凝结水泵变频节能改造

1.系统介绍

1.1 设备参数: 
　　山西兆光发电有限责任公司一期工程装机容量为2×300MW，汽轮机组为上海汽轮机厂有限责任公司制造。机组的凝结水系统设计为中压系统，配装KSB厂制造的凝结水泵，驱动水泵的电机为上海电机厂制造。技术参数为:

1.2 改造前凝结水系统运行情况: 
　　凝结水泵采用定速运行，凝结水经凝泵升压后流经轴加，通过主凝结水调节阀（即除氧器上水调整门，系统编号为C-1）和低加进入除氧器。调整主凝结水调节阀开度来调节凝结水量，维持除氧器水位稳定满足机组运行需要。另外凝结水还供给汽轮机低压轴封汽减温水用水，以及低压旁路减温、汽机低压缸喷水减温等用水。为防止机组低负荷运行时凝结水系统超压和凝结水泵汽蚀，还设计有凝结水再循环管路，再循环调节阀C－2配合C－1调整除氧器水位，维持系统运行正常压力。凝结水系统如图1所示。
 

图1：凝结水系统简图

2.改造基本方案和设备配置

2.1 改造基本方案: 
　　一拖二自动工／变频切换方案。即: 配备一台高压变频器，两台切换开关。通过切换开关把高压变频器切换到要运行的凝结水泵上去。变频调速系统电源取自 6kV电压等级的主动力电源系统，由现场主控系统进行协调控制，根据运行工况按设定程序，实现对凝结水泵电动机转速控制。主要功能为：
高压变频器可以拖动A凝结泵电动机实现变频运行，也可以通过切换拖动B凝结泵电动机实现变频运行，但不能同时拖动运行。两侧凝结泵电动机均具备工频旁路功能，可实现任意一台电动机的变频运行，另外一台处于工频备用，当高压变频器故障时，系统可联锁另一台工频电机运行。

2.2 工作原理简述：

 
图2：高压变频器工作原理图 

　　高压变频器工作原理如图2所示，1#、2#凝结泵共同采用一套变频调速装置。其中3QF表示高压开关、TF表示高压变频器、M表示凝结水泵电动机； 4QF和1QF之间、5QF和2QF之间、4QF和5QF之间均存在电气闭锁和逻辑闭锁关系（4QF分闸允许5QF合闸、5QF分闸允许4QF合闸），防止高压变频器输出侧与6kV电源侧短路。1QF、2QF、3QF为现场已有设备，3QF、4QF、5QF只具备手动合闸功能。高压变频器高压开关 3QF安装于“厂用6kV 配电室”，与母线连接。“高压变频器室”内所有开关的2路直流控制电源、2路动力直流电源均由#2机直流母线供电。

　　1＃泵变频运行时，断开1QF、闭合3QF、4QF开关，1＃凝结泵处于变频运行状态；2＃凝结泵处于工频备用状态。当1＃凝结泵变频运行故障跳闸时，系统联锁起动2＃凝结泵2QF开关工频运行。2＃泵变频运行时，断开2QF、闭合3QF、5QF开关，2＃凝结泵处于变频运行状态；1＃凝结泵处于工频备用状态。当2＃凝结泵变频运行故障跳闸时，系统联锁起动1＃凝结泵1QF开关工频运行。

3.运行方式及控制逻辑：
　　DCS系统可根据两台凝结泵的运行模式，自动调整控制对象和控制策略。主要包括二种控制策略：

　　第一种，变频调节。根据不同负荷下的除氧器水位变化情况，调节凝结泵转速控制除氧器水位稳定。

　　第二种，阀门调节。只要凝结水系统中有1台泵在工频运行模式下，系统就会采用阀门调节控制，此时高压变频器应运行在高频率（45～50Hz）段以免出现不出水的情况。

　　凝泵有变频及工频两种运行方式。正常情况下，变频泵作为运行泵长期运转，工频泵作为备用泵。高压变频器分为就地控制及远方控制两种,处于就地控制状态时，DCS输出的转速命令信号跟踪高压变频器转速反馈，对高压变频器远方操作无效。

　　高压变频器受DCS控制时分自动、手动两种方式。手动状态时，运行人员通过改变画面转速控制块控制高压变频器转速。自动状态时，根据DCS内部设定的除氧器水位定值自动控制高压变频器转速。当变频泵与工频泵并列运行时，除氧器水位调节自动解出，调节阀C-1手动方式调节水位。变频泵运行时，“高压变频器重故障”联掉该泵的高压开关（该联锁在就地实现），“高压开关已跳”（即泵掉闸）的信号送DCS系统以工频方式来联启备用泵。

