摘要: 隨著國民經濟的發展,節能降耗成為今後一段時期內工作的重點。大型水泵采用高壓變頻技術節能越來越受到重視和推廣。本文針對2×300MW直接空冷火力發電機組所配置的凝結水泵變頻改造的過程,從設備的配置、電氣接線、熱控邏輯組態、設備調試、投資效益分析以及需要注意的問題進行詳細的論述,希望能起到借鑒作用。
關鍵詞: 凝結水泵、變頻、節能、改造
1.係統介紹
1.1 設備參數:
山西兆光發電有限責任公司一期工程裝機容量為2×300MW，汽輪機組為上海汽輪機廠有限責任公司製造。機組的凝結水係統設計為中壓係統，配裝KSB廠製造的凝結水泵，驅動水泵的電機為上海電機廠製造。技術參數為:
| 電動機參數 |
| 電動機型號 |
YLKK500--4 |
額定電壓（U0） |
6KV |
冷卻方式G |
Q161 |
| 額定功率（Pdn） |
1120kW |
轉??? 速（n0） |
1491r/min |
絕緣等級 |
F |
| 額定電流（I0） |
124.7A |
功率因數 |
0.901 |
絕緣防護 |
IP54 |
| 凝結水泵參數 |
| 水泵額定流量 |
912.98m3/h |
額定轉速 |
1480r/min |
額定揚程 |
258.4m |
| 配用電機功率 |
1120kW |
水泵型號 |
NLT350―400*6 |
1.2 改造前凝結水係統運行情況:
凝結水泵采用定速運行，凝結水經凝泵升壓後流經軸加，通過主凝結水調節閥（即除氧器上水調整門，係統編號為C-1）和he低di加jia進jin入ru除chu氧yang器qi。調tiao整zheng主zhu凝ning結jie水shui調tiao節jie閥fa開kai度du來lai調tiao節jie凝ning結jie水shui量liang，維wei持chi除chu氧yang器qi水shui位wei穩wen定ding滿man足zu機ji組zu運yun行xing需xu要yao。另ling外wai凝ning結jie水shui還hai供gong給gei汽qi輪lun機ji低di壓ya軸zhou封feng汽qi減jian溫wen水shui用yong水shui，以yi及ji低di壓ya旁pang路lu減jian溫wen、汽機低壓缸噴水減溫等用水。為防止機組低負荷運行時凝結水係統超壓和凝結水泵汽蝕，還設計有凝結水再循環管路，再循環調節閥C－2配合C－1調整除氧器水位，維持係統運行正常壓力。凝結水係統如圖1所示。
 |
| 圖1：凝結水係統簡圖 | 2.改造基本方案和設備配置
2.1 改造基本方案:
一拖二自動工／變頻切換方案。即: 配備一台高壓變頻器，兩台切換開關。通過切換開關把高壓變頻器切換到要運行的凝結水泵上去。變頻調速係統電源取自6kV電壓等級的主動力電源係統，由現場主控係統進行協調控製，根據運行工況按設定程序，實現對凝結水泵電動機轉速控製。主要功能為：
高壓變頻器可以拖動A凝結泵電動機實現變頻運行，也可以通過切換拖動Bningjiebengdiandongjishixianbianpinyunxing，danbunengtongshituodongyunxing。liangceningjiebengdiandongjijunjubeigongpinpanglugongneng，keshixianrenyiyitaidiandongjidebianpinyunxing，lingwaiyitaichuyugongpinbeiyong，danggaoyabianpinqiguzhangshi，xitongkeliansuolingyitaigongpindianjiyunxing。
2.2 工作原理簡述：
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| 圖2：高壓變頻器工作原理圖 | 高壓變頻器工作原理如圖2所示，1#、2#凝結泵共同采用一套變頻調速裝置。其中3QF表示高壓開關、TF表示高壓變頻器、M表示凝結水泵電動機； 4QF和1QF之間、5QF和2QF之間、4QF和5QF之間均存在電氣閉鎖和邏輯閉鎖關係（4QF分閘允許5QF合閘、5QF分閘允許4QF合閘），防止高壓變頻器輸出側與6kV電源側短路。1QF、2QF、3QF為現場已有設備，3QF、4QF、5QF隻具備手動合閘功能。高壓變頻器高壓開關3QF安裝於“廠用6kV 配電室”，與母線連接。“高壓變頻器室”內所有開關的2路直流控製電源、2路動力直流電源均由#2機直流母線供電。
