電廠凝結(jié)水泵高壓變頻器供電節(jié)能改造分析

昌進(jìn)國(guó)，楊立慶，王澤川

（南海發(fā)電一廠有限公司，廣東 佛山 528211）

電廠凝結(jié)水泵高壓變頻器供電節(jié)能改造分析

昌進(jìn)國(guó)，楊立慶，王澤川

（南海發(fā)電一廠有限公司，廣東 佛山 528211）

分析了電廠凝結(jié)水泵工頻運(yùn)行存在能耗高、效率低，對(duì)電網(wǎng)和機(jī)電系統(tǒng)沖擊大等缺點(diǎn)，指出了變頻改造的必要性；介紹了凝泵變頻改造的方案及控制策略；闡述了變頻運(yùn)行軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)；計(jì)算了改造后的節(jié)能效果，改造后節(jié)能效果顯著。

凝結(jié)水泵；高壓變頻器；變頻調(diào)速；軟啟動(dòng)；節(jié)能

0　引言

根據(jù)DL/T5000—2000《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，某電廠2臺(tái)330 MW汽輪發(fā)電機(jī)組凝結(jié)水泵（以下簡(jiǎn)稱凝泵）設(shè)計(jì)容量為機(jī)組額定負(fù)荷時(shí)凝結(jié)水量再加10 %的裕量作為選泵要求，同時(shí)，輸送管道的通流量也相應(yīng)增大，與凝泵相匹配。為了保證發(fā)電生產(chǎn)的安全性和可靠性，允許凝結(jié)水泵短時(shí)適當(dāng)超額定流量運(yùn)行來(lái)處理突發(fā)故障。因此，電廠系統(tǒng)配置的凝泵容量與揚(yáng)程均有較大的裕量，機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)除氧器水位調(diào)節(jié)閥不需開(kāi)足，此時(shí)有較大的節(jié)流損失；而且工頻運(yùn)行水泵大部分時(shí)間偏離設(shè)計(jì)的高效運(yùn)行區(qū)域，一定程度上影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

為了降低機(jī)組的能耗，經(jīng)過(guò)多方論證及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，決定采用高壓變頻器技術(shù)，通過(guò)改變水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源頻率，實(shí)現(xiàn)凝泵無(wú)級(jí)變速，使得凝結(jié)水的流量與壓力適應(yīng)機(jī)組負(fù)荷的變化，并減少調(diào)節(jié)閥門(mén)的節(jié)流損失。

理論上而言，泵的功耗與轉(zhuǎn)速3次方成正比，因而采用變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能效果將非常顯著。另外，采用變頻調(diào)速之后，依靠泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)凝結(jié)水流量來(lái)調(diào)整除氧器的水位，比采用普通閥門(mén)調(diào)節(jié)線性度更好，易取得更好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。目前，高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱INVERT）技術(shù)，由于具有明顯的節(jié)能效果，已成為我國(guó)電力系統(tǒng)重點(diǎn)推廣的節(jié)能技術(shù)之一。

1　變頻調(diào)速節(jié)能原理

由電機(jī)學(xué)可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，與電機(jī)磁極對(duì)數(shù)p成反比，見(jiàn)式（1）。電機(jī)出廠p，s（電機(jī)轉(zhuǎn)差率）已確定不變，故可改變f調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

由離心水泵的工作原理可知，使用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的水泵負(fù)載，軸功率P與流量Q、揚(yáng)程H的關(guān)系為：

式中：P，kW；H，m；Q，m3/h；η為效率。由于Q與轉(zhuǎn)速n成正比，H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。因此當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由n1變化到n2時(shí)，Q，H，P與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

根據(jù)流量Q、軸功率P與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系可知，當(dāng)需要80 %的額定流量時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速的80 %，即調(diào)節(jié)頻率到40 Hz即可，這時(shí)所需功率將僅為原來(lái)的51.2 %。

下面從水泵的運(yùn)行特性曲線（見(jiàn)圖1）來(lái)進(jìn)一步分析采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果。