　　主凝结水再循环调节阀C-2根据凝泵出口流量和母管压力调节，当流量小于300T/H,用流量信号调节, C-2开启维持最小流量; 当流量大于 300T/H,用压力信号调节, 维持凝泵出口压力≤2.6Pa，当压力超过定值时，C-2开启，开启幅度决定于压差值大小。若凝结水泵以工频方式运行时，有关除氧器水位调节、阀门联锁、泵之间的联锁等逻辑仍按改造前逻辑关系完成功能。

　　由于变频凝结泵用改变转速调节除氧器水位使得凝结水压力低，而工频泵仍采用主凝结水调节阀调节除氧器水位凝结水压力很高，运行一旦发生凝泵变频方式故障掉闸、联启备用工频泵后，凝结水压力、流量突然增大对除氧器水位控制甚至除氧器的设备安全都造成很大的影响。针对此问题设计了专门的控制逻辑：当变频泵高压开关事故掉闸联启备用工频凝泵后，B凝泵电机启动的信号作为C-1快关的触发信号，除氧器水位调节阀C-1迅速联锁关小，关阀目标值与机组负荷成一定的函数关系，然后由运行人员手动调整其开度。

C-1阀位目标值与机组负荷的关系曲线如下表。

　　运行中凝结水压力随负荷降低而下降，原来的“凝结水压力低联启备用泵”的逻辑有可能将备用泵联启，反而增加了系统的不稳定性，所以将定值降低为 0.18Mpa，逻辑回路不变, 同时“凝结水压力报警”保留。为了保证机组的良好备用，机组正常运行期间备用工频泵的出口电动门处于全开状态。

　　凝结水压力低闭锁低压旁路门保护: 采用原来的回路和定值。在机组启动初期使用变频运行时,可将除氧器C-1关到一定位置,使凝结水有足够的压力保证低旁的正常运行。凝结水泵低水位保护: 采用原来的回路和定值。

　　为改善除氧器水位、凝器器水位自动调节系统的调节品质，提高控制水平，在本次变频装置改造自动控制方案中使用目前该领域针对除氧器水位控制最新研究成果——间断式控制理论，引入了一些先进的控制思想（静态不完全预估），主要思想是将变频凝结水泵的转速信号引入控制系统中，与水位偏差相平衡，保证水位的相对稳定（控制在一定的区间内），并引入机组的主蒸汽流量信号，以提高系统的负荷适应能力和补偿变频凝结水泵转速信号引起的偏差，使系统只是在机组负荷发生变化的过程中和水位自发扰动变化的过程中动作，变频凝结水泵的转速信号与上述扰动变化量相平衡后，系统处于等待状态。以适应热力系统的滞后和各种不确定因素，组态框图如下图。
 

4.热力系统调试过程的配合
　　首台凝结水泵启动,可以直接用变频方式。由于整个系统中没有水,有一个充压的过程,测量信号也存在一个惯性滞后,“最小流量保护容易动作”,所以该保护定值是:在测量基础上加50吨流量的富裕量,同时延时9秒掉泵。

　　为了防止管道发生“水锤”现象,凝结水主调节阀C—1、泵出口门处于关闭位置，凝结水再循环调节阀处于全开位置,整个系统处于手动控制状态。该高压变频器启动后自动从0rpm/min开始升速到900rpm/min（设定的最低转速）,然后根据需要进行转速的调整。在系统充水正常后,逐渐将凝结水主调节阀C—1开大,同时凝结水再循环调节阀C—2进行配合，当C—1开到95%以上时,可以投入变频自动控制方式。

5.经济效益

5.1理论分析:
　　由流体动力学可知，泵的流量Q与泵转速n的一次方成正比，泵的压力p与转速n的二次方成正比，而泵的功率p则与转速n的三次方成正比。如通过变频调速技术使泵的流量由额定值Qo降至70%Q0时，转速将由额定值n0降至70%n0，此时泵的压力由额定值po降至49%po，泵的轴功率由额定值Po降至 34.3%Po。理论上功耗减少了65.7%Po。即使考虑到转速下降可能会引起电机的效率下降等因素，变频调速的节电效果仍然非常显著。据计算，当将离心式水泵的流量由Q0调低到70%Q0时。采用变频调速方式的功耗约比控制阀调节方式的功耗减少52%Po。

5.2 数据分析：
　　改造前、后在不同工况下凝结水泵及电动机的运行参数:

　　 以9月份发电情况来测算: 本月双机运行小时数为1440小时,发电量为3.5652亿千瓦时,平均负荷为24.76MW, 负荷率为 82.53%。从表中可以查到每小时可节约电流35.77A。折合电量为: 
    UICOS￠ = 1.732×6×35.77×0.901 = 334.92Kw?h
　　按上网电价0.2754元/ kW?h, 每小时节约合人民币 92.237元,全年约79.69万元/台机组。而改造双机的成本为300万元,运行 2年可全部收回成本。随着电力市场供求关系的变化,机组的利用小时和负荷率在下降, 根据表中数据可以看出,负荷率越低,节能效果越显著。

