合康高壓變頻器在石橫電廠315MW機組凝結水泵上的應用

        摘要：本文介紹了合康高壓變頻器在國電山東石橫發(fā)電廠#1-4機組凝結水泵上的應用，并對改造后節(jié)能情況進行了分析計算。對變頻改造后出現(xiàn)的幾個問題提出了解決辦法。同時指出了高壓變頻器在火力發(fā)電機組中的廣闊應用前景，值得推廣應用。

一、設備概況及節(jié)能分析

        山東石橫發(fā)電廠#1-4機組為N300-16.7/538/538中間再熱凝汽式汽輪機組，容量為4×315MW。每臺機組配置兩臺凝結水泵，正常運行時一臺凝泵運行，一臺凝泵備用。當運行泵故障時，備用泵自啟并投入運行。
        凝結水泵為沈陽水泵廠生產(chǎn)的9LDTN–7簡袋型立式冷凝泵，轉(zhuǎn)速為1480r/min；凝結水泵電機是湘潭電機廠生產(chǎn)的，功率為1000KW，電壓6000V，轉(zhuǎn)速為1484r/min。
        系統(tǒng)正常運行時，凝結水通過凝結水泵升壓后，流經(jīng)各低壓加熱器和除氧器水位調(diào)節(jié)閥最后到達除氧器。由于采用閥門調(diào)節(jié)，大部分的能量都被消耗在閥門上了，且機組負荷越低耗能就越多，管網(wǎng)的壓力就越大。以3A凝結水泵運行參數(shù)為例，如下表1所示：

表1  3A凝泵運行參數(shù)數(shù)據(jù)

        根據(jù)運行記錄，機組平均負荷約在240MW，如上表所示對應的凝結水流量為615.2t/h，此時的凝泵出口壓力為3.12Mpa；而在300MW負荷下，凝結水流量為797.7t/h，此時的凝泵出口壓力為2.93MPa。因此凝結泵存在較大的節(jié)能空間。
        為了實現(xiàn)節(jié)能降耗，提高機組調(diào)節(jié)性能，我廠經(jīng)過多方考察認證，最終采用北京合康億盛科技有限公司生產(chǎn)的HIVERT-Y06/130型高壓變頻器。該套高壓變頻器包括變壓器柜、單元柜、控制柜?？梢詽M足DCS系統(tǒng)控制要求，實現(xiàn)一套變頻帶兩臺凝結水泵的要求。

二、凝泵變頻改造方案

1、凝泵變頻器應實現(xiàn)的功能
        1）實現(xiàn)每臺機組正常運行方式下單臺凝泵變頻運行，另一臺凝泵工頻備用。
        2）變頻運行方式下，流量自動隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。
        3）電機拖動水泵實現(xiàn)軟啟動和軟制動。
        4）實現(xiàn)線性調(diào)速，系統(tǒng)調(diào)頻范圍0-50HZ。
        5）實現(xiàn)同機組DCS系統(tǒng)的雙向信息傳遞：
        變頻器提供給DCS系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速、輸出電流、變頻器溫度等4-20毫安模擬量信息；以及變頻器報警及故障、啟停狀態(tài)、高壓開關狀態(tài)等開關量信號。
        同時接收DCS系統(tǒng)提供的轉(zhuǎn)速給定模擬量信號以及遠方啟停指令。
        6）變頻器應配置對自身及電機的保護功能。
        7）當變頻器發(fā)生故障時應保證凝泵工頻正常運行。

2、變頻器電氣系統(tǒng)

