火電廠中凝結水泵變頻技術研究

山東省郵電規劃設計院有限公司 于惠莉 山東電力工程咨詢院有限公司 王志塏

1 火電廠凝結水泵工藝系統簡介

1.1 凝結水泵介紹

在火電廠中，經鍋爐加熱水后，水從液態變成飽和蒸汽，并向汽輪機輸送，汽輪機對其實施作業之后將飽和蒸汽排入凝汽器，此時的蒸汽也被稱作乏汽，乏汽經循環冷卻之后變作凝結水，此時水的溫度在40℃左右，當凝結水傳送到凝汽熱井時，會分為左右兩路來傳送，凝結水經過凝結水泵升壓之后，會順著出口管道來輸送，先后流到凝結水調節閥以及低壓加熱器之后進入除氧器，此時的水經過高壓加熱器向鍋爐汽包進行輸送，進入到鍋爐汽包的水又經過鍋爐的加熱變作高壓高溫的飽和蒸汽，后被輸送到汽輪機內，轉化成乏汽回到凝汽器不斷循環和往復。

通過以上輸送流程可了解到：除氧器、低壓加熱器以及凝結水泵是凝結水系統的主要設施，凝結水泵除了對凝結水進行輸送之外，也會向定子冷卻水箱定期補水。凝結水調整門和除氧器調整門是凝結水系統兩個主要的閥門，其中凝結水調整門發揮的功能如下所示：一方面會調整凝結水泵出口水流量和壓力，另一方面能對凝結水熱井水位加以保障，滿足凝結水泵的入口壓力。除氧器調整門主要作用是參照機組對凝結水的需求，向除氧器來輸送凝結水，以上兩個主要的閥門通過彼此的協作，實時調整凝結水流量。在系統正常運作時會關閉凝結水調整門，利用除氧器調整門對凝結水量做出調節。

除此之外，保障除氧器和凝汽器液位的穩定是凝結水泵的另一關鍵作用。除氧器與凝汽器液位會隨著機組負荷的變化而變化，在實際運作期間會對除氧器上水調門加以調整，來控制凝結水流量的平衡。在調節除氧器上水調門上，如幅度過大會降低凝汽器水位，升高除氧器水位?；诖耍獙Τ跗魃纤{門做出合理的調節[1]。

1.2 凝結水泵工藝系統

離心式水泵是我國一些火電廠應用的凝水泵，在水泵正常運轉時，葉輪受到電動機驅動的引導高速旋轉，液體進入葉輪之后，隨著不斷的旋轉，產生離心力，同時液體會受到離心力的作用，被甩向葉輪外圍區域產生能量，在離開葉輪進入泵殼之后，液體的速度有所降低，其中部分動能會轉化為靜壓能，一些具備較高靜壓能的液體會在水泵出口對外排出，在水泵運轉期間，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，葉輪的吸入口會不斷的吸入液體。利用低壓加熱器將凝結水打入除氧器，保障除氧器水量充足，滿足現實的工藝需求，在不浪費電能的同時，起到節能降耗的作用是火電廠凝結水泵建設的主要目的[2]。

火力發電廠凝結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。據相關資料顯示：火電廠凝結水泵電機長時間處于重度節流的狀態，此舉不但浪費了電能，也讓凝結水泵具備較低的應用效率，所以善用變頻技術、保障水泵發揮節能降耗的作用是火電廠最應關注的問題。

2 火電廠中凝結電泵應用變頻技術的研究——以具體方案為例

2.1 工程概述

以A公司兩臺凝結水泵為研究主體，機組配備的凝結水泵正常運作時，一臺運作，一臺備用，凝結水具有的流量大小與汽輪機負荷呈現直接關系，定速運行是凝結水泵的運行原理，所以控制閥門會跟隨機組對出口流量進行負荷調節。節流損失較大，具備較高的出口壓力，凝結水泵運行效率不高，再加上在閥門控制上，會應用電動機械對其結構進行調整，調整性能不佳，具備較差的線性度。各部門對設備和閥門維修頻次不高，某種程度上也影響了凝結水泵作用的發揮。在此背景之下，A公司對凝結水泵做出了變頻技術改造，希望可以獲取較多的經濟和社會效益。表1是凝結水泵和電動機相關的技術參數。