圖1　水泵運(yùn)行特性曲線

當(dāng)所需流量從Q1減小到Q2時(shí)，如果水泵電機(jī)工頻運(yùn)行并采用閥門(mén)調(diào)節(jié)的辦法，管網(wǎng)阻力將會(huì)增加，管網(wǎng)特性曲線上移，系統(tǒng)的運(yùn)行工況點(diǎn)從A點(diǎn)變到新的運(yùn)行工況點(diǎn)B點(diǎn)，所需軸功率P2與圖中H2×Q2的面積成正比。如果采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制方式，水泵轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，其管網(wǎng)特性并不發(fā)生改變，但水泵的特性曲線將下移，因此其運(yùn)行工況點(diǎn)由A點(diǎn)移至C點(diǎn)，此時(shí)所需軸功率P3與圖中HC×Q2的面積成正比。從理論上分析，所節(jié)約的軸功率P與（H2-HC）×Q2的面積成正比?？紤]減速后效率下降和附加損耗，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，水泵通過(guò)變頻調(diào)速控制可節(jié)能20 %-50 %。

2　凝泵變頻改造

2.1設(shè)備及運(yùn)行參數(shù)

水泵：型號(hào)為B640-6；揚(yáng)程為335.3 m；流量為832.4 m3/h。

電機(jī)：型號(hào)為YKKL1500-4TH；功率為1 120 kW；電壓為6 kV；電流為128.9 A；功率因數(shù)為0.85；轉(zhuǎn)速為1 480 r/m in。

各工況下凝泵工頻運(yùn)行的電流、功率如下：

（1） 發(fā)電200 MW，凝泵電機(jī)電流94 A， P=1.732×94×6×0.85≈830 kW；

（2）發(fā)電250 MW，凝泵電機(jī)電流97 A，P=1.732×97×6×0.85≈857 kW；

（3）發(fā)電300 MW，凝泵電機(jī)電流112 A，P=1.732×112×6×0.85≈989 kW；

（4）發(fā)電330 MW，凝泵電機(jī)電流115 A，P=1.732×115×6×0.85≈1 016 kW；

以年運(yùn)行時(shí)間比例20 %，50 %，20 %，10 %計(jì)算，工頻年平均功率：P=830×20 %+857×50 % +989×20 %+1 016×10 %≈894 kW。

2.2變頻改造供電方式

該廠2臺(tái)330 MW汽輪發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配2臺(tái)凝泵，正常運(yùn)行時(shí)凝泵1臺(tái)工作1臺(tái)備用。改造方案為：1臺(tái)機(jī)組配1臺(tái)變頻器，2臺(tái)凝泵可分別切至變頻器運(yùn)行，但只能1臺(tái)凝泵變頻運(yùn)行，另1臺(tái)凝泵工頻備用或運(yùn)行。這樣配置可節(jié)省1臺(tái)高壓變頻器的高額改造投資及維護(hù)費(fèi)用，而滿足機(jī)組運(yùn)行要求。其電氣一次接線如圖2所示。

2.3變頻改造電氣控制

（1） 無(wú)論變頻或工頻運(yùn)行方式下，仍通過(guò)6 kV高壓電源開(kāi)關(guān)啟停凝泵。

（2） 運(yùn)行閉鎖方式：只允許單臺(tái)變頻器供單臺(tái)泵運(yùn)行方式，即只允許投1D泵1K，3K刀閘或2D泵2K，4K刀閘；只允許單臺(tái)泵變頻或工頻運(yùn)行方式，即只允許投1D泵3K與或5K刀閘，2D 泵4K或6K刀閘。

（3） 正常變頻方式：6 kV A段（B段）段電源經(jīng)1K（2K）刀閘輸入至變頻器，輸出經(jīng)3K（4K）刀閘供1D（2D）泵。

（4） 旁路工頻方式：6 kV A段（B段）電源經(jīng)5K（6K）切至旁路工頻供1D（2D）泵。

（5） 備用聯(lián)鎖方式：當(dāng)工作變頻泵1D（2D）事故跳閘時(shí)聯(lián)鎖自動(dòng)合2D（1D）工頻備用泵2DL（1DL）高壓開(kāi)關(guān)。只設(shè)變頻至工頻正向聯(lián)鎖，而不設(shè)反向聯(lián)鎖。