        凝結水泵電機變頻改造采用一拖二切換運行方案，電氣接線圖如圖1所示：

圖1 變頻器電氣接線圖

        （1）正常運行方式
        正常運行時，＃1泵運行在變頻調(diào)速狀態(tài)下，電源通過“QF1、QS1”至高壓變頻器，變頻后通過“QS2”輸出至＃1凝泵電機。此時#2凝泵電機處于工頻備用狀態(tài)，“QS6”處于合閘狀態(tài)。QS2、QS3（QS5、QS6）之間有機械聯(lián)鎖，不能同時合閘。QS1、QS4之間有機械聯(lián)鎖，不能同時合閘。
        （2）一臺泵發(fā)生故障情況的運行方式
        當變頻控制的工作泵發(fā)生故障跳閘，或出力不足等故障時，可通過DSC組態(tài)啟動備用泵工頻運行。
        （3）當一段廠用母線失電后的運行方式
        供變頻器段母線失電后，自動啟動備用泵工頻運行。
        （4）旁路運行方式
        當變頻器故障，短期不能恢復運行時，可以將“QS3、QS6”投入，變頻器旁路運行。同時斷開QS1、QS2，QS4、QS5，變頻器可以退出維修。
3 、變頻器冷卻系統(tǒng)
        高壓變頻器對運行環(huán)境溫度通常要求在-5-+45度，環(huán)境粉塵含量低于6.5mg/dm3.溫度過高會造成變頻器溫度過熱保護跳閘，粉塵含量過高易導致變頻器通風濾網(wǎng)更換清洗維護量過高，增加維護費用。
        合康高壓變頻器采用強迫風冷冷卻方式。鑒于我廠環(huán)境實際情況，決定單獨建立變頻器室，采用內(nèi)循環(huán)方式制冷。根據(jù)變頻器容量計算，安裝兩臺10P空調(diào)。正常運行一臺空調(diào)，另一臺空調(diào)備用。

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三、變頻調(diào)速節(jié)能原理

         根據(jù)流體動力學理論和水泵的特性曲線可知，
         Q1/Q2 = n1/n2     流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比
         H1/H2 = (n1/n2)2  壓力H與轉(zhuǎn)速n2成正比
         P1/P2 = (n1/n2)3  軸功率P與轉(zhuǎn)速n3成正比
         由以上分析可知，當轉(zhuǎn)速下降至50%時，流量Q將隨之下降至50%;揚程H將下降至25%，功率P將下降至12.5%，如果不用減小出口閥開度的方法控制流量，而是將泵的轉(zhuǎn)速降低，隨著泵輸出壓力的降低，消耗在閥門上的功率完全可以避免，這就是水泵變速運行的節(jié)能原理。
        如圖2，從水泵的運行曲線圖來分析采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果。

圖2 水泵的運行曲線圖

        當所需流量從Q1減小到Q2時，如果采用調(diào)節(jié)閥門的辦法，管網(wǎng)阻力將會增加，管網(wǎng)特性曲線上移，系統(tǒng)的運行工況點從A點變到新的運行工況點B點運行，所需軸功率P2與面積H2Q2成正比；如果采用調(diào)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，因此其運行工況點由A點移至C點。此時所需軸功率P3與面積HBQ2成正比。從理論上分析，所節(jié)約的軸功率Delt(P)與（H2-HB）×（C-B）的面積成正比。

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2、#2機組凝泵電機節(jié)能分析
        1）85%負荷率情況下
        變頻方式下：10年1月2日#2機發(fā)電量616萬kWh，負荷率為85.5%，2A凝泵全天用電量為1.962萬kWh；
        工頻方式下：09年9月17日#2機發(fā)電量為625.44萬kWh，負荷率86.8%，2A凝泵全天用電量為2.514萬kWh kWh；
        2A凝泵每天節(jié)能：PA天=2.514-1.962=0.552萬kWh
        2A凝泵每小時節(jié)能：PA時 =0.552/24=0.023萬kWh
        2A凝泵全年節(jié)能：PA85% =0.023×6500=149.5萬kWh
        在85%負荷率下（平均255MW負荷）#2機組一臺凝泵全年節(jié)能（去除空調(diào)耗電量）：P總= PA85% - P冷=149.5-4.9=144.6萬kWh
        2）75%負荷率情況下
        變頻方式下：10年1月1日#2機發(fā)電量545萬kWh，負荷率為75.8%，2A凝泵全天用電量為1.5588萬kWh；
        工頻方式下：09年9月20日#2機發(fā)電量為543萬kWh，負荷率75.4%，2A凝泵全天用電量為2.236萬kWh；
        2A凝泵每天節(jié)能：PA天=2.236-1.5588=0.6772萬kWh
        2A凝泵每小時節(jié)能：PA時 =0.6772/24=0.0282萬kWh
        2A凝泵全年節(jié)能：PA75% =0.0282×6500=183.4萬kWh
        在75%負荷率下（平均225MW負荷）#1機組一臺凝泵全年節(jié)能（去除空調(diào)耗電量）：P總= PA75% - P冷=183.4-4.9=178.5萬kWh
3、結論
        1）#1機組單臺凝泵電機，在85%負荷率時，每年節(jié)能約127.4萬kWh，影響廠用電率約為0.087%；在75%負荷率時，每年節(jié)能約162.53萬kWh，影響廠用電率約為0.104%；
        2）#2機組單臺凝泵電機，在85%負荷率時，每年節(jié)能約144.6萬kWh，影響廠用電率約為0.094%；在75%負荷率時，每年節(jié)能約178.5萬kWh，影響廠用電率約為0.108%；
        3）按當前上網(wǎng)電價0.4#/度，負荷率為75%考慮,#1、2機組凝泵采用變頻技術后全年可節(jié)省資金為：（162.53+178.5）×0.4=136.4萬元。
        4）考慮設備折舊率，實際年節(jié)電費
        #1、2機組凝泵變頻改造費用為190萬元，設備的殘值按5%考慮，變頻器的一般壽命按10年考慮；則設備每年折舊費為：190*（1-5%）/10=18.05萬元。
        實際年節(jié)電費為136.4-18.05=118.35萬元。
        5）投資回收期（靜態(tài)）為：190/118.35=1.6年。
        由此可見，應用變頻技術可取得比較可觀的經(jīng)濟效益。負荷率越低，經(jīng)濟效益越明顯。

