節(jié)能降耗成為一個發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，火力發(fā)電行業(yè)是眾多能源行業(yè)之一，火電廠也是一個進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換的行業(yè)，在消耗一次能源的同時(shí)生產(chǎn)出二次能源。在消耗和生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換過程中，如何實(shí)現(xiàn)低耗高效是一個需要長期關(guān)注和不斷發(fā)展的行業(yè)問題。
變頻器有著“現(xiàn)代工業(yè)維生素”之稱，在節(jié)能方面的效果不容忽視，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)和人民的日常生活中，高壓電動機(jī)加裝變頻器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備電動機(jī)的無級調(diào)速正是目前應(yīng)用最廣的一項(xiàng)電動機(jī)調(diào)速節(jié)電技術(shù)，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，變頻節(jié)電效果至少在30%。以下介紹天津大唐國際盤山發(fā)電有些責(zé)任公司(以下簡稱盤山發(fā)電公司)對汽機(jī)凝結(jié)水泵進(jìn)行變頻改造實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的具體例證。
一、設(shè)備概述
盤山發(fā)電公司2×600MW火電機(jī)組是我國華北地區(qū)建設(shè)投產(chǎn)最早的600MW亞臨界火電機(jī)組，是京津唐電網(wǎng)的主力機(jī)組。
該公司每臺機(jī)組配有2臺立式長軸泵凝結(jié)水泵。1臺凝結(jié)水泵即可滿足機(jī)組BMCR工況要求，運(yùn)行中采用一臺運(yùn)行一臺備用的方式。
凝結(jié)水泵屬于是立軸靜葉出力不可調(diào)水泵。凝結(jié)水量的調(diào)整通過“除氧器水位調(diào)節(jié)站”中的30%流量調(diào)整門和70%流量調(diào)整門來調(diào)整，維持正常運(yùn)行中的除氧器水位。
二、凝結(jié)水泵變頻改造
由流體力學(xué)可知，泵與風(fēng)機(jī)的流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速可成比例地下降，而此時(shí)軸輸出功率成立方關(guān)系下降，即水泵電動機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。變頻器就是利用電力電子器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給電動機(jī)。頻率可控即電動機(jī)轉(zhuǎn)速可控，從而達(dá)到節(jié)能的目的。
盤山發(fā)電公司的2臺600MW機(jī)組，每臺機(jī)組配備了2臺凝結(jié)水泵，單臺額定容量為1940 m3/h，電動機(jī)功率為2500 kW， 額定電流274A， 正常為1臺運(yùn)行，另1臺備用，在額定600MW負(fù)荷下運(yùn)行最大電流250.5 A，只有額定電流的91.4%，低負(fù)荷運(yùn)行最低電流到200 A左右，是額定電流的73%。根據(jù)對凝結(jié)水泵運(yùn)行工況和參數(shù)的分析，盤山發(fā)電公司對凝結(jié)水泵進(jìn)行了變頻改造。由于凝結(jié)水泵正常運(yùn)行方式是一運(yùn)一備，故將采用“一拖二”方案，即每臺機(jī)組的2臺凝結(jié)水泵可共用1套變頻裝置，以節(jié)約投資。
三、改造方案
2007年9月，盤山發(fā)電公司利用4#機(jī)組小修的機(jī)會對凝結(jié)水泵進(jìn)行了變頻改造。采用的是北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的HARSVERT－A06/280（正弦波系列異步電動機(jī)普通控制型）高壓變頻器。該系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，6 kV輸入，6 kV高壓輸出，屬高－高電壓源型變頻器。該變頻裝置主機(jī)柜由控制柜、功率柜、變壓器柜以及旁路柜4個柜體組成，高壓變頻器接入電氣系統(tǒng)的方式如圖1所示。其中：QF1、QF2為高壓開關(guān)，QS1、QS4為入口刀閘，QS2、QS5為出口刀閘，QS3、QS6為旁路刀閘。
