1 000 MW機(jī)組凝結(jié)水泵變頻裝置選擇

張戰(zhàn)濤，尹金亮，陳萍

（1.河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，鄭州市，450007；2.中電投平頂山魯陽發(fā)電有限公司，河南省平頂山市，467031）

0 引言

凝結(jié)水泵（以下簡(jiǎn)稱“凝泵”）作為火力發(fā)電廠主要?jiǎng)恿υO(shè)備，在火力發(fā)電廠的汽水系統(tǒng)中占有非常重要的地位[1-7]。凝泵若與運(yùn)行工況匹配不好，會(huì)造成運(yùn)行效率低，能耗高，不但經(jīng)濟(jì)性差，還可能引起凝泵系統(tǒng)的振動(dòng)、汽蝕，導(dǎo)致水泵故障，影響火電機(jī)組整體的安全性。1 000MW機(jī)組未來存在調(diào)峰與之相適應(yīng)，凝泵系統(tǒng)必須有更高的運(yùn)行靈活性和適應(yīng)性。高壓變頻技術(shù)通過調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，不僅使泵可以較好地適應(yīng)流量變化，而且還能提高泵在非設(shè)計(jì)流量時(shí)的運(yùn)行效率。

1 1 000 MW機(jī)組凝泵設(shè)計(jì)原則

正常滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，2×100％容量凝泵具有一定的優(yōu)勢(shì)，但由于機(jī)組不可能常年運(yùn)行在滿負(fù)荷模式下，對(duì)于部分負(fù)荷的運(yùn)行方式，3×50％容量的凝泵經(jīng)濟(jì)性稍好，這是由凝泵的特性決定。

機(jī)組啟動(dòng)或低負(fù)荷時(shí)，單泵與雙泵運(yùn)行存在切換點(diǎn)，經(jīng)過估算切換點(diǎn)處機(jī)組負(fù)荷可達(dá)70％。機(jī)組負(fù)荷在切換點(diǎn)以下時(shí)，由于100％容量凝泵管路調(diào)節(jié)閥壓降大于選用50％容量凝泵時(shí)管路調(diào)節(jié)閥壓降，100％凝泵的揚(yáng)程將有很大一部分被消耗在調(diào)節(jié)閥上，導(dǎo)致凝泵運(yùn)行極不經(jīng)濟(jì)。由于1 000MW機(jī)組100％容量的凝泵國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠商還沒有供貨業(yè)績(jī)，采用進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格又太高，必要性不大；50％容量的凝泵在國(guó)內(nèi)600MW等級(jí)的機(jī)組上已廣泛應(yīng)用，其技術(shù)成熟可靠，價(jià)格較低，機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，凝泵經(jīng)濟(jì)性較好。因此本工程每臺(tái)機(jī)組采用3臺(tái)50％容量的國(guó)產(chǎn)凝泵。國(guó)內(nèi)1 000MW等級(jí)機(jī)組中海門和廣東大唐國(guó)際潮州三百門電廠、上海漕涇電廠均為3×50％凝泵設(shè)計(jì)。

2 1 000 MW機(jī)組凝泵變頻現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)1 000MW超超臨界項(xiàng)目尚處在消化吸收的階段，設(shè)計(jì)優(yōu)化剛剛起步，為滿足1 000MW機(jī)組參加調(diào)峰運(yùn)行的需要，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，泰州電廠、海門電廠和大唐國(guó)際潮州電廠都進(jìn)行了凝泵變頻可行性研究，并于2009年12月投入運(yùn)行，外高橋第二發(fā)電廠（2×900MW）、玉環(huán)和鄒縣電廠四期投入商業(yè)運(yùn)行后，利用大修機(jī)會(huì)分別進(jìn)行了凝泵變頻改造。上海漕涇電廠和寧海電廠尚未進(jìn)行凝泵變頻改造。

大唐國(guó)際潮州三百門電廠凝泵為長(zhǎng)沙水泵廠生產(chǎn)的立式筒袋型泵，電機(jī)額定功率1.5MW，采用變頻控制后，變頻在工頻運(yùn)行時(shí)振動(dòng)情況正常，投變頻后發(fā)現(xiàn)在40Hz左右振動(dòng)大問題，當(dāng)采用變頻方式運(yùn)行時(shí)，在1 200 r/m in左右時(shí)電機(jī)自由端水平方向振動(dòng)特別大，達(dá)1mm以上，目前采用在對(duì)輪上加配重（將原螺母去掉，重新加工新螺母）的辦法，略有改善，但振動(dòng)仍大。鄒縣電廠四期為3×50％凝泵設(shè)計(jì)，2009年進(jìn)行了改造，運(yùn)行良好，每臺(tái)機(jī)組平均每天節(jié)電1萬kW·h。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)方案論證