五、出現(xiàn)的問題及改進方法：

        由于凝泵安裝變頻器后改變了凝泵的運行特性，所以在安裝調(diào)試時遇到了新的問題，通過調(diào)試人員的努力，也很好的得到了解決。
        熱控聯(lián)鎖定值重新整定：凝結水泵電機變頻運行時需全開凝結水至除氧器調(diào)節(jié)閥，加上凝泵處于低速運行狀態(tài)，這造成凝結水母管壓力比凝泵工頻運行時低很多，特別是在機組低負荷時更明顯，#5機在正常運行時凝結水母管壓力最低可至0.85MPa（此時除氧器水位調(diào)節(jié)閥全開，調(diào)節(jié)旁路閥全關），為了保證凝結水備用泵不誤自啟（工頻運行時為凝結水泵壓力低于1.8MPa時，備用泵自啟），將定值改為0.6MPa時備用泵自啟。其他熱控聯(lián)鎖不變。
        凝雜水用戶受到影響：凝結水泵電機變頻運行時凝結水母管壓力降低，造成凝雜水供水壓力降低，降低了對凝雜水用戶的供水可靠性。對于這種情況采取了兩種措施。一是凝結水母管壓力低至0.6MPa時啟動備用泵，防止凝結水壓力太低影響對凝雜水用戶的供水；二是對一些重要的凝雜水用戶，采用了兩路供水方式，另一種方式是采用凝輸水供水，正常運行中由凝輸水供水，凝雜水備用。通過這兩種措施，可以滿足機組的正常穩(wěn)定運行。特殊情況可以通過關小除氧器水位調(diào)節(jié)閥的方式來保證凝結水母管壓力，防止影響對凝雜水用戶的供水。

六、結論：
        在燃料成本不斷上漲、電力企業(yè)運營成本壓力逐漸加大的背景下，隨著電力體制改革的推進和競價上網(wǎng)新格局的形成，降低發(fā)電成本以提高市場競爭力已被各發(fā)電企業(yè)提上日程。高壓變頻調(diào)節(jié)控制技術作為一種新型的調(diào)速方法，其優(yōu)良的技術經(jīng)濟性已經(jīng)得到公認。#1-4機組凝泵采用變頻技術已有一段時間，設備運行可靠，同時證明了北京合康億盛科技有限公司生產(chǎn)的HIVERT-Y06/130型高壓變頻器性能穩(wěn)定，能夠滿足現(xiàn)場環(huán)境需要，值得大力推廣。

[參考文獻]
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        [3]胡中華  變頻器在電廠凝結水泵上應用的經(jīng)濟性分析及問題的解決。電機技術。2006，3：55-57

[作者簡介]

        趙魯 1977-4 男 工程師
        朱青 1978-7 女 工程師
        郵編：271621
        地址：山東省肥城市石橫鎮(zhèn)國電石橫發(fā)電廠電氣隊繼電保護班

（原創(chuàng)）