摘要：根據GD5000系列高壓變頻器在洛陽伊川龍泉坑口自備發電有限公司2#機組1#凝結水泵上的應用，分析凝結水泵變頻改造之后的控制策略以及實際節能效果

關鍵詞：凝結水泵 高壓變頻器 節能改造

一、引言

伊電控股集團有限公司是一個集發電、鋁冶煉、鋁加工 、碳素生產、粉煤灰綜合利用等產業為一體的大型工業循環經濟企業。現有2220兆瓦火電裝機容量、年產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10億塊粉煤灰標磚等生產能力。擁有我國第一個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）鋁板帶生產線。主導產品電解鋁產能位居河南省第一位，全國500強企業。

圖1 伊川電力集團自備電廠

2014年伊川電力集團三電廠為響應國家的節能減排的政策方針，邀請我公司技術人員到廠內對2×330MW機組的鍋爐給水及風煙系統運行狀況進行分析，做節能評估。根據現場運行數據及工藝要求，我公司技術人員對運行工況進行全面分析并提交了針對鍋爐及汽機輔機變頻改造的整體解決方案，最終確定先對擁有較大節能空間的凝結水泵進行改造。

二、現場工藝分析

三電廠1#發電機組采用東方電機股份有限公司生產的QFSN-300-2-200型汽輪發電機，汽輪機采用東方汽輪機廠生產的N300-16.7/537/537-4型，鍋爐型號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。年平均發電負荷264MW，發電運行時間6700小時，預期累計發電量17.16億度。

凝結水系統輔機主要有2臺全容量凝結水泵。系統采用傳統的配置，凝結水通過凝結水泵升壓后，經過軸封加熱器、4臺低壓加熱器后送入除氧器，在軸封加熱器出口和LP1入口處設置除氧器水位調節閥（并列兩個氣動閥），用于控制除氧器水位。機組在滿負荷情況下，除氧器水位調節閥開度都在40％～60％之間運行，凝結水泵電流變化卻不大，50%負荷至100%負荷間壓差較大，閥門一直處在節流狀態下工作，節流損失大。并且，由于機組參與調峰，在低負荷時，凝泵出力不變，造成很大浪費。

凝結水系統的工藝簡圖如圖2所示：

圖2 凝結水系統的工藝簡圖

三、改造方案

1．凝結水泵的運行工況 

在汽輪機內做完功的蒸汽在凝汽器冷卻凝結之后，用凝結水泵送到低加和除氧器中，然后通過給水泵送往高加，汽包。維持凝結水泵連續、穩定運行是保持電廠安全、經濟生產地一個重要方面。

調節凝汽器內的水位是凝結水泵運行中的一項主要工作。在正常運行狀態下，凝汽器內的水位不能過高或過低。當機組負荷升高時，凝結水量增加，凝汽器內的水位相應上升。當機組負荷降低時，凝汽器內水位相應降低。

圖3 工頻凝結水泵工作點和調節曲線圖

凝結泵電機使用德國西門子立式電機，6KV/1000KW，每臺機組配備二臺凝結泵，一臺運行，一臺備用。

沒有使用變頻器之前，凝汽器內的水位調整是通過改變凝結水泵出口閥門的開度進行的，調節線性度差，大量能量在閥門上損耗。同時由于頻繁的對閥門進行操作，導致閥門的可靠性下降，影響機組的穩定運行。

使用高壓變頻器后，凝結水泵出口閥門不需要頻繁調整，閥門開度保持在一個比較大的范圍內，通過調節變頻器的輸出頻率改變電機的轉速，達到調節出口流量的目的，滿足運行工況的要求。

圖4 變頻運行工作點和調節曲線圖

2．凝泵改變頻控制策略

把#2機#1凝結水泵改為變頻器控制調節，變頻器的控制在DCS中實現，DCS根據除氧器水位進行正常調節，控制#1凝結水泵轉速，以減少凝結水系統的壓力損失，達到節能降耗的目的。

2.1系統運行狀態的控制

在正常工況下，DCS優先選擇#1凝結水泵投入運行，并根據除氧器水位進行變頻調速控制，調節凝結水泵，此時主凝結水調整門處于全開狀態。如果#2泵開關一旦合閘（不管其他條件），主凝結水調門可根據負荷大小分別調330MW時調整至40%，200MW時調整至30%，其它負荷按此直線斜率確定調門位置，到位后#1凝泵6KV開關跳閘，主凝結水調門自動投入。在凝汽器、除氧器水位平穩后，將#2凝泵出口電動門由30%逐漸開展。

