摘要：根據(jù)GD5000系列高壓變頻器在洛陽伊川龍泉坑口自備發(fā)電有限公司2#機(jī)組1#凝結(jié)水泵上的應(yīng)用，分析凝結(jié)水泵變頻改造之后的控制策略以及實(shí)際節(jié)能效果

關(guān)鍵詞：凝結(jié)水泵 高壓變頻器 節(jié)能改造

一、引言

伊電控股集團(tuán)有限公司是一個(gè)集發(fā)電、鋁冶煉、鋁加工 、碳素生產(chǎn)、粉煤灰綜合利用等產(chǎn)業(yè)為一體的大型工業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)企業(yè)。現(xiàn)有2220兆瓦火電裝機(jī)容量、年產(chǎn)84萬噸電解鋁、25萬噸哈茲列特（連鑄連軋）鋁板帶、60 萬噸鋁板帶箔、32萬噸鋁用碳素和10億塊粉煤灰標(biāo)磚等生產(chǎn)能力。擁有我國第一個(gè)300KA電解鋁系列、400KA電解鋁系列、亞洲第一條哈茲列特（連鑄連軋）鋁板帶生產(chǎn)線。主導(dǎo)產(chǎn)品電解鋁產(chǎn)能位居河南省第一位，全國500強(qiáng)企業(yè)。

圖1 伊川電力集團(tuán)自備電廠

2014年伊川電力集團(tuán)三電廠為響應(yīng)國家的節(jié)能減排的政策方針，邀請(qǐng)我公司技術(shù)人員到廠內(nèi)對(duì)2×330MW機(jī)組的鍋爐給水及風(fēng)煙系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，做節(jié)能評(píng)估。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)及工藝要求，我公司技術(shù)人員對(duì)運(yùn)行工況進(jìn)行全面分析并提交了針對(duì)鍋爐及汽機(jī)輔機(jī)變頻改造的整體解決方案，最終確定先對(duì)擁有較大節(jié)能空間的凝結(jié)水泵進(jìn)行改造。

二、現(xiàn)場工藝分析

三電廠1#發(fā)電機(jī)組采用東方電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的QFSN-300-2-200型汽輪發(fā)電機(jī)，汽輪機(jī)采用東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N300-16.7/537/537-4型，鍋爐型號(hào)B&WB-1025/18.3-M由北京巴布科克•威爾斯科克斯有限公司制造。年平均發(fā)電負(fù)荷264MW，發(fā)電運(yùn)行時(shí)間6700小時(shí)，預(yù)期累計(jì)發(fā)電量17.16億度。

凝結(jié)水系統(tǒng)輔機(jī)主要有2臺(tái)全容量凝結(jié)水泵。系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的配置，凝結(jié)水通過凝結(jié)水泵升壓后，經(jīng)過軸封加熱器、4臺(tái)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(shè)置除氧器水位調(diào)節(jié)閥（并列兩個(gè)氣動(dòng)閥），用于控制除氧器水位。機(jī)組在滿負(fù)荷情況下，除氧器水位調(diào)節(jié)閥開度都在40％～60％之間運(yùn)行，凝結(jié)水泵電流變化卻不大，50%負(fù)荷至100%負(fù)荷間壓差較大，閥門一直處在節(jié)流狀態(tài)下工作，節(jié)流損失大。并且，由于機(jī)組參與調(diào)峰，在低負(fù)荷時(shí)，凝泵出力不變，造成很大浪費(fèi)。

凝結(jié)水系統(tǒng)的工藝簡圖如圖2所示：

圖2 凝結(jié)水系統(tǒng)的工藝簡圖

三、改造方案

1．凝結(jié)水泵的運(yùn)行工況 

在汽輪機(jī)內(nèi)做完功的蒸汽在凝汽器冷卻凝結(jié)之后，用凝結(jié)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(jié)水泵連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行是保持電廠安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)地一個(gè)重要方面。

調(diào)節(jié)凝汽器內(nèi)的水位是凝結(jié)水泵運(yùn)行中的一項(xiàng)主要工作。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，凝汽器內(nèi)的水位不能過高或過低。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升高時(shí)，凝結(jié)水量增加，凝汽器內(nèi)的水位相應(yīng)上升。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低時(shí)，凝汽器內(nèi)水位相應(yīng)降低。

