哈爾濱第三電廠4號機組凝結(jié)水泵的變頻改造

李柏新

(華電能源哈爾濱第三發(fā)電廠，黑龍江哈爾濱150024)

0 引言

近年來，黑龍江電網(wǎng)的負荷峰谷差越來越大，隨之調(diào)峰深度逐步增大，深度調(diào)峰任務(wù)使高壓電機的啟停次數(shù)增加。而采用變頻調(diào)速技術(shù)可實現(xiàn)高壓電機的軟啟動，改善電動機運行環(huán)境。因此，如何在高壓電動機中運用變頻調(diào)速技術(shù)，取得更大的節(jié)能降耗的效果，并解決高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用中的實際問題，如電機變頻運行時的可靠性、變頻與工頻的切換、電機方式改變對熱力系統(tǒng)的影響等，將具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 凝結(jié)水泵運行現(xiàn)狀

華電能源哈爾濱第三發(fā)電廠4號機組為600 MW的燃煤發(fā)電機組。該機組凝結(jié)水泵流量大于機組最大凝結(jié)水流量，電機功率也大于凝結(jié)水泵最大輸出功率，采用調(diào)節(jié)氣動調(diào)節(jié)門控制凝結(jié)水流量，機組在額定負荷下運行時，凝結(jié)水泵效率較為理想;而機組在低負荷運行時，電動調(diào)門長期固定在20%～40%開度，氣動調(diào)門在30% ～60%開度調(diào)節(jié)，節(jié)流損耗隨機組負荷降低而迅速升高。凝結(jié)水系統(tǒng)流程如圖1所示。

凝結(jié)水系統(tǒng)運行中存在的主要問題:

a.調(diào)門動作遲緩，手動時運行人員操作不靈活，而且操作不當會造成除氧器振動，投入自動運行時，很難達到最佳調(diào)節(jié)品質(zhì)。

b.氣動調(diào)門執(zhí)行機構(gòu)故障較多，不能適應(yīng)長期頻繁調(diào)節(jié)，使凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)一直不能正常投入自動運行。

c.凝結(jié)水泵在啟動時，采用直接啟動方式，啟動電流為額定電流的5～8倍，電動機受到的機械、電氣沖擊較大，經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂事故。

d.凝結(jié)水泵由于設(shè)計原因，電動機容量比水泵額定出力大，多余容量不能利用，浪費了電能。

e.氣動調(diào)整門受水流沖刷較嚴重。

f.機組經(jīng)常低負荷調(diào)峰，凝結(jié)水流量較低，大量電能消耗在閥門節(jié)流及凝結(jié)水再循環(huán)上。

圖1 哈三電廠4號機組凝結(jié)水系統(tǒng)

2 凝結(jié)水系統(tǒng)變頻改造的設(shè)計要求

2.1 熱控聯(lián)鎖保護

工頻運行時凝結(jié)水泵出口壓力低聯(lián)鎖:由于在變頗運行時(特別是在低負荷階段)泵的轉(zhuǎn)速較低，原凝泵出口壓力低的連鎖定值就不再合適。給水泵密封水壓力及各種采用凝結(jié)水作為冷卻水的系統(tǒng)，均有壓力下降的可能，既要通過變頻調(diào)速保證除氧器水位，同時又要保證凝潔水壓力，以確保其他凝結(jié)水用戶可靠運行。

2.2 一次系統(tǒng)設(shè)計

電氣一次回路按“一拖二”方案設(shè)計，實現(xiàn)1臺凝泵變頻運行，另1臺凝泵工頻備用，可定期實現(xiàn)設(shè)備輪換及事故切換。變頻器進、出口開關(guān)之間以及變頻器進、出口開關(guān)與原凝泵電源開關(guān)之間的可靠閉鎖，要在變頻器本身與DCS之間合理分配控制功能。避免二者出現(xiàn)控制真空、不必要的信號傳遞和重疊設(shè)置閉鎖，以致增加系統(tǒng)的不可靠性。

