基于某600MW亞臨界機組凝結水泵的變頻改造分析

摘 要：文章從某電廠600MW亞臨界機組凝結水泵的運行情況入手，分析了對其進行變頻改造的必要性，在原有凝結水泵設備及運行方式的基礎上，對其進行了變頻設計和改造，同時闡述了改造后的運行方式及對除氧器水位調節的影響，達到了降耗節能的目的，值得參考。

關鍵詞：600MW亞臨界機組；凝結水泵；變頻改造；分析

在電力電子技術以及現代通信和高壓電氣技術快速發展的背景下，高壓變頻技術已經成為確保電力企業變頻設備工作狀態穩定，以及有效節能的主要途徑。文章根據某600MW亞臨界機組凝結水泵的自我特性結合其運行方式，合理地對其進行了優化改造，實踐證明，這種變頻改造不但使機組的運行狀態更加穩定，而且節能效果顯著，對提高電力企業的經濟效益具有較強的實踐意義。

1 改造的必要性分析

從形式上看，伴隨電力體制的改革，電力行業已經將傳統的經營模式轉化成“廠網分開”的新的運營機制，這種模式的市場競爭性明顯，而要在此種形式下達到企業利潤最大化，關鍵問題便集中在機組運行成本的經濟性是否明顯上；在當前我國低碳節能背景下，只有有效降耗節能、降低生產成本，才能讓電力企業走上可持續的快速發展道路。從這個意義上講，機組的改造已迫在眉睫。

2 設備概述及當前運行方式

該廠有2臺600MW機組，汽輪機為東方汽輪機廠生產制造的亞臨界中間一次再熱、單軸、雙背壓、三缸四排汽、沖動純凝汽式汽輪機，型號為：N600-16.67/538/538，機組采用復合變壓運行方式，汽輪機的額定轉速為3000r/min。單臺機組設計100%容量NLT500-570X4S立式筒型凝結水泵2臺，1臺運行，1臺備用，由上海凱士比泵有限公司制造。凝結水泵設計流量為1628m3/h，軸功率1724kW，轉速1490rpm，必須汽蝕余量為5.2m，級數為四級；配套電機由上海電機廠生產，型號為YLKS630-4，額定電壓6kV，功率因數為0.89，額定功率2000kW。系統采用傳統配置，即除氧器水位由水位調節閥控制，由于機組經常參與調峰運行，滿負荷時間較短，除氧器水位調節閥開啟不足，由節流引起的凝結水壓力損失嚴重，凝結水泵偏離了經濟區域運行，較大的影響了機組的經濟性。根據同行業電廠的改造經驗分析，若將水泵改為變頻調速控制，則泵和電機的結構均無需改變，一臺機組只需增加一臺變頻器即可。如此，調節閥便可長時間處于大開度狀態，大大減少了節流損失，進而達到節能的目的。

3 凝泵變速運行節能的理論基礎

依照水泵的相似定律，即在相似（同時滿足幾何相似、運動相似與動力相似）點處，水泵轉速、流量、揚程和功率之間的關系如下：Q1/Q0=n1/n0；H1/H0=（n1/n0）2=（Q1/Q0）2；P1/P0=（n1/n0）3。其中，n0、Q0、H0、P0分別為水泵在額定工況下的轉速、流量、揚程和功率；式中的n1、Q1、H1、P1分別為水泵在n1轉速下的轉速、流量、揚程和軸功率。由理論計算可知，改變較少的轉速，降低較大幅度的功率值，而流量、揚程下降幅度較少。在凝結水泵變頻改造中，我們可以根據實際情況在保證凝結水泵汽蝕安全、電機振動幅度安全、以及低負荷時出口壓力滿足系統要求的情況下，通過修改和降低母管壓力定值，達到節能降耗的目的。雖然變速運行時，凝泵效率曲線隨著轉速的改變也會發生相應的變化，但通常情況下，當凝結水泵轉速大于50%額定轉速時，即可使其處于高效率運行狀態。