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

#1泵運行有兩種運行方式，即工頻運行和變頻運行。如變頻器正常，#1泵通過變頻調節（旁路斷開），操作順序為：先合上#1凝結水泵6KV開關，再啟動變頻器；如變頻器有故障，則需隔離變頻器、通過旁路工頻運行，并通過主凝結水調門自動來控制水位，操作順序為：將#1凝泵電源切換為旁路工頻狀態，合上#1凝結水泵6KV開關即可實現＃1凝泵工頻運行。#2泵退出備用。#2泵控制方式保持不變，#1泵此時需隔離變頻器，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#1泵在工頻狀態下運行，并通過主凝結水調門來控制水位。

如變頻器正常，#1泵通過變頻調節（旁路斷開）；如變頻器有故障，#1泵隔離變頻器、通過旁路工頻運行，并通過主凝結水調門來控制水位。#1凝工頻運行時，如#1凝泵6KV開關跳閘，就應聯動#2泵；變頻運行時不僅#1凝泵6KV開關跳閘應聯動#12凝泵，而且如因變頻器跳閘也應聯動#2泵。 

2.2 安全保護措施：

為了保證設備穩定運行，采取了一套完善的控制保護措施。

?  ? 流量保護：當流量小于96kG/S。大于580kG/S，延時20秒停機。

?  ? 水位保護：當凝汽器水位小于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20秒停機。

  ?? 溫度保護：當泵和電機軸承溫度超過100度，報警同時跳機保護。

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

四、設備參數

配置清單如下：

整個高壓變頻調速系統由用戶開關、一拖一隔離自動旁路柜、GD5000系列高壓變頻器、高壓電機組成。

圖5一拖一隔離自動旁路

一拖一隔離自動旁路柜是由三個真空高壓接觸器KM1、KM2、KM3和高壓隔離開關QS1、QS2組成。正常運行時QS1、QS2全部閉合，只有在檢修時斷開。電機以變頻方式運行時， KM1、KM2閉合，QS3斷開；電機以工頻方式運行時，KM3閉合， KM1、KM2斷開。變頻與工頻之間切換自動/手動完成。旁路柜嚴格按照“五防”聯鎖要求設計，變頻輸出開關KM2和工頻開關KM3互鎖，完全能夠保證變頻調速系統安全運行。

圖6 現場圖片

五、應用效果

變頻調速不僅節能效益顯著，而且可以明顯改善系統的安全可靠性，有以下幾個方面的優點。

?  節電效果顯著

下面是某月的電能統計，做一個同類機組的橫向比較，可以看出凝泵用電減少許多。

以2#機組年運行7200小時計算，每年使用變頻器可節約廠用電217 萬千瓦時，折合人民幣113萬元。

•減少電機啟動時的電流沖擊

電機直接啟動時的最大啟動電流為額定電流的7倍，星角啟動為4.5倍，電機軟啟動器也要達到2.5倍。觀察變頻器啟動的負荷曲線，可以發現它啟動時基本沒有沖擊，電流從零開始，僅是隨著轉速增加而上升，不管怎樣都不會超過額定電流。因此凝泵變頻運行解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養費用。 

•延長設備壽命 

提高了凝結水泵的可靠性，延長了凝結水泵的壽命。采用變頻調速后，低負荷時，凝結水泵低速運轉，泵必需的汽蝕余量（NPSH）降低，降低了泵內發生汽蝕的可能性（因泵的汽蝕余量近似與泵的轉速的平方成正比），延長了水泵的壽命。同時使用變頻器可使電機轉速變化沿凝泵的加減速特性曲線變化，沒有應力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命，凝泵使用費用自然就降低了。 

•提高管系可靠性

變速調速運行時，其出口調節門可以全開，利用轉速調節流量和壓力，改善了由于閥門調節時對管系的沖擊，降低了調節閥前后的管系泄漏的可能性，從而減少了維護工作量，提高了系統的安全可靠性。另外由于小流量時的轉速低，這樣降低了泵及系統的噪音，改善了運行環境。

六、總結

隨著大型機組參與調峰的增多，越來越多的火力發電廠的爐側機側輔機需要進行調速改造，以適應市場競爭的需求。這次在伊川電力集團330MW機組應用GD5000系列高壓變頻器對凝結泵進行調速改造的成功，為今后在更大容量的發電機組上應用高壓變頻器進行改造提供了廣闊的應用前景。