2.3 控制方式設(shè)計

設(shè)計控制方案時，需重點考慮以下控制要求:

a.正常運行控制。要求變頻泵單臺運行時，利用對變頻泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)去控制除氧器水位;而工頻泵單臺運行時，仍利用氣動調(diào)節(jié)門來控制除氧器水位。

b.故障時除氧器水位控制。凝結(jié)水泵在工頻運行時依靠調(diào)節(jié)氣動調(diào)整門控制除氧器水位。變頻運行時靠調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速控制除氧器水位，凝結(jié)水泵在變頻運行中跳閘切換為工頻運行時，要保證2種控制方式間無擾切換。在切換的同時，電動調(diào)節(jié)門要按照最大速率關(guān)到一定開度，20% ～50%開度呈線性對應(yīng)300～600 MW，運行人員根據(jù)當時負荷和除氧器水位需要手動調(diào)整氣動調(diào)節(jié)門開度，保證除氧器不發(fā)生滿水或缺水。

c.定期切泵控制。凝結(jié)水泵1臺變頻運行、另1臺工頻備用為其最主要的運行方式。為保證1臺凝結(jié)水泵長期變頻運行時而另1臺工頻備用凝結(jié)水泵的可靠備用，需定期輪換運行的凝結(jié)水泵，包括以下具體方式:變頻運行正常切換至工頻運行的控制、工頻運行正常切換至變頻運行的控制、工作泵變頻運行正常切換至備用泵變頻運行。

3 凝結(jié)水泵高壓變頻系統(tǒng)設(shè)計

4號機組凝結(jié)水泵選用的高壓變頻系統(tǒng)由6 kV電源進線開關(guān)、高壓變頻器、6 kV輸出開關(guān)、電機構(gòu)成，考慮到電廠凝結(jié)水泵的運行可靠性，高壓變頻系統(tǒng)，須設(shè)置自動工頻旁路。一次接線方式如圖2所示。

旁路控制方式為手/自動旁路，可以在凝結(jié)水泵工頻運行同時進行開關(guān)檢修工作。從自動旁路切換方式看，變頻切換至工頻方式可由變頻器程序自動切換，也可通過DCS或就地控制面板來手動切換;而工頻切換至變頻方式，則采用DCS或就地控制面板手動切換，因為工頻情況下發(fā)生故障。

圖2 高壓變頻器及旁路一次接線方式

2臺凝結(jié)水泵平時采用“一拖二”方案。正常運行時，變頻器拖動1臺凝泵運行，另1臺工頻備用。當變頻器運行中自身故障或電機、電纜故障時，變頻器保護動作跳閘，備用泵工頻自動聯(lián)啟。

為防止變頻器反充電，變頻器輸出開關(guān)QF4與QF1開關(guān)的合閘控制回路互相閉鎖;變頻器輸出開關(guān)QF5和QF2開關(guān)的合閘控制回路互相閉鎖;變頻器輸出開關(guān)QF4和QF5開關(guān)的合閘控制回路互相閉鎖。

4 除氧器水位自動控制策略

高壓變頻改造后，在凝結(jié)水泵變頻運行方式下，除氧器上水電動調(diào)節(jié)門、氣動調(diào)節(jié)門處于全開位置，僅在啟停機過程中由除氧器上水電動調(diào)節(jié)門、氣動調(diào)節(jié)門來控制除氧器水位(此時凝結(jié)水泵為定速)，正常運行時通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率改變凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)出口流量控制除氧器水位。在凝結(jié)水泵工頻運行方式下，除氧器水位按改造前的方式進行調(diào)節(jié)。另外，凝結(jié)水泵變頻運行時，由于電動調(diào)節(jié)門、氣動調(diào)節(jié)門全開，凝結(jié)水壓力較低，若凝結(jié)水泵由變頻運行方式切換至工頻運行方式時，不及時關(guān)小電動調(diào)節(jié)門、氣動調(diào)節(jié)門，則造成凝結(jié)水流量突然增大、除氧器水位急劇上升。為了解決此問題，將除氧器上水調(diào)整門(包括電動調(diào)節(jié)門和氣動調(diào)節(jié)門)的控制邏輯作如下修改:

a.在保留原有凝泵工頻運行方式下，將除氧器水位的單沖量、三沖量調(diào)節(jié)改由30%流量調(diào)節(jié)門和70%流量調(diào)節(jié)門聯(lián)合控制。

