高壓變頻調速技術在凝結水系統(tǒng)中的應用如何

.前言

漳山電廠位于山西省長治市，始建于2002年，目前擁有兩臺裝機容量各為300MW的直接空冷機組。凝結水系統(tǒng)配裝上海凱士比泵業(yè)有限公司制造的NLT350-400×6型凝結水泵，凝結水泵電機為湘潭電機廠制造的YLKS500-4型，高壓變頻器為北京利德華福電氣技術有限公司制造的HARSVERT-A06/130系列。目前在已投運的大型火電機組中，凝結水泵采用100%容量、一用一備的配備模式，除氧器水位依靠上水調門開度控制，節(jié)流損失大。隨著高壓變頻調速裝置可靠性的提高，應用領域不斷擴大，眾多發(fā)電企業(yè)對凝結水泵進行了變頻改造。在實際改造中，對控制方案的要求主要是變頻凝結水泵運行中事故跳閘，備用泵工頻聯(lián)啟后凝結水壓力陡增，除氧器水位、凝結水其它用戶的控制必須在要求范圍內波動。本文就山西漳山發(fā)電有限責任公司#2機組凝結水泵變頻改造的實際情況，對上述問題作一番探討。

2.凝結水泵的運行工況

在汽輪機低壓缸內做功的蒸汽在空冷島冷卻凝結之后，集中在凝結水箱中，凝結水系統(tǒng)的作用是通過凝結水泵及時的把凝結水送至除氧器中，維持除氧器水位平衡。保證凝結水泵連續(xù)、穩(wěn)定運行是保障電廠發(fā)電機組安全、經濟生產的重要環(huán)節(jié)之一，凝結水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1：凝結水系統(tǒng)圖

凝結水泵電機為6kV/1120kW電機，設計時有一定裕量，每臺機組配備二臺凝結水泵，一臺運行，一臺備用。通過對機組凝結水系統(tǒng)和凝結水泵運行方式、動力系統(tǒng)結構的研究分析，提出一拖二自動工/變頻切換控制方案。由于凝結水泵屬一用一備運行方式，因此采用一拖二方案可以提高變頻設備的利用率，保證系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果。另一方面，凝結水泵具有定期設備輪換的制度，為降低系統(tǒng)操作的難度，系統(tǒng)采用高壓開關等自動切換裝置，從而，使得系統(tǒng)操作簡便、安全可靠。具體系統(tǒng)結構原理如圖2所示：

圖2：系統(tǒng)結構原理圖

凝結水泵變頻改造前，除氧器水位是通過改變凝結水泵出口調整門的開度進行的，調節(jié)線性度差，調整門存在較大的節(jié)流損失。同時由于頻繁的對調整門進行操作，導致閥門的可靠性下降，影響機組的穩(wěn)定運行（我公司1#機組曾發(fā)生三次調整門機械故障）。

改造為高壓變頻器后，凝結水泵出口閥門處于全開位置(同時根據現(xiàn)場實際情況可將旁路門打開，可進一步降低凝結水系統(tǒng)的節(jié)流損失)，僅在倒泵過程中由凝結水母管調整門來控制除氧器水位，正常運行時通過調節(jié)變頻器的輸出頻率改變凝結水泵轉速，達到調節(jié)出口流量控制除氧器水位的目的，滿足運行工況的要求，圖3為凝結水控制方案。

圖3：凝結水控制系統(tǒng)圖

在圖3中，采用雙回路控制，主要是考慮調整門調節(jié)特性與變頻器存在較大差異，單一控制回路的調節(jié)效果不好；通過變頻運行后的實際效果，這種控制回路設計調節(jié)特性很好，兩套回路切換平穩(wěn)。

3 改造中遇到的問題和解決的辦法

（1）高壓變頻調速凝結水泵運行時上水調整門打開，利用改變凝結水泵的轉速調節(jié)除氧器水位造成凝結水壓力較低，最大不超過2.8MPa。運行中凝結水壓力隨負荷降低而下降，為了保證其它設備所需凝結水的壓力，設定變頻調速系統(tǒng)的最低轉速為30Hz，對應凝結水泵的出口壓力為1.2Mpa，修改減溫水壓力低保護關低旁邏輯。

（2）由于變頻凝結水泵用改變轉速調節(jié)使得凝結水壓力低，而定速凝結水泵仍為上水門調整、凝結水壓力很高，運行一旦發(fā)生變頻凝結水泵跳閘備用定速凝結水泵啟動后凝結水壓力、流量突然增大對除氧器水位造成很大的影響。針對此問題將控制邏輯修改為當變頻泵或者變頻泵高壓開關事故跳閘，且發(fā)出聯(lián)啟定速泵的指令時，程序發(fā)出一個與汽輪機調速級壓力具有函數關系的預置指令加到除氧器上水調整門，立即將上水調整門關至一定位置并且程序強制將調整門投入“自動”進行調節(jié)除氧器水位，圖4為#21凝結水泵變頻跳閘后，#22備用工頻凝結水泵聯(lián)鎖啟動后水位與除氧器水位調整門的變化趨勢圖，在切換過程中，除氧器水位波動在正負20mm以內。

