高压变频器在电厂凝结水泵上的应用

      国华准格尔电厂现有4台330MW凝汽式发电机机组运行，随着电网内大机组的相继投产,该厂的调峰任务越来越重,峰谷差日益增大,根据现场运行资料统计,300MW机组每日的负荷一般在200MW左右。而目前在已投运的大型火电机组中，凝结水泵大多采用100%容量、一用一备的配备运行模式。由于除氧器水位一般依靠出口水位调节阀开度进行控制，所以节流损失很大。随着高压变频调速装置可靠性的提高，应用领域不断扩大，对凝结水泵进行变频改造成为现实。在实际改造中，凝结水泵的控制方案比风机变频复杂的多，本文试图对凝结水泵变频改造中可能出现的问题作一番探讨。
1 、凝结水泵改造前的运行工况
   凝结水系统的作用是通过凝结水泵及时的把凝结水送至除氧器中，维持除氧器水位平衡。国华准电厂330MW配两台B640-5型凝结水泵，额定流量735m3/h，扬程293m，泵效率81%，轴功率724kW，转速1489r/min；配套电动机型号YLST500-4,电压6kV,电流115.6A,功率1000kW, 功率因数0.89，转速1489r/min. 效率 90%。
   凝结水主要用户包括汽轮机低压轴封减温水、凝汽器喷水、真空泵补充水、定子冷却水补充水、高压加热器疏水扩容器减温水、低压旁路减温水等。凝结水系统如图1所示。变频前凝结水系统运行过程中存在如下问题：
1）除氧器水位是通过改变除氧器上水调整门开度进行的，因出口压力较高、扬程的富裕量大，造成节流损失大。
2）除氧器上水调整门前后的压损大，易使阀门受到严重冲刷而泄漏，造成更换频繁。
3）机组负荷发生变化时，只能靠调整阀门来调节，控制比较困难。
4）阀门调节线性度差，调节品质差，同时由于频繁的对上水调整门进行操作，导致阀门的可靠性下降。
5）机组负荷低，凝结水泵电动机出现大马拉小车现象，浪费大量电能。
6）高压力的凝结水造成凝结水管道振动很大。

图1　凝结水系统图

2、变频改造方案
变频调速装置可以使电动机根据机组运行需要，调节其转速，使电动机消耗功率大幅度下降，因此该厂选用北京合康亿盛科技有限公司生产的HIVERT-Y06/192 6kV变频器进行凝结水系统改造，凝结水系统电气一次接线图见图2。变频器核心元件采用德国西门康整流桥，电压：1600V；电流：192A变频器，输入频率50Hz±3%，输入电压6000V±20%，输出电流0～192A，输出电压0～6000V，输出频率0～75Hz，输出功率1000kVA，选用了大功率单元和变压器，保证了变频器过载能力，电机额定电流的150%， 1min 200%，30s输出谐波分量小于4%，满载满速度时的效率大于98%。

