高压变频调速技术在凝结水系统中的应用如何

.前言

漳山电厂位于山西省长治市，始建于2002年，目前拥有两台装机容量各为300MW的直接空冷机组。凝结水系统配装上海凯士比泵业有限公司制造的NLT350-400×6型凝结水泵，凝结水泵电机为湘潭电机厂制造的YLKS500-4型，高压变频器为北京利德华福电气技术有限公司制造的HARSVERT-A06/130系列。目前在已投运的大型火电机组中，凝结水泵采用100%容量、一用一备的配备模式，除氧器水位依靠上水调门开度控制，节流损失大。随着高压变频调速装置可靠性的提高，应用领域不断扩大，众多发电企业对凝结水泵进行了变频改造。在实际改造中，对控制方案的要求主要是变频凝结水泵运行中事故跳闸，备用泵工频联启后凝结水压力陡增，除氧器水位、凝结水其它用户的控制必须在要求范围内波动。本文就山西漳山发电有限责任公司#2机组凝结水泵变频改造的实际情况，对上述问题作一番探讨。

2.凝结水泵的运行工况

在汽轮机低压缸内做功的蒸汽在空冷岛冷却凝结之后，集中在凝结水箱中，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。保证凝结水泵连续、稳定运行是保障电厂发电机组安全、经济生产的重要环节之一，凝结水系统如图1所示。

图1：凝结水系统图

凝结水泵电机为6kV/1120kW电机，设计时有一定裕量，每台机组配备二台凝结水泵，一台运行，一台备用。通过对机组凝结水系统和凝结水泵运行方式、动力系统结构的研究分析，提出一拖二自动工/变频切换控制方案。由于凝结水泵属一用一备运行方式，因此采用一拖二方案可以提高变频设备的利用率，保证系统具有良好的节能效果。另一方面，凝结水泵具有定期设备轮换的制度，为降低系统操作的难度，系统采用高压开关等自动切换装置，从而，使得系统操作简便、安全可靠。具体系统结构原理如图2所示：

图2：系统结构原理图

凝结水泵变频改造前，除氧器水位是通过改变凝结水泵出口调整门的开度进行的，调节线性度差，调整门存在较大的节流损失。同时由于频繁的对调整门进行操作，导致阀门的可靠性下降，影响机组的稳定运行（我公司1#机组曾发生三次调整门机械故障）。

改造为高压变频器后，凝结水泵出口阀门处于全开位置(同时根据现场实际情况可将旁路门打开，可进一步降低凝结水系统的节流损失)，仅在倒泵过程中由凝结水母管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，图3为凝结水控制方案。

图3：凝结水控制系统图

在图3中，采用双回路控制，主要是考虑调整门调节特性与变频器存在较大差异，单一控制回路的调节效果不好；通过变频运行后的实际效果，这种控制回路设计调节特性很好，两套回路切换平稳。

3 改造中遇到的问题和解决的办法

（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，设定变频调速系统的最低转速为30Hz，对应凝结水泵的出口压力为1.2Mpa，修改减温水压力低保护关低旁逻辑。

（2）由于变频凝结水泵用改变转速调节使得凝结水压力低，而定速凝结水泵仍为上水门调整、凝结水压力很高，运行一旦发生变频凝结水泵跳闸备用定速凝结水泵启动后凝结水压力、流量突然增大对除氧器水位造成很大的影响。针对此问题将控制逻辑修改为当变频泵或者变频泵高压开关事故跳闸，且发出联启定速泵的指令时，程序发出一个与汽轮机调速级压力具有函数关系的预置指令加到除氧器上水调整门，立即将上水调整门关至一定位置并且程序强制将调整门投入“自动”进行调节除氧器水位，图4为#21凝结水泵变频跳闸后，#22备用工频凝结水泵联锁启动后水位与除氧器水位调整门的变化趋势图，在切换过程中，除氧器水位波动在正负20mm以内。

图4：切换过程中水位与阀门动作趋势

（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）凝结水泵再循环调整门是为了保证凝结水系统在低流量时凝结水泵在安全工作区内运行的，该控制回路的被调量是凝结水泵出口母管压力，当凝结水泵采用变频调速系统后，转速越低，出口压力越低，为了保证凝结水泵的安全，防止泵体汽蚀，在再循环调整门的控制指令输出上叠加一个与除氧器水位调整门具有函数关系的指令，当在变频运行时，控制再循环调整门开度。

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1.2 Mpa，凝结水泵转速不低于900r/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，以保证备用凝结水泵处于良好状态。

（3）机组启动、停止过程中可以将变频凝结水泵转速控制在某一值，采用除氧器水位调整门调节，不但使除氧器水位稳定而且可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。

5、节能效果（变频器运行后检测）

(1)、节约厂用电效果显著

现场截取变频改造前后的2＃机组实际运行数据记录，对本机改造前后的电流进行比较，可以比较直观的反映进行变频改造后节能情况，如表1所示。

表1：变频改造前后电流变化

图5：改造前后电流变化趋势图

表2是某半个月的电能统计，做一个同类机组的横向比较，可以看出凝泵用电减少许多。

表2：节电统计

以每台机组年运行300天计算，使用变频器可节约厂用电242万kW·h，按照0.25元/kW·h计算,折合人民币60.5万元。

(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7倍；星角启动为4－5倍；电机软启动器也要达到2.5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。因此凝泵变频运行解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低日常的维护保养费用，图6为凝结水泵变频启动电流趋势图（初始转速900r/min）。

图6：凝结水泵变频启动电流趋势图

(3)、延长设备寿命

使用变频器可使电机转速变化沿凝泵的加减速特性曲线变化，没有应力负载作用于轴承上，延长了轴承的寿命。同时有关数据说明，机械寿命与转速的倒数成正比，降低凝泵转速可成倍地提高凝泵寿命，凝泵使用费用自然就降低了。

(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85dB,比工频运行时的110dB减少25dB。同时消除了停车和启动时的打滑和尖啸声，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。

6、总结

高压变频调速系统在凝结水系统中的成功应用，以其显著的节能效果和良好的系统响应和控制品质，充分说明在火电厂发电机组主辅机设备中采用高压变频调速技术具有广阔的应用前景和拓展空间，对提高企业竞争力、降低发电成本具有积极意义。