1＃泵變頻運行時，斷開1QF、閉合3QF、4QF開關，1＃凝結泵處於變頻運行狀態；2＃凝結泵處於工頻備用狀態。當1＃凝結泵變頻運行故障跳閘時，係統聯鎖起動2＃凝結泵2QF開關工頻運行。2＃泵變頻運行時，斷開2QF、閉合3QF、5QF開關，2＃凝結泵處於變頻運行狀態；1＃凝結泵處於工頻備用狀態。當2＃凝結泵變頻運行故障跳閘時，係統聯鎖起動1＃凝結泵1QF開關工頻運行。
3.運行方式及控製邏輯：
DCS係統可根據兩台凝結泵的運行模式，自動調整控製對象和控製策略。主要包括二種控製策略：
第一種，變頻調節。根據不同負荷下的除氧器水位變化情況，調節凝結泵轉速控製除氧器水位穩定。
第二種，閥門調節。隻要凝結水係統中有1台泵在工頻運行模式下，係統就會采用閥門調節控製，此時高壓變頻器應運行在高頻率（45～50Hz）段以免出現不出水的情況。
凝ning泵beng有you變bian頻pin及ji工gong頻pin兩liang種zhong運yun行xing方fang式shi。正zheng常chang情qing況kuang下xia，變bian頻pin泵beng作zuo為wei運yun行xing泵beng長chang期qi運yun轉zhuan，工gong頻pin泵beng作zuo為wei備bei用yong泵beng。高gao壓ya變bian頻pin器qi分fen為wei就jiu地di控kong製zhi及ji遠yuan方fang控kong製zhi兩liang種zhong,處於就地控製狀態時，DCS輸出的轉速命令信號跟蹤高壓變頻器轉速反饋，對高壓變頻器遠方操作無效。
高壓變頻器受DCS控製時分自動、手動兩種方式。手動狀態時，運行人員通過改變畫麵轉速控製塊控製高壓變頻器轉速。自動狀態時，根據DCS內部設定的除氧器水位定值自動控製高壓變頻器轉速。當變頻泵與工頻泵並列運行時，除氧器水位調節自動解出，調節閥C-1手動方式調節水位。變頻泵運行時，“高壓變頻器重故障”聯掉該泵的高壓開關（該聯鎖在就地實現），“高壓開關已跳”（即泵掉閘）的信號送DCS係統以工頻方式來聯啟備用泵。
主凝結水再循環調節閥C-2根據凝泵出口流量和母管壓力調節，當流量小於300T/H,用流量信號調節, C-2開啟維持最小流量; 當流量大於300T/H,用壓力信號調節, 維持凝泵出口壓力≤2.6Pa，當壓力超過定值時，C-2開啟，開啟幅度決定於壓差值大小。若凝結水泵以工頻方式運行時，有關除氧器水位調節、閥門聯鎖、泵之間的聯鎖等邏輯仍按改造前邏輯關係完成功能。
由you於yu變bian頻pin凝ning結jie泵beng用yong改gai變bian轉zhuan速su調tiao節jie除chu氧yang器qi水shui位wei使shi得de凝ning結jie水shui壓ya力li低di，而er工gong頻pin泵beng仍reng采cai用yong主zhu凝ning結jie水shui調tiao節jie閥fa調tiao節jie除chu氧yang器qi水shui位wei凝ning結jie水shui壓ya力li很hen高gao，運yun行xing一yi旦dan發fa生sheng凝ning泵beng變bian頻pin方fang式shi故gu障zhang掉diao閘zha、聯啟備用工頻泵後，凝結水壓力、流量突然增大對除氧器水位控製甚至除氧器的設備安全都造成很大的影響。針對此問題設計了專門的控製邏輯：當變頻泵高壓開關事故掉閘聯啟備用工頻凝泵後，B凝泵電機啟動的信號作為C-1快關的觸發信號，除氧器水位調節閥C-1迅速聯鎖關小，關閥目標值與機組負荷成一定的函數關係，然後由運行人員手動調整其開度。
C-1閥位目標值與機組負荷的關係曲線如下表。
| 負荷 |
180MW |
270MW |
300MW |
| 調門開度 |
55 |
70 |
82 |