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| 圖1：高壓變頻器接入電氣系統(tǒng)方式圖 |
整個改造方案包括三部分改造。第一是就地高壓變頻器的安裝和接入。在就地搭建了專門的變頻小間，其中安裝的主要設(shè)備包括：高壓變頻器主柜體、雙路控制電源切換箱、高壓變頻器UPS(交流不停電)電源柜、高壓變頻小間柜式空調(diào)機(jī)以及變頻冷卻系統(tǒng)。高壓變頻器的所有就地操作、運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警參數(shù)的檢查設(shè)置都在變頻小間內(nèi)完成。第二是電氣開關(guān)部分的改造。6 kV高壓開關(guān)加裝了高壓變頻器保護(hù)回路和“工頻變頻工作方式”切換把手，配合凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行和工頻變頻兩種工作方式的切換。另外，從380 V低壓交流廠用母線段和220 V直流母線段完成了高壓變頻器控制電源和操作電源的供電改造。第三部分是熱工邏輯和DCS操作畫面的改造。在DCS畫面上增加一幅凝泵變頻畫面。在不同工作方式下啟動凝結(jié)水泵的方法也不同。當(dāng)工頻方式下，畫面提示凝泵在工頻方式，在原畫面的操作按鈕上按下啟動，則合6 kV開關(guān)直接啟動凝結(jié)泵電動機(jī)，運(yùn)行中，通過除氧器水位調(diào)節(jié)站凝結(jié)水量調(diào)整門的開度來調(diào)節(jié)凝結(jié)水量維持除氧器水位；當(dāng)在變頻方式下，畫面提示凝結(jié)泵在變頻方式，在原畫面的操作按鈕上按下啟動，則僅合入6 kV開關(guān)，然后在新增畫面上的高壓變頻器啟動按鈕上按下啟動，則啟動高壓變頻器同時(shí)啟動凝結(jié)泵電動機(jī)，運(yùn)行中的除氧器水位調(diào)節(jié)站凝結(jié)水量調(diào)整門保持全開，通過調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速改變出力以調(diào)節(jié)凝結(jié)水量維持除氧器水位。
四、旁路柜介紹
該變頻裝置主機(jī)柜由控制柜、功率柜、變壓器柜以及旁路柜4個柜體組成，前三者屬于高壓變頻器核心柜體。而旁路柜（如圖1中虛線框內(nèi)所示部分）的布置主要決定于高壓變頻器所帶負(fù)載的數(shù)目以及工頻和變頻工作方式的切換方法。凝結(jié)水泵一運(yùn)一備的運(yùn)行方式?jīng)Q定了變頻改造采用了一拖二的公用變頻器的改造方式，因此，其旁路柜功能就較為復(fù)雜。它是由6個高壓隔離開關(guān)QS1～QS6組成，隔離開關(guān)分別選用GN19系列單投和雙投戶內(nèi)高壓隔離開關(guān)，相間距為210 mm；單投隔離開關(guān)的進(jìn)線端的3個絕緣端子為高壓帶電顯示裝置的3個傳感器，柜面外加輸入、輸出端子實(shí)現(xiàn)工頻、變頻指示。如果M1工作在變頻狀態(tài)，M2可以工作在工頻狀態(tài)；相反如果M2工作在變頻狀態(tài)，則M1可以工作在工頻狀態(tài)；如果檢修高壓變頻器，2臺負(fù)載都可以工頻運(yùn)行。
一拖二的公用方式?jīng)Q定了實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行工頻備用的特殊工作方式，以及各開關(guān)刀閘之間復(fù)雜的閉鎖關(guān)系。各開關(guān)刀閘之間復(fù)雜的閉鎖關(guān)系如下：
1) QS1和QS4，QS2和QS5之間實(shí)現(xiàn)電氣閉鎖和邏輯閉鎖。確保只能有1臺凝結(jié)水泵可以投入變頻，無法將2臺同時(shí)投入變頻方式。
2) QS3和QS2，QS6和QS5安裝機(jī)械互鎖裝置，確保凝泵電動機(jī)只能處于工頻或者變頻工作方式，防止發(fā)生高壓變頻器輸出側(cè)與6 kV電源側(cè)短路等嚴(yán)重事故。
3) QS1、QS2合閘，QS3分閘，且高壓變頻器發(fā)出合閘允許信號時(shí)QF1才能合閘，此時(shí)如果發(fā)出高壓變頻器重故障信號，QF1立刻跳閘。2號旁路柜相同。
4) QS1、QS2分閘，QS3合閘時(shí)，QF1可以合閘，此時(shí)高壓變頻器重故障信號不能使QF1跳閘。2號旁路柜相同。
5) 當(dāng)凝結(jié)泵變頻運(yùn)行過程中，變頻運(yùn)行給定指令小于95%，系統(tǒng)將閉鎖壓力低聯(lián)泵保護(hù)，防止變頻正常調(diào)節(jié)過程中聯(lián)動啟備用泵。變頻運(yùn)行給定指令大于95%，壓力低保護(hù)動作時(shí)聯(lián)啟備用泵動作有效。