4 凝泵變頻裝置選型

變頻調速改造的前提是保證機組運行的穩定性與可靠性，否則節能無從談起。因此，需要對變頻器的主電路拓撲結構、功率單元、冷卻系統及故障診斷等方面進行分析和對比；同時，由于發電廠的廠用母線因備用電源自動投入、大容量電機直接啟動等原因，電壓波動較大，因此要求變頻器能在較寬的電壓范圍內持續穩定運行；此外還要求變頻器的輸入、輸出諧波必須控制在標準規定的范圍內，不應對廠用電系統的自身正常工作造成影響。基于以上考慮，經過公開的技術及商務評標，最后中標產品為符合上述條件的某品牌變頻器。該變頻器拓撲結構為功率單元串聯式多電平電壓源型，主要特點有：（1）對輸入電壓的要求不高，電壓波動范圍在65%～115%均滿足系統要求；（2）電源高次諧波含量低，采用串聯多重整流方式抑制輸入端高次諧波，無需配置諧波濾波器等裝置，完全滿足高次諧波的規定；（3）獨有的軟充電技術，減少了零部件數量，提高了可靠性和效率；（4）輸出電壓與電流波形接近正弦波，降低了對電機的沖擊；（5）采用壽命較長的薄膜電容來代替電解電容，降低了維護成本。

5 動力方案選擇以及改造后的凝泵運行方式

為了充分發揮變頻器的功效，該廠選用了手動一拖二方式，一次原理圖如圖1。

圖1

其中，QF1、QF2為用戶原有凝結水泵斷路器，QS1、QS2為單刀單擲隔離開關，QS3、QS4為單刀雙擲隔離開關。QS1、QS2互鎖，即QS1合上時，QS2合不上；QS3、QS4互鎖，即QS3投到b點時，QS4不能投到b點。QS1、QS3聯鎖，即QS1合上時，QS3才能投到b位置；QS2、QS4聯鎖，即QS2合上時，QS4才能投到b位置。切換時，初始狀態為QF1斷開，QS1閉合。QS3投到b位置，QS4投到a位置。此時電機A為變頻就緒狀態，電機B為工頻就緒狀態。變頻就緒時，合QF1，運行變頻器，此時電機A處于變頻運行狀態，電機B處于工頻備用狀態；需要切換至電機B變頻運行狀態時，先斷開高壓開關QF1，再斷開QS1，將QS3投到a位置，此時電機A處于工頻備用狀態。斷開高壓開關QF2，再合上QS2、將QS4投到b位置，合高壓開關QF2，此時電機B處于變頻運行狀態。電機A處于工頻備用狀態。此外，在檢修變頻器時，QS3（QS4）倒到a位置，斷QS1（QS2）。

變頻改造前，當凝結水泵備用投入后，兩臺泵工頻互為備用，但不能并列運行。改造后，兩臺泵變頻方式不作為備用，備用泵始終為工頻方式；從工頻到變頻切換時，只能手動進行切換；變頻和工頻可以并列運行。凝泵變頻器不接受聯鎖啟動指令，在參與除氧器水位控制時，初始指令為控制回路預置的10%指令。在原除氧器水位調閥切除自動條件出現、變頻器重故障或變頻器停止時，自動切除變頻調節自動。

6 凝泵變頻器與除氧器水位調節閥切換過程

除氧器水位調節閥設有主路調門和輔路調門，并聯安裝在軸封冷卻器出口與8號低壓加熱器進口管道之間；該廠凝結水額定流量為1628t/h，輔路調門設計流量最大為480t/h（約30%BMCR），主路調門設計流量為1540t/h。具體過程如下。

變頻器運行時，運行人員將水位調節門手動調至最大開度后，同時投入“除氧器水位調閥控制”自動（主路調門或輔路調門任意一個投入）和“除氧器水位變頻控制”自動，此時“除氧器水位調閥控制”將自動切換到慢速模式，調閥根據除氧器水位緩慢動作或者不動，除氧器水位主要通過凝泵變頻來調節。

變頻器故障時，可自動切除“除氧器水位變頻控制”自動，此時工頻泵聯鎖啟動，若“除氧器水位調節門控制”在自動方式，調節門控制將自動切換到快速調節模式，除氧器水位主要通過調節閥開度變化來調節。此外，運行人員也可以將“除氧器水位調節門控制”置手動，自己確定調節閥開度，待除氧器水位穩定后再投入自動。