運行中凝結水壓力隨負荷降低而下降，原來的“凝結水壓力低聯啟備用泵”的邏輯有可能將備用泵聯啟，反而增加了係統的不穩定性，所以將定值降低為0.18Mpa，邏輯回路不變, 同時“凝結水壓力報警”保留。為了保證機組的良好備用，機組正常運行期間備用工頻泵的出口電動門處於全開狀態。
凝結水壓力低閉鎖低壓旁路門保護: 采用原來的回路和定值。在機組啟動初期使用變頻運行時,可將除氧器C-1關到一定位置,使凝結水有足夠的壓力保證低旁的正常運行。凝結水泵低水位保護: 采用原來的回路和定值。
為改善除氧器水位、凝ning器qi器qi水shui位wei自zi動dong調tiao節jie係xi統tong的de調tiao節jie品pin質zhi，提ti高gao控kong製zhi水shui平ping，在zai本ben次ci變bian頻pin裝zhuang置zhi改gai造zao自zi動dong控kong製zhi方fang案an中zhong使shi用yong目mu前qian該gai領ling域yu針zhen對dui除chu氧yang器qi水shui位wei控kong製zhi最zui新xin研yan究jiu成cheng果guo――間斷式控製理論，引入了一些先進的控製思想（靜態不完全預估），主要思想是將變頻凝結水泵的轉速信號引入控製係統中，與水位偏差相平衡，保證水位的相對穩定（控製在一定的區間內），並(bing)引(yin)入(ru)機(ji)組(zu)的(de)主(zhu)蒸(zheng)汽(qi)流(liu)量(liang)信(xin)號(hao)，以(yi)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)的(de)負(fu)荷(he)適(shi)應(ying)能(neng)力(li)和(he)補(bu)償(chang)變(bian)頻(pin)凝(ning)結(jie)水(shui)泵(beng)轉(zhuan)速(su)信(xin)號(hao)引(yin)起(qi)的(de)偏(pian)差(cha)，使(shi)係(xi)統(tong)隻(zhi)是(shi)在(zai)機(ji)組(zu)負(fu)荷(he)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)和(he)水(shui)位(wei)自(zi)發(fa)擾(rao)動(dong)變(bian)化(hua)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)動(dong)作(zuo)，變(bian)頻(pin)凝(ning)結(jie)水(shui)泵(beng)的(de)轉(zhuan)速(su)信(xin)號(hao)與(yu)上(shang)述(shu)擾(rao)動(dong)變(bian)化(hua)量(liang)相(xiang)平(ping)衡(heng)後(hou)，係(xi)統(tong)處(chu)於(yu)等(deng)待(dai)狀(zhuang)態(tai)。以(yi)適(shi)應(ying)熱(re)力(li)係(xi)統(tong)的(de)滯(zhi)後(hou)和(he)各(ge)種(zhong)不(bu)確(que)定(ding)因(yin)素(su)，組(zu)態(tai)框(kuang)圖(tu)如(ru)下(xia)圖(tu)。
4.熱力係統調試過程的配合
首台凝結水泵啟動,可以直接用變頻方式。由於整個係統中沒有水,有一個充壓的過程,測量信號也存在一個慣性滯後,“最小流量保護容易動作”,所以該保護定值是:在測量基礎上加50噸流量的富裕量,同時延時9秒掉泵。
為了防止管道發生“水錘”現象,凝結水主調節閥C―1、泵出口門處於關閉位置，凝結水再循環調節閥處於全開位置,整個係統處於手動控製狀態。該高壓變頻器啟動後自動從0rpm/min開始升速到900rpm/min(設定的最低轉速),然後根據需要進行轉速的調整。在係統充水正常後,逐漸將凝結水主調節閥C―1開大,同時凝結水再循環調節閥C―2進行配合，當C―1開到95%以上時,可以投入變頻自動控製方式。
5.經濟效益