圖4：切換過程中水位與閥門動作趨勢

（3）運行變頻凝結水泵跳閘備用定速凝結水泵聯(lián)鎖啟動后凝結水壓力突然升高對凝結水供其它輔助設備影響很大，特別是給水泵機械密封冷卻水系統(tǒng)，由于給水泵機械密封冷卻水差壓一般維持在0.1MPa。針對此問題在給水泵機械密封冷卻水調整門上預置一個與汽輪機調速級壓力具有函數關系的指令，當備用工頻凝結水泵聯(lián)鎖啟動后將該指令輸出至給水泵機械密封冷卻水調整門，延時一段時間后系統(tǒng)切換至給水泵機械密封水差壓自動調整回路。

（4）凝結水泵再循環(huán)調整門是為了保證凝結水系統(tǒng)在低流量時凝結水泵在安全工作區(qū)內運行的，該控制回路的被調量是凝結水泵出口母管壓力，當凝結水泵采用變頻調速系統(tǒng)后，轉速越低，出口壓力越低，為了保證凝結水泵的安全，防止泵體汽蝕，在再循環(huán)調整門的控制指令輸出上疊加一個與除氧器水位調整門具有函數關系的指令，當在變頻運行時，控制再循環(huán)調整門開度。

4．改造后的運行措施

改造后變頻凝結水泵長期運行，定速凝結水泵只作備用。為了保證變頻凝結水泵安全的運行，定速凝結水泵處于良好的備用，以及凝結水供給其它輔助設備的安全運行，制定以下運行措施。

（1）正常運行時變頻凝結水泵運行、定速凝結水泵投入備用，上水調整門開度控制在90%—97%，利用變頻凝結水泵的變頻器對除氧器水位進行自動調節(jié)。低負荷時可以關小上水調整門維持凝結水壓力不低于1.2 Mpa，凝結水泵轉速不低于900r/min，確保變頻凝結水泵和凝結水供給其它輔助設備的安全運行。

（2）每月定期對凝結水泵進行切換運行，以保證備用凝結水泵處于良好狀態(tài)。

（3）機組啟動、停止過程中可以將變頻凝結水泵轉速控制在某一值，采用除氧器水位調整門調節(jié)，不但使除氧器水位穩(wěn)定而且可以保證其他輔助設備有足夠壓力的冷卻水，如低壓旁路減溫水、疏水擴容器減溫噴水、低壓缸減溫噴水等。

5、節(jié)能效果（變頻器運行后檢測）

(1)、節(jié)約廠用電效果顯著

現(xiàn)場截取變頻改造前后的2＃機組實際運行數據記錄，對本機改造前后的電流進行比較，可以比較直觀的反映進行變頻改造后節(jié)能情況，如表1所示。

表1：變頻改造前后電流變化

圖5：改造前后電流變化趨勢圖

表2是某半個月的電能統(tǒng)計，做一個同類機組的橫向比較，可以看出凝泵用電減少許多。

表2：節(jié)電統(tǒng)計

以每臺機組年運行300天計算，使用變頻器可節(jié)約廠用電242萬kW·h，按照0.25元/kW·h計算,折合人民幣60.5萬元。

(2)、減少電機啟動時的電流沖擊

電機直接啟動時的最大啟動電流為額定電流的7倍；星角啟動為4－5倍；電機軟啟動器也要達到2.5倍。觀察變頻器啟動的負荷曲線，可以發(fā)現(xiàn)它啟動時基本沒有沖擊，電流從零開始，僅是隨著轉速增加而上升，不管怎樣都不會超過額定電流。因此凝泵變頻運行解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統(tǒng)和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養(yǎng)費用，圖6為凝結水泵變頻啟動電流趨勢圖（初始轉速900r/min）。

圖6：凝結水泵變頻啟動電流趨勢圖

(3)、延長設備壽命

使用變頻器可使電機轉速變化沿凝泵的加減速特性曲線變化，沒有應力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。同時有關數據說明，機械壽命與轉速的倒數成正比，降低凝泵轉速可成倍地提高凝泵壽命，凝泵使用費用自然就降低了。

(4)、降低噪音

我公司凝結水泵改用變頻器后，降低水泵轉速運行的同時，噪音大幅度地降低，當轉速降低60%時，凝結水泵附近1.5m噪音水平測試85dB,比工頻運行時的110dB減少25dB。同時消除了停車和啟動時的打滑和尖嘯聲，克服了由于調整門線性度不好，調節(jié)品質差，引起管道錘擊和共振，造成凝結水系統(tǒng)上水管道強烈震動的缺陷，凝結水泵的運行工況得到明顯改善。

6、總結

高壓變頻調速系統(tǒng)在凝結水系統(tǒng)中的成功應用，以其顯著的節(jié)能效果和良好的系統(tǒng)響應和控制品質，充分說明在火電廠發(fā)電機組主輔機設備中采用高壓變頻調速技術具有廣闊的應用前景和拓展空間，對提高企業(yè)競爭力、降低發(fā)電成本具有積極意義。