圖2　機(jī)組高壓凝結(jié)水泵電機(jī)變頻供電接線

（6） 切換試驗(yàn)方式：先將備用泵投工頻運(yùn)行，再將工作變頻泵切至工頻運(yùn)行，再次將備用泵由工頻切至變頻運(yùn)行，最后停原工作變頻（現(xiàn)工頻）泵。這樣，倒換泵時(shí)增加了啟停次數(shù)，可考慮適當(dāng)延長(zhǎng)定期切換試驗(yàn)周期。

（7） 變頻器選用脈沖法控制方式，只需外部中間繼電器短時(shí)動(dòng)作來(lái)控制變頻器啟停，消除了常規(guī)兩線法中間繼電器需長(zhǎng)期帶電存在易誤跳閘的安全隱患，提高了運(yùn)行可靠性。

2.4變頻改造DCS控制

2.4.1工頻運(yùn)行

當(dāng)凝泵在工頻方式下運(yùn)行時(shí)，控制邏輯在保持原有除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位的基礎(chǔ)上，增加至三沖量（即除氧器流量、水位和凝結(jié)水母管壓力）調(diào)節(jié)方式。在1臺(tái)泵變頻運(yùn)行時(shí)聯(lián)啟另1臺(tái)工頻泵，為保證水位不至于波動(dòng)太大，啟動(dòng)1個(gè)控制邏輯快速關(guān)小上水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)機(jī)組負(fù)荷的凝結(jié)水流量。當(dāng)存在2臺(tái)泵并列運(yùn)行時(shí)，至少1臺(tái)泵工頻運(yùn)行，此時(shí)泵出口壓力大，應(yīng)投除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位方式。

2.4.2變頻運(yùn)行

實(shí)際上，凝結(jié)水流量與壓力在流動(dòng)過(guò)程中是相互耦合關(guān)聯(lián)的，可以通過(guò)壓力來(lái)間接控制流量，也可以通過(guò)流量來(lái)間接控制壓力。當(dāng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度不變時(shí)，改變泵轉(zhuǎn)速可以同時(shí)改變泵的出口流量和壓力。反之，泵轉(zhuǎn)速不變時(shí)，調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度變化也可以改變管路的壓力和流量。

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷小于110 MW時(shí)，由變頻泵的轉(zhuǎn)速控制凝結(jié)水母管壓力（新增），除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位（原有）。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷大于或等于110 MW時(shí)，由變頻泵的轉(zhuǎn)速控制除氧器水位（新增），除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制凝結(jié)水母管壓力（新增），并且這些控制方式能在2種負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無(wú)擾切換。

2.4.3凝結(jié)水壓力制定

凝泵變頻改造之后，要達(dá)到節(jié)能效果，必然會(huì)降低凝結(jié)水壓力運(yùn)行。而正常運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水除了主要供除氧器用水外，還要供機(jī)爐等其他系統(tǒng)設(shè)備用水。因此，變頻改造后，凝結(jié)水壓力要根據(jù)各個(gè)廠自身設(shè)備安全運(yùn)行的最低需要來(lái)制定。凝結(jié)水壓力的制定原則為：滿足機(jī)組最大負(fù)荷時(shí)，凝結(jié)水壓力高于除氧器壓力與除氧器與凝泵之間的高度差所產(chǎn)生的壓力和，以及其他設(shè)備對(duì)凝結(jié)水最低壓力的要求。

2.5變頻系統(tǒng)的散熱

INVERT成套系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)上由高壓刀閘柜、隔離變壓器、功率單元柜與控制柜組成。由于使用了隔離變壓器及大功率高頻開(kāi)關(guān)元件，其發(fā)熱量較大。變頻滿負(fù)荷工作時(shí)，系統(tǒng)效率約97 %，其他約3 %的功率以發(fā)熱形式消耗。同時(shí)運(yùn)行環(huán)境的溫度也會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及功率元件的使用壽命。因此，為了使變頻器能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，對(duì)變頻器的安裝環(huán)境要求為最低環(huán)境溫度-20 ℃，最高環(huán)境溫度45 ℃。變頻器配電室設(shè)計(jì)為隔熱防塵配電室，采用風(fēng)道將熱風(fēng)排出室外，室內(nèi)采用多臺(tái)空調(diào)冷卻降溫。