表1 凝結水泵和電動機相關的技術參數

2.2 變頻技術改造方案

2.2.1 應用的變頻改造技術

本方案堅持可靠，安全的原則，在變頻技術改造期間，對其中一臺凝結水泵加以改造，另一臺保持原狀不變，通過試驗選擇具備較高的安全性能的ACS800變頻器方案，并在此基礎上對凝結水泵電機加以更換，不但可以提高電動機運行效率，也可以達到節能降耗的目的。

ACS800變頻器包含了變頻器的常規功能，并應用了DTC技術，具備的優勢如下所示：DTC具備較強的磁通優化能力和速度轉矩控制特點，變頻器的主要控制變量是轉矩和定子磁通，并在改造方案中結合了電機軟件模型和數字信號處理器，可保障電機每秒更新4萬次。同時，因不存在固定的開關頻率驅動，所以電機在運作期間不會產生高頻的噪聲。在幾毫秒時間內，ACS800就能對電機的狀態加以檢測，具備較佳的自啟動性能。IGBT應用了光纖觸發技術，抗干擾和安全可靠性能較高，在惡劣的環境下也可應用。

2.2.2 電氣主接線和應用的主設備

第一，應用變頻技術的接線方式和運作模式。針對改造的凝結水泵，對其進行變頻技術應用，將其電動機額定電壓由原來的6kV降低到690V，保持電動機容量和電源開關不變。圖1是凝結水泵電機變頻控制的接線圖。在正常運行模式下，關上凝結水泵開關，此時電動機會被變頻器所帶動加以轉動。在工頻運行模式下，合上開關，此時電動機會被旁路軟啟動器限流所帶動加以轉動。在啟動結束之后合上接觸器，工頻會帶動電動機的運作。

圖1 凝結水泵電機變頻控制的接線圖

第二，應用的主設備和設備配置情況。選擇干式變壓器來作為變頻變壓器，變壓器具有超溫報警的功能，在正常運行時，變頻變壓器分接開關位置處于四到五檔。選擇的凝結水泵電動機參數型號如下所示：額定功率為430kW，額定電流為450A，額定電壓為690V，型號為Y400-4，會應用STR數字式交流電動機軟啟動器，該啟動器應用了電子電力技術，對傳統電動機軟啟動器電流，電壓突變等問題予以改善。其型號信息如下所示：額定電壓為660V，額定功率為450kW，點動控制限流啟動是其啟動模式，具備過載、過熱、過流保護功能。

2.2.3 凝結水泵控制邏輯和變頻器功能設置

凝結水泵控制系統的設計原理如下所示：為保障除氧器水位和凝汽水位的平衡，會應用凝泵變頻器來操作：H-SPH＞L-SPL時，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為除氧器水位設定值，L為凝汽器水位，SPL為凝汽器水位設定值；為對除氧器水位平均高度加以控制，會采用化補水等方式來實施，如下所示：H+L＞SPH+SPL時降低化補水流量，反之增加化補水流量。為保障凝結水泵變頻器可以發揮作用，正常運行，會實施以上控制對策。對回路設計切換器加以控制，系統在變頻器運作停止或出現故障問題時會退出變頻自動控制，轉化為初始設計的控制系統。

在對凝結水母管進行壓力控制時，利用除氧器進水調節閥將凝泵變頻器及其壓力維持在一定的范圍之內，系統在凝結水泵變頻器運作停止或出現故障問題時，會退出變頻自動控制，轉化為初始設計的控制系統。變頻器功能設置如下所示。