b.增加變頻控制方式下由變頻器調(diào)節(jié)凝泵轉(zhuǎn)數(shù)控制除氧器水位的單沖量、三沖量調(diào)節(jié)控制邏輯。

c.由于變頻凝結(jié)水泵改用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使得凝結(jié)水壓力低，而定速凝結(jié)水泵仍為上水門調(diào)整，凝結(jié)水壓力很高，一旦發(fā)生變頻凝結(jié)水泵跳閘，備用定速凝結(jié)水泵啟動后，則凝結(jié)水壓力、流量就會突然增大，對除氧器水位將造成很大的影響。對此，將控制邏輯修改為單臺凝結(jié)水泵變頻運行跳閘，聯(lián)鎖備用凝泵，30%調(diào)節(jié)門保持不動，按負荷對應(yīng)的70%調(diào)節(jié)門的關(guān)系曲線自動回關(guān)，當聯(lián)動的凝結(jié)水泵工頻運行延時5 s時，解除70%調(diào)節(jié)門控制站跟綜條件。

d.高壓變頻調(diào)速凝結(jié)水泵運行時，將上水調(diào)整門打開，利用改變凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)除氧器水位造成凝結(jié)水壓力較低。運行中凝結(jié)水壓力隨負荷降低而下降，為了保證其它設(shè)備所需凝結(jié)水的壓力，設(shè)定變頻調(diào)速系統(tǒng)的最低轉(zhuǎn)速所對應(yīng)頻率為30 Hz。而改后邏輯為變頻調(diào)速轉(zhuǎn)速給定指令低于60%時，閉鎖任何指令，變頻器頻率輸出保持在30 Hz，即900 r/min，防止凝結(jié)水壓力過低。

e.機組啟動、停止過程中，將變頻凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速控制在某個值，采用原除氧器水位調(diào)整門調(diào)節(jié)邏輯，不但使除氧器水位穩(wěn)定，而且可以保證其它輔助設(shè)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 除氧器水位自動控制效果

機組啟動、停止過程中，凝結(jié)水泵控制方式為變頻-手動，除氧器水位調(diào)節(jié)采用原30%、70%上水調(diào)門聯(lián)合控制上水的控制策略，凝結(jié)水泵處于非額定運行方式下，節(jié)流損失減小，節(jié)約了大量電能。

正常運行時，采用原30%、70%上水調(diào)門全開，變頻裝置根據(jù)機組負荷調(diào)整凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速來控制水位的方式。變頻調(diào)節(jié)響應(yīng)速度很快，水位調(diào)節(jié)品質(zhì)較原控制方式有了很大的提高。

事故情況下，單臺凝結(jié)水泵變頻運行跳閘，聯(lián)鎖備用凝泵，30%調(diào)節(jié)門保持不動，70%調(diào)門按其與負荷對應(yīng)的的關(guān)系曲線(20%～40%開度對應(yīng)300～600 MW)自動回關(guān)。當聯(lián)動的凝結(jié)水泵工頻運行延時5 s時，解除70%調(diào)門控制站跟綜條件，由運行人員根據(jù)水位波動情況手動調(diào)整70%調(diào)門開度，同時將30%調(diào)門投入自動，提高了系統(tǒng)運行可靠性。

6 哈三電廠凝結(jié)水泵變頻改造效益分析

6.1 直接經(jīng)濟效益分析

哈三電廠熱試專業(yè)人員選取5種具有代表性的負荷分配各1 d，基本涵蓋了哈三電廠4號機組1 a中不同時期的接帶負荷情況，使用功率測試儀表對凝結(jié)水泵在改造前后5 d的實測數(shù)據(jù)進行比較，經(jīng)過計算日平均節(jié)約電能21 224.8 kW·h，年平均節(jié)約費用127.2萬元，靜態(tài)投資回收年限2 a，該項目的節(jié)能效果非常明顯。

6.2 間接經(jīng)濟效益分析

除上述直接經(jīng)濟效益外，改用變頻調(diào)速后還有如下優(yōu)點:

a.采用的單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器其諧彼含量極低，避免了電機的附加加熱、噪聲、dV/dt應(yīng)力及共模電壓損害等問題，功率因數(shù)也由原來的0.80左右提高到0.95以上。

b.減小了電機啟動對廠用高壓母線的沖擊，母線電壓降幾乎可以忽略不計，改善了其它高壓電機的運行環(huán)境。

c.采用變頻調(diào)節(jié)，其器控制調(diào)節(jié)品質(zhì)遠遠好于調(diào)門調(diào)節(jié)，有利于DCS系統(tǒng)對系統(tǒng)的控制。

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