5.1理論分析:
由流體動力學可知，泵的流量Q與泵轉速n的一次方成正比，泵的壓力p與轉速n的二次方成正比，而泵的功率p則與轉速n的三次方成正比。如通過變頻調速技術使泵的流量由額定值Qo降至70%Q0時，轉速將由額定值n0降至70%n0，此時泵的壓力由額定值po降至49%po，泵的軸功率由額定值Po降至34.3%Po。理論上功耗減少了65.7%Po。即使考慮到轉速下降可能會引起電機的效率下降等因素，變頻調速的節電效果仍然非常顯著。據計算，當將離心式水泵的流量由Q0調低到70%Q0時。采用變頻調速方式的功耗約比控製閥調節方式的功耗減少52%Po。
5.2數據分析：
改造前、後在不同工況下凝結水泵及電動機的運行參數:
| 負荷 |
主汽壓力 |
主汽流量 |
除氧器壓力 |
凝泵電流A |
凝泵出口壓力Mpa |
凝泵轉速rpm/min |
凝結水流量t/h |
| MW |
Mpa |
t/h |
Mpa |
改前 |
改後 |
差值 |
改前 |
改後 |
改前 |
改後 |
改前 |
改後 |
| 304 |
16.6 |
1040 |
0.83 |
95.5 |
88.4 |
7.1 |
2.5 |
1.64 |
1490 |
1361 |
930 |
926.4 |
| 292 |
16.1 |
975.1 |
0.79 |
93.6 |
85.15 |
7.45 |
2.6 |
1.609 |
1333 |
878 |
906.9 |
| 281 |
16.3 |
959 |
0.78 |
92.9 |
73.23 |
18.67 |
2.6 |
1.301 |
1234 |
865 |
837.2 |
| 269 |
16.2 |
908.2 |
0.71 |
91.5 |
72.41 |
19.09 |
2.6 |
1.426 |
1217 |
846 |
822.9 |
| 259 |
16 |
878.3 |
0.73 |
91.4 |
67.84 |
23.56 |
2.7 |
1.34 |
1174 |
823 |
788.1 |
| 252 |
15.6 |
883.4 |
0.72 |
90.4 |
65.52 |
24.88 |
2.7 |
1.25 |
1151 |
804 |
791.5 |
| 242 |
15 |
860.6 |
0.7 |
91.3 |
55.93 |
35.77 |
2.7 |
1.429 |
1143 |
825 |
652.4 |
| 231 |
14.7 |
825.5 |
0.67 |
89.9 |
55.96 |
33.84 |
2.7 |
0.942 |
1049 |
797 |
624 |
| 222 |
14.1 |
746.5 |
0.62 |
91 |
52.89 |
38.11 |
2.6 |
0.99 |
1012 |
838 |
673.4 |
| 211 |
13.3 |
708.3 |
0.59 |
91.2 |
50.92 |
40.28 |
2.7 |
1.17 |
1006 |
821 |
649.4 |
| 201 |
12 |
670 |
0.57 |
91.9 |
43.61 |
48.29 |
2.6 |
0.88 |
920.9 |
837 |
553.3 |
| 190 |
11.8 |
674.3 |
0.57 |
90.4 |
44.8 |
45.6 |
2.7 |
0.84 |
920.8 |
814 |
595.3 |
| 183 |
11.6 |
609.7 |
0.51 |
91.1 |
47.13 |
43.97 |
2.7 |
0.87 |
942.1 |
819 |
618.9 |
以9月份發電情況來測算: 本月雙機運行小時數為1440小時,發電量為3.5652億千瓦時,平均負荷為24.76MW, 負荷率為 82.53%。從表中可以查到每小時可節約電流35.77A。折合電量為:
UICOS￠ = 1.732×6×35.77×0.901 = 334.92Kw?h