需要說明的是，在凝結(jié)泵變頻運(yùn)行方式的判斷回路中，采取了旁路隔離開關(guān)分閘的指示信號作為唯一判斷依據(jù)。主要是考慮到關(guān)鍵判斷回路的簡單和可靠性，而沒有讀取變頻上下口隔離開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行判斷。避免判斷條件過多，導(dǎo)致回路容易出錯的問題。
五、凝泵變頻裝置冷卻系統(tǒng)介紹
為了保證高壓變頻器具有良好的運(yùn)行環(huán)境，高壓變頻器室配一套冷卻系統(tǒng)用于室內(nèi)環(huán)境降溫。空冷器的風(fēng)道與高壓變頻器排風(fēng)口相連，從高壓變頻器出來的熱風(fēng)，經(jīng)過通風(fēng)管道排放到內(nèi)有固定水凝管的散熱器中，散熱器中通過溫度低于33℃的冷水，熱風(fēng)經(jīng)過散熱片后，將熱量傳遞給冷水，變成熱風(fēng)從散熱片吹出，熱量被循環(huán)冷卻水帶走，從而保證高壓變頻器控制室內(nèi)的環(huán)境溫度不高于40℃。
此冷卻系統(tǒng)有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是屬于強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)，增壓風(fēng)機(jī)的增壓效果極大地提高了冷熱風(fēng)的循環(huán)速度和熱交換的強(qiáng)度；二是該系統(tǒng)配有反沖洗系統(tǒng)，可以定期對冷卻水管道進(jìn)行沖洗和對冷卻器管道進(jìn)行反沖洗。定期清理管道內(nèi)積存的污泥和雜物，對提高冷卻效果有著事半功倍的效果。鑒于盤山發(fā)電公司已經(jīng)改造過的一次送風(fēng)機(jī)變頻裝置也存在運(yùn)行溫度高的問題，目前已經(jīng)開始對一次送風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)加裝同樣的冷卻系統(tǒng)。
六、凝結(jié)泵變頻改造的節(jié)能效果預(yù)期
目前，凝結(jié)泵變頻改造已經(jīng)完成并且順利投入使用，長期節(jié)能效果以及數(shù)據(jù)正在收集統(tǒng)計(jì)之中，目前各典型負(fù)荷點(diǎn)凝結(jié)泵工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行的電流對照見下表：
| 運(yùn)行電流 |
典型負(fù)荷點(diǎn)/MW |
| 300 |
400 |
450 |
500 |
600 |
| 工頻運(yùn)行電流/A |
197 |
208 |
215 |
222 |
247 |
| 變頻運(yùn)行電流/A |
47 |
99 |
113 |
125 |
150 |
| 節(jié)電百分比（％） |
76.1 |
52.4 |
47.4 |
43.7 |
39.3 |
通過對照，可以很明顯看出凝結(jié)泵變頻改造的節(jié)能效果十分明顯，尤其是對于低負(fù)荷運(yùn)行階段節(jié)電效果十分巨大。參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，凝結(jié)泵變頻后即使按節(jié)電40%計(jì)算，假定凝結(jié)水泵負(fù)荷率為85%，機(jī)組年利用時(shí)間為5800 h，那么全年2臺機(jī)組節(jié)電約986萬kW?h。因此，對凝結(jié)泵加裝高壓變頻器很有必要。
盤山發(fā)電公司對凝結(jié)泵的變頻改造取得了初步成功，節(jié)能效果明顯。發(fā)電生產(chǎn)設(shè)備中高壓轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備占有絕對數(shù)量，對轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備進(jìn)行變頻改造的節(jié)能效果十分明顯，節(jié)能經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)說明：技術(shù)因素對能耗的變化起著主導(dǎo)和決定性作用。利用新型技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行改造，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行進(jìn)一步完善和革新，確保節(jié)能和安全達(dá)到完全統(tǒng)一。
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