圖3 工頻凝結(jié)水泵工作點(diǎn)和調(diào)節(jié)曲線圖

凝結(jié)泵電機(jī)使用德國西門子立式電機(jī)，6KV/1000KW，每臺(tái)機(jī)組配備二臺(tái)凝結(jié)泵，一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。

沒有使用變頻器之前，凝汽器內(nèi)的水位調(diào)整是通過改變凝結(jié)水泵出口閥門的開度進(jìn)行的，調(diào)節(jié)線性度差，大量能量在閥門上損耗。同時(shí)由于頻繁的對(duì)閥門進(jìn)行操作，導(dǎo)致閥門的可靠性下降，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

使用高壓變頻器后，凝結(jié)水泵出口閥門不需要頻繁調(diào)整，閥門開度保持在一個(gè)比較大的范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)出口流量的目的，滿足運(yùn)行工況的要求。

圖4 變頻運(yùn)行工作點(diǎn)和調(diào)節(jié)曲線圖

2．凝泵改變頻控制策略

把#2機(jī)#1凝結(jié)水泵改為變頻器控制調(diào)節(jié)，變頻器的控制在DCS中實(shí)現(xiàn)，DCS根據(jù)除氧器水位進(jìn)行正常調(diào)節(jié)，控制#1凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速，以減少凝結(jié)水系統(tǒng)的壓力損失，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.1系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的控制

在正常工況下，DCS優(yōu)先選擇#1凝結(jié)水泵投入運(yùn)行，并根據(jù)除氧器水位進(jìn)行變頻調(diào)速控制，調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵，此時(shí)主凝結(jié)水調(diào)整門處于全開狀態(tài)。如果#2泵開關(guān)一旦合閘（不管其他條件），主凝結(jié)水調(diào)門可根據(jù)負(fù)荷大小分別調(diào)330MW時(shí)調(diào)整至40%，200MW時(shí)調(diào)整至30%，其它負(fù)荷按此直線斜率確定調(diào)門位置，到位后#1凝泵6KV開關(guān)跳閘，主凝結(jié)水調(diào)門自動(dòng)投入。在凝汽器、除氧器水位平穩(wěn)后，將#2凝泵出口電動(dòng)門由30%逐漸開展。

為保證主凝結(jié)水母管壓力不低于0.6MPa，#1凝泵最低頻率設(shè)定為30HZ。  

#1泵運(yùn)行有兩種運(yùn)行方式，即工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行。如變頻器正常，#1泵通過變頻調(diào)節(jié)（旁路斷開），操作順序?yàn)椋合群仙?1凝結(jié)水泵6KV開關(guān)，再啟動(dòng)變頻器；如變頻器有故障，則需隔離變頻器、通過旁路工頻運(yùn)行，并通過主凝結(jié)水調(diào)門自動(dòng)來控制水位，操作順序?yàn)椋簩?1凝泵電源切換為旁路工頻狀態(tài)，合上#1凝結(jié)水泵6KV開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)＃1凝泵工頻運(yùn)行。#2泵退出備用。#2泵控制方式保持不變，#1泵此時(shí)需隔離變頻器，旁路在連通位置，處于工頻備用位置。如#2泵故障跳閘或母管壓力低，引起#1泵自投，這時(shí)#1泵在工頻狀態(tài)下運(yùn)行，并通過主凝結(jié)水調(diào)門來控制水位。

如變頻器正常，#1泵通過變頻調(diào)節(jié)（旁路斷開）；如變頻器有故障，#1泵隔離變頻器、通過旁路工頻運(yùn)行，并通過主凝結(jié)水調(diào)門來控制水位。#1凝工頻運(yùn)行時(shí)，如#1凝泵6KV開關(guān)跳閘，就應(yīng)聯(lián)動(dòng)#2泵；變頻運(yùn)行時(shí)不僅#1凝泵6KV開關(guān)跳閘應(yīng)聯(lián)動(dòng)#12凝泵，而且如因變頻器跳閘也應(yīng)聯(lián)動(dòng)#2泵。 

2.2 安全保護(hù)措施：

為了保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，采取了一套完善的控制保護(hù)措施。

?  ? 流量保護(hù)：當(dāng)流量小于96kG/S。大于580kG/S，延時(shí)20秒停機(jī)。

?  ? 水位保護(hù)：當(dāng)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(shí)20秒停機(jī)。