按上網電價0.2754元/ kW?h, 每小時節約合人民幣 92.237元,全年約79.69萬元/台機組。而改造雙機的成本為300萬元,運行2年可全部收回成本。隨著電力市場供求關係的變化,機組的利用小時和負荷率在下降, 根據表中數據可以看出,負荷率越低,節能效果越顯著。
5.3安全可靠性分析：
變頻調速解決了啟動時大電流對電機的衝擊，延長了電機的使用壽命。異步電機直接啟動時，其最大啟動電流約為額定電流的7倍，采用星三角啟動也達到了4-5倍(bei)。而(er)變(bian)頻(pin)啟(qi)動(dong)時(shi)，基(ji)本(ben)上(shang)無(wu)衝(chong)擊(ji)電(dian)流(liu)，其(qi)電(dian)流(liu)是(shi)從(cong)零(ling)開(kai)始(shi)，隨(sui)著(zhe)轉(zhuan)速(su)的(de)上(shang)升(sheng)而(er)增(zeng)加(jia)，最(zui)大(da)不(bu)會(hui)超(chao)過(guo)額(e)定(ding)電(dian)流(liu)，這(zhe)就(jiu)消(xiao)除(chu)了(le)對(dui)電(dian)機(ji)的(de)衝(chong)擊(ji)應(ying)力(li),延長了電機的使用壽命。
采用變頻調速控製後，如果高壓變頻器長時間運行在1/2工(gong)頻(pin)以(yi)下(xia)，隨(sui)著(zhe)電(dian)機(ji)轉(zhuan)速(su)的(de)下(xia)降(jiang)，電(dian)機(ji)散(san)熱(re)能(neng)力(li)也(ye)下(xia)降(jiang)，同(tong)時(shi)電(dian)機(ji)發(fa)熱(re)量(liang)也(ye)隨(sui)之(zhi)減(jian)少(shao)。所(suo)以(yi)電(dian)機(ji)的(de)本(ben)身(shen)溫(wen)度(du)其(qi)實(shi)是(shi)下(xia)降(jiang)的(de)，仍(reng)舊(jiu)能(neng)夠(gou)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)而(er)不(bu)至(zhi)溫(wen)度(du)過(guo)高(gao)。
提高了凝結水泵的運行可靠性，延長了水泵的壽命。采用變頻調速後，低負荷時，凝結水泵低速運轉，泵必需的汽蝕餘量(NPSH)降低，降低了泵內發生汽蝕的可能性(因泵必需的汽蝕餘量近似與轉速的平方成正比)，延長了水泵的壽命。
變bian頻pin調tiao速su運yun行xing時shi，其qi出chu口kou門men和he調tiao節jie閥fa可ke全quan開kai，利li用yong轉zhuan速su調tiao節jie流liu量liang和he壓ya力li，改gai善shan了le由you於yu閥fa門men調tiao節jie時shi對dui管guan係xi的de衝chong擊ji，降jiang低di了le調tiao節jie閥fa前qian後hou管guan係xi泄xie漏lou的de可ke能neng性xing; 也由於高壓變頻器的軟起動，有效消除“水錘”效應和空化現象，減小對管網和泵的衝擊，延長泵體壽命和減小管網及附件的損耗,從而減少了維護工作量，提高了係統的安全可靠性。
變頻調速運行,凝結水的壓力比定壓運行低,使得在定壓運行時出現的凝結水壓力高造成凝結水管道振動大、凝結水最小流量調整門漏流、給水泵機械密封冷卻水管道振動和噪音大、調整門容易多次損壞的現象得以消除或減緩。
weihuliangjianshao。caiyongbianpintiaosuhou，bimianyintongguofamenkongzhishibengguoduopianliedinggongzuoqueryinqidezhendong。tongchangqingkuangxia，bianpintiaosuxitongdeyingyongzhuyaoshiweilejiangdibengdezhuansu，youyuqidonghuanmanjizhuansudejiangdi，xiangyingdiyanchanglexuduolingbujian，tebieshimifengjian、軸承的壽命。