3　變頻改造效果

3.1軟啟動(dòng)的效果

大功率電機(jī)“硬”啟動(dòng)時(shí)的大電流對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)造成很大沖擊，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊、震動(dòng)對(duì)擋板和閥門(mén)的損害極大，影響其使用壽命。利用變頻器的軟啟動(dòng)功能可選擇多種啟動(dòng)模式，使啟動(dòng)電流從0開(kāi)始，最大值不超過(guò)額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)的沖擊和對(duì)供電容量的要求。轉(zhuǎn)速降低有利于減輕主設(shè)備及相應(yīng)輔助設(shè)備如軸承等的磨損。閥門(mén)開(kāi)度大時(shí)，運(yùn)行中承受壓力小，能因阻力減少而節(jié)能。這樣就節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。并且變頻器本身設(shè)有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載等完善的電氣保護(hù)功能，能確保設(shè)備安全。

3.2節(jié)電效果

通過(guò)以上方法完成了2臺(tái)機(jī)組凝泵變頻供電改造。下面以3號(hào)機(jī)組凝泵為例，列出變頻改造前后在機(jī)組不同負(fù)荷下的運(yùn)行參數(shù)及節(jié)電效果，如表1所示。

從表1可見(jiàn)，因變頻器內(nèi)部濾波電容器的作用，減少了無(wú)功損耗，變頻供電功率因數(shù)接近1，且機(jī)組負(fù)荷越低，節(jié)電率越高。

以機(jī)組200 MW，250 MW，300 MW，330 MW負(fù)荷年運(yùn)行時(shí)間比例為20 %，50 %，20 %，10 %計(jì)算年節(jié)電量。

變頻平均功率：P=（489×20 %）+（619×50 %）+（768×20 %）+（808×10 %）≈641 kW；

表1　3號(hào)機(jī)凝泵變頻改造前后運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

以單機(jī)年負(fù)荷率70 %運(yùn)行6 132 h，上網(wǎng)電價(jià)0.488元/kW·h，及運(yùn)行中4臺(tái)制冷空調(diào)總功率16 kW，4臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)總功率1.8 kW耗電計(jì)算，改造后凝泵全年節(jié)電如下：

節(jié)電率：（894-641）/894≈28 %；

節(jié)電量：（894-641-17.8）×6 132/10 000≈144 萬(wàn)kWh；

節(jié)省電費(fèi)：144×0.488≈70萬(wàn)元。

通過(guò)上述計(jì)算表明：按1臺(tái)機(jī)組改造增設(shè)1臺(tái)變頻器，改造投資約73萬(wàn)元，1年多可收回投資成本。證明此高壓變頻器供電改造項(xiàng)目的投資回報(bào)率高，持續(xù)節(jié)電經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4　結(jié)束語(yǔ)

高壓變頻技術(shù)較成熟，變頻器能與機(jī)組配套的DCS控制系統(tǒng)自動(dòng)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，達(dá)到機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求。變頻供電改造只需在原基礎(chǔ)上增加變頻器等配套設(shè)施，投資費(fèi)用不高，施工簡(jiǎn)單，工期不長(zhǎng)，約1年多就可收回投資，且持續(xù)經(jīng)濟(jì)回報(bào)可觀。改造后可減少原調(diào)節(jié)流量與壓力的機(jī)械設(shè)備，提高了設(shè)備的安全可靠性；減少對(duì)電網(wǎng)無(wú)功的需求，提高電壓穩(wěn)定性；減少對(duì)機(jī)電設(shè)備的沖擊，延長(zhǎng)使用壽命。因此，在大中型火力發(fā)電廠鍋爐給水泵、凝泵、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等大容量高壓輔機(jī)的節(jié)能改造中，推廣變頻器非常必要。

2015-07-08；

2016-03-09。

昌進(jìn)國(guó)（1962-），男，高級(jí)工程師，主要從事電廠電氣自動(dòng)化、變頻器領(lǐng)域研究工作，email：cjg8084@163.com。

楊立慶（1990-），男，助理工程師，主要從事電廠汽機(jī)運(yùn)行維修方面的工作。

王澤川（1971-），男，工程師，主要從事電廠汽機(jī)運(yùn)行技術(shù)研究方面的工作。