  ?? 溫度保護(hù)：當(dāng)泵和電機(jī)軸承溫度超過100度，報(bào)警同時(shí)跳機(jī)保護(hù)。

?  ? QF合閘允許條件：只有電機(jī)繞組溫度小于120度，泵軸承溫度小于90度，高壓開關(guān)才允許合閘。

四、設(shè)備參數(shù)

配置清單如下：

整個(gè)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)由用戶開關(guān)、一拖一隔離自動(dòng)旁路柜、GD5000系列高壓變頻器、高壓電機(jī)組成。

圖5一拖一隔離自動(dòng)旁路

一拖一隔離自動(dòng)旁路柜是由三個(gè)真空高壓接觸器KM1、KM2、KM3和高壓隔離開關(guān)QS1、QS2組成。正常運(yùn)行時(shí)QS1、QS2全部閉合，只有在檢修時(shí)斷開。電機(jī)以變頻方式運(yùn)行時(shí)， KM1、KM2閉合，QS3斷開；電機(jī)以工頻方式運(yùn)行時(shí)，KM3閉合， KM1、KM2斷開。變頻與工頻之間切換自動(dòng)/手動(dòng)完成。旁路柜嚴(yán)格按照“五防”聯(lián)鎖要求設(shè)計(jì)，變頻輸出開關(guān)KM2和工頻開關(guān)KM3互鎖，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運(yùn)行。

圖6 現(xiàn)場圖片

五、應(yīng)用效果

變頻調(diào)速不僅節(jié)能效益顯著，而且可以明顯改善系統(tǒng)的安全可靠性，有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。

?  節(jié)電效果顯著

下面是某月的電能統(tǒng)計(jì)，做一個(gè)同類機(jī)組的橫向比較，可以看出凝泵用電減少許多。

以2#機(jī)組年運(yùn)行7200小時(shí)計(jì)算，每年使用變頻器可節(jié)約廠用電217 萬千瓦時(shí)，折合人民幣113萬元。

•減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊

電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的最大啟動(dòng)電流為額定電流的7倍，星角啟動(dòng)為4.5倍，電機(jī)軟啟動(dòng)器也要達(dá)到2.5倍。觀察變頻器啟動(dòng)的負(fù)荷曲線，可以發(fā)現(xiàn)它啟動(dòng)時(shí)基本沒有沖擊，電流從零開始，僅是隨著轉(zhuǎn)速增加而上升，不管怎樣都不會(huì)超過額定電流。因此凝泵變頻運(yùn)行解決了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問題，消除了大啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力，大大降低日常的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。 

•延長設(shè)備壽命 

提高了凝結(jié)水泵的可靠性，延長了凝結(jié)水泵的壽命。采用變頻調(diào)速后，低負(fù)荷時(shí)，凝結(jié)水泵低速運(yùn)轉(zhuǎn)，泵必需的汽蝕余量（NPSH）降低，降低了泵內(nèi)發(fā)生汽蝕的可能性（因泵的汽蝕余量近似與泵的轉(zhuǎn)速的平方成正比），延長了水泵的壽命。同時(shí)使用變頻器可使電機(jī)轉(zhuǎn)速變化沿凝泵的加減速特性曲線變化，沒有應(yīng)力負(fù)載作用于軸承上，延長了軸承的壽命，凝泵使用費(fèi)用自然就降低了。 

•提高管系可靠性

變速調(diào)速運(yùn)行時(shí)，其出口調(diào)節(jié)門可以全開，利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量和壓力，改善了由于閥門調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)管系的沖擊，降低了調(diào)節(jié)閥前后的管系泄漏的可能性，從而減少了維護(hù)工作量，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。另外由于小流量時(shí)的轉(zhuǎn)速低，這樣降低了泵及系統(tǒng)的噪音，改善了運(yùn)行環(huán)境。

六、總結(jié)

隨著大型機(jī)組參與調(diào)峰的增多，越來越多的火力發(fā)電廠的爐側(cè)機(jī)側(cè)輔機(jī)需要進(jìn)行調(diào)速改造，以適應(yīng)市場競爭的需求。這次在伊川電力集團(tuán)330MW機(jī)組應(yīng)用GD5000系列高壓變頻器對(duì)凝結(jié)泵進(jìn)行調(diào)速改造的成功，為今后在更大容量的發(fā)電機(jī)組上應(yīng)用高壓變頻器進(jìn)行改造提供了廣闊的應(yīng)用前景。