變頻調節時，由於小流量時的轉速低，這就降低了泵及係統的噪聲，改善了運行環境。
變頻調節時，調節手段變得簡單、可靠，提高了自動裝置的投入率。
利德華福高壓變頻器為電壓源型結構，功率因數可高達0.95；
6.改造後需要完善的問題
機組啟動、停止過程中可以將變頻凝結泵轉速控製某一值，采用上水門調節，不但使除氧器水位穩定
而且可以保證其他輔助設備有足夠壓力的冷卻水，如低壓旁路減溫水、疏水擴容器減溫噴水、低壓缸減溫
噴水等。但是需要注意摸索變頻凝結泵的臨界轉速區，所以變頻凝結泵啟動、停止和運行中嚴禁在此區域
範圍內運行。
要yao保bao證zheng高gao壓ya變bian頻pin器qi櫃gui體ti和he廠chang房fang大da地di的de可ke靠kao連lian接jie，保bao證zheng人ren員yuan和he設she備bei安an全quan。為wei防fang止zhi信xin號hao幹gan擾rao，控kong製zhi係xi統tong最zui好hao埋mai設she獨du立li的de接jie地di係xi統tong，對dui接jie地di電dian阻zu的de要yao求qiu不bu大da於yu4Ω。到高壓變頻器的信號線，必須采用屏蔽電纜，屏蔽線的一端要求可靠接地。
由於該改造方案中高壓變頻器的高壓電源取自廠用6kV母線Ⅰ段,與1凝結水泵為同一路,決定了最佳的運行方式就是: 1凝結水泵變頻運行,2凝結水泵工頻備用。因為若采用2凝結水泵變頻運行,1凝結水泵工頻備用,一旦6kV廠用母線Ⅰ段失電,機組由於2凝結水泵電源切換過程時間長無法啟動而停機。
7.結束語
由北京利德華福電氣技術有限公司生產的高壓變頻器在我廠投運以來，運行穩定，凝結水泵變頻改造技術後,經過不同負荷工況下的試運行，節能效果非常好，取得了圓滿成功，有效地解決了凝結水係統管道在低負荷震動大、閥門節流大、以及控製係統滯後、相互耦合嚴重、控kong製zhi對dui象xiang特te性xing不bu確que定ding的de難nan題ti。使shi用yong間jian斷duan式shi調tiao節jie係xi統tong方fang案an控kong製zhi變bian頻pin調tiao速su凝ning結jie水shui泵beng，實shi現xian對dui除chu氧yang器qi水shui位wei的de控kong製zhi。同tong時shi雖sui然ran目mu前qian高gao壓ya變bian頻pin器qi，價jia格ge還hai較jiao高gao，測ce試shi投tou資zi回hui收shou期qi限xian，一yi般ban需xu要yao兩liang年nian左zuo右you時shi間jian。但dan隨sui著zhe目mu前qian國guo產chan高gao壓ya變bian頻pin器qi的de迅xun速su發fa展zhan，使shi得de變bian頻pin器qi的de性xing能neng價jia格ge比bi大da大da提ti高gao，為wei利li用yong變bian頻pin器qi進jin行xing節jie能neng技ji術shu改gai造zao提ti供gong了le更geng加jia廣guang闊kuo的de前qian景jing。
作者簡介
馮陪一: 1963年4月，漢族，山西山陰人，高級工程師、總經理。
閆福岐: 1968年9月，漢族，山西離石人，太原電力高等專科學校熱能動力專業專科學曆、工程師、專業經理。
馮昌:1972年10月，漢族，山西交口人，太原電力學校熱工自動化專業畢業中專學曆、工程師、專業經理
參考文獻:
1.《30OMW機組凝結水泵采用變頻技術調速》作者：湯元樓 文章來源：東方自動化網
2.《水泵變頻調速技術研究與應用》 大慶石油管理局供水公司生產協調部 劉睿誠
3.《山西兆光發電有限責任公司凝結水泵變頻節能改造項目技術協議》 北京利德華福電氣技術有限公司
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