英威騰CHH100高壓變頻器在火電廠凝結水泵上的應用
2014/12/26 17:19:02
摘 要：本文介紹了高壓變頻器在火力發電廠凝結水泵上的應用，分析改造之后的控制策略以及對變頻改造效果做了描述。
關鍵詞：凝結水 高壓變頻器 節能改造
一、引言
據統計，我國火力發電廠中使用的一次風機、送風機、引風機、給水泵、循環水泵、凝結水泵和灰漿泵等風機和水泵的配套電動機總容量達15000MW，年總用電量達520億kWh。而目前我國火電廠中多數風機和水泵基本上都采用定速驅動。這種定速驅動的風機采用入口風門，水泵采用出口閥門調節流量，都存在嚴重的節流損耗。尤其在機組變負荷運行時，由于風機和水泵的運行偏離高效率點，使運行效率降低。現有調節流量的方法不改變電機的轉速，因此電機消耗的功率不變。若使用變頻器對電機進行調速，達到用戶期望的流量，則可以節約大量電能。
二、火力發電廠工藝流程介紹
火力發電廠是利用化石燃料燃燒釋放的熱能發電的動力設施，包括燃料燃燒釋熱和熱能電能轉換以及電能輸出的所有設備、裝置、儀表器件，以及為此目的設置在特定場所的建筑物、構筑物和所有有關生產和生活的附屬設施。主要有蒸汽動力發電廠、燃氣輪機發電廠、內燃機發電廠幾種類型。其主要工藝流程如下圖1所示。
圖1 火電廠工藝流程圖
三、工況介紹
本次改造的電廠汽輪發電機、電氣儀控系統采用德國西門子設計制造的設備，其中汽輪機為亞臨界參數、一次中間再熱、單軸、四缸、四排凝汽式反動汽輪機。輔機主要有2臺全容量凝結水泵，2臺半容量汽動給水泵，1臺35%容量電動給水泵，3臺半容量循環水泵，3臺半容量真空泵，2臺全容量閉冷水泵。系統采用傳統的配置，凝結水通過凝結水泵升壓后，經過軸封加熱器、4臺低壓加熱器后送入除氧器，在軸封加熱器出口和LP1入口處設置除氧器水位調節閥（并列兩個氣動閥），用于控制除氧器水位。機組在滿負荷情況下，除氧器水位調節閥開度都在40％～60％之間運行，凝結水泵電流變化卻不大，50%負荷至100%負荷間壓差較大，閥門一直處在節流狀態下工作，節流損失大。并且，由于機組參與調峰，調峰期最大容量可達1400MW，在低負荷時，凝泵出力不變，造成很大浪費。
凝結水系統的工藝簡圖如下圖2所示：
圖 2 工藝流程圖
四、凝結水泵工藝及控制策略
4.1 凝結水泵運行工況
在汽輪機內做完功的蒸汽在凝汽器冷卻凝結之后，用凝結水泵送到低加和除氧器中，然后通過給水泵送往高加，汽包。維持凝結水泵連續、穩定運行是保持電廠安全、經濟生產地一個重要方面。
調節凝汽器內的水位是凝結水泵運行中的一項主要工作。在正常運行狀態下，凝汽器內的水位不能過高或過低。當機組負荷升高時，凝結水量增加，凝汽器內的水位相應上升。當機組負荷降低時，凝汽器內水位相應降低。
圖3 工頻凝結水泵工作點和調節曲線圖
凝結泵電機使用德國西門子立式電機，6KV/2600KW，每臺機組配備二臺凝結泵，一臺運行，一臺備用。
沒有使用變頻器之前，凝汽器內的水位調整是通過改變凝結水泵出口閥門的開度進行的，調節線性度差，大量能量在閥門上損耗。同時由于頻繁的對閥門進行操作，導致閥門的可靠性下降，影響機組的穩定運行。
使用高壓變頻器后，凝結水泵出口閥門不需要頻繁調整，閥門開度保持在一個比較大的范圍內，通過調節變頻器的輸出頻率改變電機的轉速，達到調節出口流量的目的，滿足運行工況的要求。
圖4 變頻運行工作點和調節曲線圖
4.2 凝泵改變頻控制策略
把#1機#11凝結水泵改為變頻器控制調節，變頻器的控制在DCS中實現，DCS根據除氧器水位進行正常調節，控制#11凝結水泵轉速，以減少凝結水系統的壓力損失，達到節能降耗的目的。
系統運行狀態的控制：