工頻泵切換到變頻泵時，在變頻啟動條件具備后，切除凝結水泵備用投入，手動啟動變頻器，變頻器接受10%預置指令啟動。當變頻器啟動正常后，運行人員通過手動調節變頻器使該凝泵出口壓力接近運行泵出口壓力（2-3.2MPa），確認出力后采用中停方式逐步關閉工頻泵出口電動門，手動加大變頻出力--此過程中除氧器水位調閥可以投入自動，待出力穩定后停止工頻泵運行，然后將“除氧器水位調閥控制”切為手動，視除氧器水位情況投入變頻調節自動，待水位穩定后，逐步將調閥手動開到最大開度再投入自動。當凝結水流量大于30%BMR時，除氧器水位控制三沖量（總給水流量為前饋、凝結水流量為反饋，除氧器水位為被調量）調節回路起作用。在三沖量切換之前，變頻方式下，運行人員可以選擇變頻控制手動或自動，調節閥手動；工頻方式下，調節控制和改造前一致。機組啟動低流量過程中，將除氧器水位調閥投自動以控制除氧器水位，變頻器由運行人員手動控制以保證減溫水等壓力。變頻器運行頻率下限在調試中根據凝泵運行工況（振動等）確定。

7 變頻改造后的節能效果分析

目前該廠凝泵變頻改造已完成并投入運行，從一年多的運行情況來看，凝泵加裝變頻裝置是十分成功的，變頻裝置工作穩定，節能效果非常明顯，完全達到了預期目的。

圖2為1號機組凝結水泵變頻改造后的有功功率耗差圖。從圖中可明顯看出凝泵改造前后在每個有功功率處功耗的差異，其最大功耗差達到940kw，可見改造后的節能效果是明顯的。

變頻改造后，凝結水泵的各發電負荷段近似節能表如下。

根據上述改造后的有功功率功耗差以及各發電負荷段的節能值，可計算其具體節能情況。以某年全年的電能情況計算，改造后的節約電量，即各負荷段的運行小時數×相應時間段的節能負荷的數值，具體為： 900×2522+860×570+701×595+414×1033+374×744+25×383=389.2588萬KWh；同時在此基礎上，以該年1號機組凝結水泵耗電量為1091.03萬KWh計算，可得出凝結水泵改造后的節電量達到了35.66%，除去相應的統計誤差，改造后的節電量可達到30%，節省費用達一百多萬元，預計正常運行一年半即可收回投資。

8 改造中的建議

在該廠的改造調試過程中，我們還總結出如下幾點以供參考：（1） 電力電子器件對溫度和環境比較敏感，應考慮做好變頻器的防塵以及散熱措施，并加強變頻器裝置及其輔助系統的維護工作，確保不發生因變頻系統故障而發生的異常和安全事故； （2） 在變頻器使用中，要認真做好事故預想和技術措施， 熟練掌握變頻方式下各種事故的處理方法，減少事故擴大的可能。特別是機組在突遇甩負荷時尤其在低負荷發生凝結水泵變頻器故障跳閘，在備用工頻凝結水泵自動啟動或手動啟動運行后，要及時關小除氧器水位調節閥，以防止發生除氧器滿水事故。 （3） 由于凝結水泵轉子細長，調試中要注意尋找變頻器的工作頻率與泵體的固有頻率之間的共振區，在控制策略上加以避開。（4）在實際運行中，繼續探索變頻調節系統各種參數的合理性和準確性，利用實際運行進一步調整各參數到最合適范圍，提高節能效果和安全系數.

9 總結

機組凝結水泵的變頻改造是提高企業的經濟效益，適應我國低碳節能發展趨勢的重要途徑。本文對傳統的凝結水泵進行了變頻改造，在實施過程中對容易出現問題的環節作了充分考慮；從改造后的實際效果來看，泵體振動幅度在安全范圍內，變頻器控制穩定，除氧器水位調節平穩，低負荷時凝泵出口母管壓力滿足系統要求；此改造降低了凝泵的能耗，大大減少了閥門節流造成的損失，降低了調節閥動作頻率，提高了調節閥的可控性和調節品質，為機組的安全經濟運行提供了有力的保障，值得在火力發電廠中大力推廣應用。

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