變頻器具備欠壓功能，如在變頻系統中輸入電壓跌落，直流回路電壓跌落到80%時，變頻器會發揮欠壓功能，借助負載具備的慣性，引導電機旋轉，電動機感應電勢能向中間直流回路續流能量，當電壓跌落到70%時，變頻器發揮作用對外進行欠電壓的報警，變頻器停機標準是直流電壓低于65%。為保障變頻期正常操作，在變頻中輸入電壓，將其恢復正常，即可讓變頻器恢復正常的運行。10s是變頻器斷電后再啟動的初始化時間，3ms是轉矩階躍響應的時間。在結構設置上，變頻器采用了電壓源型逆變器拓撲結構，應用了IGBT大功率的元器件，此器件屬于單管結構，無需進行串并聯。

同時，在變頻器中應用了DTC控制技術，轉矩和電機磁通直接控制逆變器的開關狀態，電機模型的輸入即測量的電機電流和直流電壓，此模型在運作期間每25us會產生精確的磁通和轉矩值，轉矩比較器會比較實際值和轉矩的給定值，同時磁通比較器也會對比磁通的現實值與給定值，對上述輸出值進行計算，來明確逆變器的最佳開關狀態。

3 火電廠凝結水泵運行效果和取得的經濟效益

在凝結水泵系統改造之前，在控制凝結水流量大小上會結合機組的負荷情況對凝結水閥門開度進行調整。而在實施變頻改造之后，全開控制閥門，對變頻輸出加以控制，以此改變凝結水泵電機的轉速，保障水流量可以符合預期，此方案的設計具備調節簡便，節能降耗的優勢。

3.1 運行效果分析

應用變頻技術做出方案改造，可以讓相關人員更平穩的對流量加以調節，也提高了系統調整控制的自如性。對自動控制系統的實際運作加以改善，提升了系統的自動調節性能，完善了調節的品質，在凝結水泵系統中應用變頻技術。保障冷卻水流量和出口壓力符合現實工藝的需求。隨著機組負荷的變化，也可以保障凝結水泵調節相應的輸出功率，明顯降低了凝結水泵的單耗，達到節能目的。

與此同時，盡可能降低因閥門開度調節導致的壓力損失，對提高系統運作效率有現實意義，改造的變頻器具備軟啟動和保護電動機的功能，不但減少了啟動電流設備受到損壞的概率，一定程度上也延長了設備的應用周期。應用了變頻技術之后，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，系統在改造過后大幅度降低了電動機振動產生的噪聲。

3.2 經濟效益分析

此變頻改造費用大約為98萬元，現對改造前后信息做出對比，如下所示：430kW是電動機的輸出功率，每年運轉8000h，其中4000h處于85%的流量，4000h處于70%的流量。

基于傳統閥門調節形式之下，運作信息如下所示：當流量Q處于85%時，功率信息即97%×430kW=417.1kW；當流量Q處于70%時，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，運行信息如下所示：流量Q處于85%時，功率所需67%×430kW=288.1kW；流量Q處于70%時，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，整年節能效果為3236800-2029600＝1207200kWh，所以具備非常明顯的節能效果。

4 結語

在凝結水泵機組中應用變頻技術，實施變頻改造具有節能降耗的作用。本課題以具體的案例為研究對象，對凝結水泵實施變頻改造，在電氣主接線應用設備、變頻器功能設置和凝結水泵控制邏輯上做出針對性的研究，分析改造前后取得的經濟效益和節能效果，通過實際分析了解到改造工程整年節能效果明顯。同時，實施變頻技術延長了設備的應用壽命，降低了設備磨損的概率，也降低了火電廠維修工作總量。

與此同時，實施變頻改造也能降低電動機振動產生的噪聲，將最大電流控制在有效的范圍之內，所以對于我國火電廠來說，有必要在凝結水泵機組中大規模的推廣變頻技術，火電廠也要加大變頻技術的研發和應用力度，為節約能源，取得經濟效益奠定堅實的基礎。