图2 电气一次接线图

   凝结水泵设计时有一定裕量，1台机组配备2台凝结水泵，1台运行，1台备用。通过对机组凝结水系统和凝结水泵运行方式、动力系统结构的分析认为，凝结水泵属一用一备运行方式，因此采用一拖二方案，两台电机任何时候只有一台由变频器驱动，保证两台电机运转时间匹配，另一台可由用户决定是备用或工频运行。高压柜断路器与高压变频器内6组隔离开关之间的电气连锁由硬接线组成，尽量不通过变频器或上级控制系统，以保证系统切换时的安全性。
   改造为高压变频器后，凝结水泵变频运行时，凝结水至除氧器副调节阀保持全开，主调节阀全关，1号凝结水泵工频备用，仅在倒泵过程中由上水调整门来控制除氧器水位，正常运行时通过调节变频器的输出频率改变凝结水泵转速，达到调节出口流量控制除氧器水位的目的，满足运行工况的要求。
   QS2、QS3位双刀双掷开关，他与QS1设有机械、电器连锁，即QS1，合闸前，必须先合QS2;QS3合闸前，必须先断开QS1.
   QS5、QS6位双刀双掷开关，他与QS4设有机械、电器连锁，即QS4，合闸前，必须先合QS5;QS6合闸前，必须先断开QS4.
   1QF、2QF实现电气连锁，变频器正常运行时，只能有一台电机在变频下运行。
3 、改造中应注意的一些技术问题
   （1）高压变频调速凝结水泵运行时上水调整门打开，利用改变凝结水泵的转速调节除氧器水位造成凝结水压力较低，最大不超过2.8MPa。运行中凝结水压力随负荷降低而下降，为了保证其它设备所需凝结水的压力，所以凝结水母管压力低联锁值应重新整定，但不能太低。例如设定变频调速系统的最低转速为30Hz（变频器最低转速设为750r/min）。
   （2）变频凝结水泵变频运行时，凝结水至除氧器副调节阀全开，主调节阀全关，所以凝结水母管压力最低低至0.85MPa。为了保证定速凝结水泵低水压不动作（工频运行时定值为1.8 MPa），将定值修改为低于0.6MPa，联动备用泵，母管压力0.7 MPa时热控光字牌报警。变频器跳闸，系统发出12秒脉冲信号，将除氧器水位总手操指令由50％减至20％，对应副调节阀开度约在43％左右。其它热控保护不变。
   （3）运行变频凝结水泵跳闸备用定速凝结水泵联锁启动后凝结水压力突然升高对凝结水供其它辅助设备影响很大，特别是给水泵机械密封冷却水系统，由于给水泵机械密封冷却水差压一般维持在0.1MPa。针对此问题在给水泵机械密封冷却水调整门上预置一个与汽轮机调速级压力具有函数关系的指令，当备用工频凝结水泵联锁启动后将该指令输出至给水泵机械密封冷却水调整门，延时一段时间后系统切换至给水泵机械密封水差压自动调整回路。
   （4）运行变频凝结水泵跳闸备用定速凝结水泵联锁启动后凝结水压力突然升高对凝结水供其它辅助设备影响很大，因此在由变频切到工频运行时应适当关小除氧器水位调节的两个调节门的开度，以免除氧器水位过高。
   （5）改造前，正常情况下，凝结水母管压力为2.5MPa左右。当母管水压低于1.8MPa或运行的水泵发生故障时，备用水泵必须在5s内启动到全速运转，提升到1.0MPa，否则系统联锁保护动作。变频改造后，凝结水泵正常切换时，必须先启动变频泵，水压足够后再关停工频泵。当变频泵故障，自动连起备用的工频泵，保证机组安全运行。
4 、改造后的运行措施
   改造后变频凝结水泵长期运行，定速凝结水泵只作备用。为了保证变频凝结水泵安全的运行，定速凝结水泵处于良好的备用，以及凝结水供给其它辅助设备的安全运行，制定以下运行措施。
   （1）正常运行时变频凝结水泵运行、定速凝结水泵投入备用，上水调整门开度控制在90%～97%，利用变频凝结水泵的变频器对除氧器水位进行自动调节。低负荷时可以关小上水调整门维持凝结水压力不低于1.2MPa，凝结水泵转速不低于750r/min，确保变频凝结水泵和凝结水供给其它辅助设备的安全运行。
   （2）每月定期对凝结水泵进行切换运行，凝泵启动试验时间不少于15min，以保证备用凝结水泵处于良好状态。
   （3）机组停机时，负荷达到150MW时应手动调整变频器转速和凝结水至除氧器调整阀，维持凝结水母管压力1.8～2.0MPa，机组停运后维持最低转速运行。
   （4）机组启动过程中维持凝结水母管压力1.8～2.0MPa运行，以保证其他辅助设备有足够压力的冷却水，如低压旁路减温水、疏水扩容器减温喷水、低压缸减温喷水等。机组负荷升到150MW后，逐渐开启凝结水至除氧器调整门，恢复M2凝泵变频转速自动运行。
   （5）变频器异常信号发出，应及时联系电气检查处理，同时将M2变频倒为M1工频运行。停运变频时，转速到零方可拉开M2凝泵工频开关。
   （6）如M1凝泵联动，凝结水至除氧器调整门未联关（至25%），应快速关调整门至负荷对应开度以下，避免凝汽器水位大幅下降，导致保护动作凝泵跳闸。
5、变频改造后节能分析
   （1）工频运行凝泵消耗的能量按照运行电流计算：

，
变频运行凝泵的耗能按照如下公式计算：泵秒流量×出口母管压力/水泵效率/电机效率/变频效率。（出口母管压力按照2.0MPa计算）

   单台凝泵总节省电能：（工频能耗-变频能耗）×工作时间
（710-352.4）×1200＋（728-370）×200＋（746-430）×667＋（787-500）×715＋（800-566.7）×5800=227万kWh
   准格尔电厂白天电价0.239元，晚上0.21元，按照平均值0.225元/kWh计算，一年仅节能一项可以节省227×0.225=51.07万元。
   每年易损器件、维护费用按照静态投资的1.5%计算，大致为100×1.5%=1.5万元/年。
   （2）减少电机启动时的电流冲击
电机直接启动时的最大启动电流为额定电流的6～7倍。观察变频器启动的负荷曲线，可以发现它启动时基本没有冲击，电流从零开始，仅是随着转速增加而上升，不管怎样都不会超过额定电流。因此凝泵变频运行延长了电动机和开关的使用寿命：避免了启动电流、启动转矩对电机的冲击，延长电机使用寿命。
   （3）减少设备磨损
改频后电动机转速一般工作在40Hz左右，电机转速比较低，减轻了对水泵叶片磨损和轴承的磨损，延长了水泵的使用年限，降低了检修费用。
   （4）降低噪音
我公司凝结水泵改用变频器后，降低水泵转速运行的同时，噪音大幅度地降低，当转速降低60%时，凝结水泵附近1.5m噪音水平测试88dB,比工频运行时的105dB减少17dB。同时克服了由于调整门线性度不好，调节品质差，引起管道锤击和共振，造成凝结水系统上水管道强烈震动的缺陷，凝结水泵的运行工况得到明显改善。
   （5）能够实现机组的自动控制
以前机组负荷发生变化，只能靠调整阀门来调节，控制比较困难。变频调速装置配有计算机接口，可以很方便地与DCS系统联接，很容易实现机组自动控制。并且变频调速可以直接通过增减频率来调整，操作非常简单、灵活。