%時(shí)，變頻器發(fā)揮作用對(duì)外進(jìn)行欠電壓的報(bào)警，變頻器停機(jī)標(biāo)準(zhǔn)是直流電壓低于65%。為保障變頻期正常操作，在變頻中輸入電壓，將其恢復(fù)正常，即可讓變頻器恢復(fù)正常的運(yùn)行。10s是變頻器斷電后再啟動(dòng)的初始化時(shí)間，3ms是轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)的時(shí)間。在結(jié)構(gòu)設(shè)置上，變頻器采用了電壓源型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用了IGBT大功率的元器件，此器件屬于單管結(jié)構(gòu)，無(wú)需進(jìn)行串并聯(lián)。

同時(shí)，在變頻器中應(yīng)用了DTC控制技術(shù)，轉(zhuǎn)矩和電機(jī)磁通直接控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，電機(jī)模型的輸入即測(cè)量的電機(jī)電流和直流電壓，此模型在運(yùn)作期間每25us會(huì)產(chǎn)生精確的磁通和轉(zhuǎn)矩值，轉(zhuǎn)矩比較器會(huì)比較實(shí)際值和轉(zhuǎn)矩的給定值，同時(shí)磁通比較器也會(huì)對(duì)比磁通的現(xiàn)實(shí)值與給定值，對(duì)上述輸出值進(jìn)行計(jì)算，來(lái)明確逆變器的最佳開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

3 火電廠凝結(jié)水泵運(yùn)行效果和取得的經(jīng)濟(jì)效益

在凝結(jié)水泵系統(tǒng)改造之前，在控制凝結(jié)水流量大小上會(huì)結(jié)合機(jī)組的負(fù)荷情況對(duì)凝結(jié)水閥門開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整。而在實(shí)施變頻改造之后，全開(kāi)控制閥門，對(duì)變頻輸出加以控制，以此改變凝結(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保障水流量可以符合預(yù)期，此方案的設(shè)計(jì)具備調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便，節(jié)能降耗的優(yōu)勢(shì)。

3.1 運(yùn)行效果分析

應(yīng)用變頻技術(shù)做出方案改造，可以讓相關(guān)人員更平穩(wěn)的對(duì)流量加以調(diào)節(jié)，也提高了系統(tǒng)調(diào)整控制的自如性。對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)作加以改善，提升了系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)性能，完善了調(diào)節(jié)的品質(zhì)，在凝結(jié)水泵系統(tǒng)中應(yīng)用變頻技術(shù)。保障冷卻水流量和出口壓力符合現(xiàn)實(shí)工藝的需求。隨著機(jī)組負(fù)荷的變化，也可以保障凝結(jié)水泵調(diào)節(jié)相應(yīng)的輸出功率，明顯降低了凝結(jié)水泵的單耗，達(dá)到節(jié)能目的。

與此同時(shí)，盡可能降低因閥門開(kāi)度調(diào)節(jié)導(dǎo)致的壓力損失，對(duì)提高系統(tǒng)運(yùn)作效率有現(xiàn)實(shí)意義，改造的變頻器具備軟啟動(dòng)和保護(hù)電動(dòng)機(jī)的功能，不但減少了啟動(dòng)電流設(shè)備受到損壞的概率，一定程度上也延長(zhǎng)了設(shè)備的應(yīng)用周期。應(yīng)用了變頻技術(shù)之后，降低了軸承密封損壞和磨損的概率，也降低了火電廠維修成本和維修工作量。同時(shí)，系統(tǒng)在改造過(guò)后大幅度降低了電動(dòng)機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

此變頻改造費(fèi)用大約為98萬(wàn)元，現(xiàn)對(duì)改造前后信息做出對(duì)比，如下所示：430kW是電動(dòng)機(jī)的輸出功率，每年運(yùn)轉(zhuǎn)8000h，其中4000h處于85%的流量，4000h處于70%的流量。

基于傳統(tǒng)閥門調(diào)節(jié)形式之下，運(yùn)作信息如下所示：當(dāng)流量Q處于85%時(shí)，功率信息即97%×430kW=417.1kW；當(dāng)流量Q處于70%時(shí)，功率所需即94%×430kW=392.1kW；整年消耗的電量信息為（417.1kW+392.1kW）×4000h＝3236800kWh。在變頻改造狀況下，運(yùn)行信息如下所示：流量Q處于85%時(shí)，功率所需67%×430kW=288.1kW；流量Q處于70%時(shí)，功率所需51%×430kW=219.3kW；全年消耗的電量信息為（288.1kW+219.3kW）×4000h＝2029600kWh。綜上所述，整年節(jié)能效果為3236800-2029600＝1207200kWh，所以具備非常明顯的節(jié)能效果。

4 結(jié)語(yǔ)

在凝結(jié)水泵機(jī)組中應(yīng)用變頻技術(shù)，實(shí)施變頻改造具有節(jié)能降耗的作用。本課題以具體的案例為研究對(duì)象，對(duì)凝結(jié)水泵實(shí)施變頻改造，在電氣主接線應(yīng)用設(shè)備、變頻器功能設(shè)置和凝結(jié)水泵控制邏輯上做出針對(duì)性的研究，分析改造前后取得的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果，通過(guò)實(shí)際分析了解到改造工程整年節(jié)能效果明顯。同時(shí)，實(shí)施變頻技術(shù)延長(zhǎng)了設(shè)備的應(yīng)用壽命，降低了設(shè)備磨損的概率，也降低了火電廠維修工作總量。

與此同時(shí)，實(shí)施變頻改造也能降低電動(dòng)機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，將最大電流控制在有效的范圍之內(nèi)，所以對(duì)于我國(guó)火電廠來(lái)說(shuō)，有必要在凝結(jié)水泵機(jī)組中大規(guī)模的推廣變頻技術(shù)，火電廠也要加大變頻技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用力度，為節(jié)約能源，取得經(jīng)濟(jì)效益奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。