在正常工況下，DCS優先選擇#11凝結水泵投入運行，并根據 除氧器水位進行變頻調速控制，調節凝結水泵。此時主凝結水調整門處于全開狀態。如果#12泵開關一旦合閘（不管其他條件），主凝結水調門可根據負荷大小分別調600MW時調整至40%，300MW時調整至30%，其它負荷按此直線斜率確定調門位置，到位后且＃11凝泵6KV開關跳閘，主凝結水調門自動投入。在凝汽器、除氧器水位平穩后，將＃12泵出口電動門由30%逐漸開展。為保證主凝結水母管壓力不低于0.6MPa，#11凝泵最低頻率設定為30HZ/900轉/分。
#11泵運行有兩種運行方式，即工頻運行和變頻運行。如變頻器正常，#11泵通過變頻調節（旁路斷開），操作順序為：先合上#11凝結水泵6KV開關，再啟動變頻器；如變頻器有故障，則需隔離變頻器、通過旁路工頻運行，并通過主凝結水調門自動來控制水位，操作順序為：將#11凝泵電源切換為旁路工頻狀態，合上#11凝結水泵6KV開關即可實現＃11凝泵工頻運行。#12泵退出備用。#12泵控制方式保持不變，#11泵此時需隔離變頻器，旁路在連通位置，處于工頻備用位置。如#12泵故障跳閘或母管壓力低，引起#11泵自投，這時#11泵在工頻狀態下運行，并通過主凝結水調門來控制水位。
如變頻器正常，#11泵通過變頻調節（旁路斷開）；如變頻器有故障，#11泵隔離變頻器、通過旁路工頻運行，并通過主凝結水調門來控制水位。#11凝工頻運行時，如#11凝泵6KV開關跳閘，就應聯動#12泵；變頻運行時不僅#11凝泵6KV開關跳閘應聯動#12凝泵，而且如因變頻器跳閘也應聯動#12泵。
保護：
為了保證設備穩定運行，采取了一套完善的保護措施，流量保護；當流量小于96kG/S。大于580kG/S，延時28秒停機。水位保護；當凝汽器水位小于400MM.A1低加.A2低加小于12600MM.A3低加小于1190MM.A4低加小于715MM.除氧器水位大于3070MM.延時20秒停機。溫度保護；當泵和電機軸承溫度超過100度也會跳機保護。合閘允許條件；只有電機繞組溫度小于120度，泵軸承溫度小于90度高壓開關才允許合閘。控制指令由DCS發出，并現場組態。
五、變頻改造效果
變頻調速不僅節能效益顯著，而且可以明顯改善系統的安全可靠性，有以下幾個方面的優點：
5.1 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，可以發現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、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養費用。
5.2 延長設備壽命
提高了凝結水泵的可靠性，延長了凝結水泵的壽命。采用變頻調速后，低負荷時，凝結水泵低速運轉，泵必需的汽蝕余量（NPSH）降低，降低了泵內發生汽蝕的可能性（因泵的汽蝕余量近似與泵的轉速的平方成正比），延長了水泵的壽命。同時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，凝泵使用費用自然就降低了。
5.3 提高管系可靠性
變速調速運行時，其出口調節門可以全開，利用轉速調節流量和壓力，改善了由于閥門調節時對管系的沖擊，降低了調節閥前后的管系泄漏的可能性，從而減少了維護工作量，提高了系統的安全可靠性。另外由于小流量時的轉速低，這樣降低了泵及系統的噪音，改善了運行環境。
六、結束語
隨著大型機組參與調峰的增多，越來越多的輔機需要進行調速改造，以適應競爭的需求。這次在600MW以上大機組應用高壓變頻器進行調速改造的成功，為今后600MW以上機組應用高壓變頻器進行改造提供了良好的成功應用經驗，為2500kW以上主輔機設備的改造提供了廣闊的應用前景。
參考文獻：
[1] 《CHH100系列高壓變頻器產品說明書》，深圳市英威騰電氣股份有限公司
[2] 《變頻器的節能與改造》化學工業出版社 2011-03出版