5.3 安全可靠性分析：
　　变频调速解决了启动时大电流对电机的冲击，延长了电机的使用寿命。异步电机直接启动时，其最大启动电流约为额定电流的7倍，采用星三角启动也达到了 4-5倍。而变频启动时，基本上无冲击电流，其电流是从零开始，随着转速的上升而增加，最大不会超过额定电流，这就消除了对电机的冲击应力,延长了电机的使用寿命。

　　采用变频调速控制后，如果高压变频器长时间运行在1/2工频以下，随着电机转速的下降，电机散热能力也下降，同时电机发热量也随之减少。所以电机的本身温度其实是下降的，仍旧能够正常运行而不至温度过高。

　　提高了凝结水泵的运行可靠性，延长了水泵的寿命。采用变频调速后，低负荷时，凝结水泵低速运转，泵必需的汽蚀余量（NPSH）降低，降低了泵内发生汽蚀的可能性（因泵必需的汽蚀余量近似与转速的平方成正比），延长了水泵的寿命。

　　变频调速运行时，其出口门和调节阀可全开，利用转速调节流量和压力，改善了由于阀门调节时对管系的冲击，降低了调节阀前后管系泄漏的可能性; 也由于高压变频器的软起动，有效消除“水锤”效应和空化现象，减小对管网和泵的冲击，延长泵体寿命和减小管网及附件的损耗,从而减少了维护工作量，提高了系统的安全可靠性。

　　变频调速运行,凝结水的压力比定压运行低,使得在定压运行时出现的凝结水压力高造成凝结水管道振动大、凝结水最小流量调整门漏流、给水泵机械密封冷却水管道振动和噪音大、调整门容易多次损坏的现象得以消除或减缓。

　　维护量减少。采用变频调速后，避免因通过阀门控制使泵过多偏离额定工作区而引起的振动。通常情况下，变频调速系统的应用主要是为了降低泵的转速，由于启动缓慢及转速的降低，相应地延长了许多零部件，特别是密封件、轴承的寿命。

　　变频调节时，由于小流量时的转速低，这就降低了泵及系统的噪声，改善了运行环境。

　　变频调节时，调节手段变得简单、可靠，提高了自动装置的投入率。

　　利德华福高压变频器为电压源型结构，功率因数可高达0.95；

6.改造后需要完善的问题
　　机组启动、停止过程中可以将变频凝结泵转速控制某一值，采用上水门调节，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。但是需要注意摸索变频凝结泵的临界转速区，所以变频凝结泵启动、停止和运行中严禁在此区域范围内运行。

　　要保证高压变频器柜体和厂房大地的可靠连接，保证人员和设备安全。为防止信号干扰，控制系统最好埋设独立的接地系统，对接地电阻的要求不大于4Ω。到高压变频器的信号线，必须采用屏蔽电缆，屏蔽线的一端要求可靠接地。

　　由于该改造方案中高压变频器的高压电源取自厂用6kV母线Ⅰ段,与1凝结水泵为同一路,决定了最佳的运行方式就是: 1凝结水泵变频运行,2凝结水泵工频备用。因为若采用2凝结水泵变频运行,1凝结水泵工频备用,一旦6kV厂用母线Ⅰ段失电,机组由于2凝结水泵电源切换过程时间长无法启动而停机。

7.结束语
　　由北京利德华福电气技术有限公司生产的高压变频器在我厂投运以来，运行稳定，凝结水泵变频改造技术后,经过不同负荷工况下的试运行，节能效果非常好，取得了圆满成功，有效地解决了凝结水系统管道在低负荷震动大、阀门节流大、以及控制系统滞后、相互耦合严重、控制对象特性不确定的难题。使用间断式调节系统方案控制变频调速凝结水泵，实现对除氧器水位的控制。同时虽然目前高压变频器，价格还较高，测试投资回收期限，一般需要两年左右时间。但随着目前国产高压变频器的迅速发展，使得变频器的性能价格比大大提高，为利用变频器进行节能技术改造提供了更加广阔的前景。

作者简介
　　冯陪一: 1963年4月，汉族，山西山阴人，高级工程师、总经理。
　　闫福岐: 1968年9月，汉族，山西离石人，太原电力高等专科学校热能动力专业专科学历、工程师、专业经理。
　　冯昌:1972年10月，汉族，山西交口人，太原电力学校热工自动化专业毕业中专学历、工程师、专业经理

参考文献:
　　1.《30OMW机组凝结水泵采用变频技术调速》作者：汤元楼 文章来源：东方自动化网
　　2.《水泵变频调速技术研究与应用》 大庆石油管理局供水公司生产协调部 刘睿诚 
　　3.《山西兆光发电有限责任公司凝结水泵变频节能改造项目技术协议》 北京利德华福电气技术有限公司