平頂山魯陽發(fā)電廠每臺(tái)機(jī)組配置3臺(tái)凝泵，2運(yùn)1備運(yùn)行方式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，變頻配置可以考慮如下幾種方案。

（1）一拖一自動(dòng)方式。

采用一托一自動(dòng)方式共需3套凝泵。一拖一自動(dòng)方式接線如圖1所示：QS1、QS2與QF1、QF2聯(lián)鎖，即QS1、QS2斷開時(shí)，QF1、QF2不能閉合。QF3和QF2互鎖，QF3和QF1不互鎖。

電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，變頻器接收到“工頻切變頻”的信號(hào)后，合QF1，再斷QF3，最后合QF2，電機(jī)變頻運(yùn)行。電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，變頻器接收到“變頻切工頻”的信號(hào)后，斷QF1、QF2，然后合QF3，電機(jī)工頻運(yùn)行。檢修變頻器時(shí)斷開隔離刀閘QS1、QS2。

此方案的特點(diǎn)是在變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，負(fù)載能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)入工頻電網(wǎng)中，切開變頻調(diào)速系統(tǒng)，負(fù)載不用停機(jī)，另外可以在旁路運(yùn)行的情況下斷開QS1和QS2檢修變頻器。潮州三百門和海門電廠均采用此種方案。

（2）一拖二+一拖一自動(dòng)方式。

1臺(tái)凝泵采用一拖一變頻控制，另2臺(tái)凝泵采用一拖二變頻控制。凝泵一拖二自動(dòng)方式有設(shè)計(jì)模式3電源進(jìn)線和2電源進(jìn)線方式2種標(biāo)準(zhǔn)，2種方式原理分別見圖2和圖3。本文重點(diǎn)介紹3電源進(jìn)線方式，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變頻裝置使用斷路器少，閉鎖方便可靠，投資和占地省。

QS1、QS2為隔離開關(guān)，在回路不檢修或不長(zhǎng)期停機(jī)的情況下，QS1、QS2一直合上。QF4與QF5互鎖，即QF4與QF5只允許其中1個(gè)閉合。同時(shí)QF4與QF1互鎖，QF5與QF3互鎖。

當(dāng)電機(jī)A（B）工頻運(yùn)行時(shí)，QF2、QF4、QF5斷開，QF1（QF3）閉合。需要切換至電機(jī)B（A）變頻狀態(tài)時(shí)，先閉合QF2，變頻器預(yù)充電，當(dāng)變頻器就緒后，先斷開QF1（QF3），再閉合QF5（QF4），此時(shí)電機(jī)B（A）處于變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)A（B）變頻運(yùn)行時(shí)，QF2、QF4（QF5）閉合，QF1、QF2、QF5（QF4）斷開。需要切換至電機(jī)B（A）工頻狀態(tài)時(shí)，先斷開QF4（QF5），再斷開QF2，然后合上QF3，此時(shí)電機(jī)B（A）處于工頻運(yùn)行狀態(tài)。

2電源進(jìn)線方式如圖3。由圖3可知，該模式開關(guān)數(shù)量較多，閉鎖和操作相對(duì)復(fù)雜。

一拖二自動(dòng)控制方案的優(yōu)點(diǎn)是正常情況下，允許任一負(fù)載工作在變頻狀態(tài)。如果電機(jī)A工作在變頻狀態(tài)，電機(jī)B可以工作在工頻狀態(tài)；相反，如果電機(jī)B工作在變頻狀態(tài)，則電機(jī)A可以工作在工頻狀態(tài)。如果檢修變頻器，2臺(tái)負(fù)載都可以工頻運(yùn)行，這樣可以延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。在變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，負(fù)載不用停機(jī)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)入工頻中，滿足現(xiàn)場(chǎng)不能停機(jī)的要求。鄒縣電廠四期即采用此方案。

（3）一拖三自動(dòng)方式。

采用1套高壓變頻器實(shí)現(xiàn)任意1臺(tái)變頻運(yùn)行，另1臺(tái)固定工頻運(yùn)行，還有1臺(tái)備用，如圖4所示。

工作原理：KM 1與QF1、KM 2與QF2、KM 3與QF3不能同時(shí)合閘，在電氣上實(shí)現(xiàn)互鎖；KM 1、KM 2、KM 3也不能同時(shí)合閘，在電氣上實(shí)現(xiàn)互鎖。當(dāng)電機(jī)M 1變頻運(yùn)行時(shí)，電機(jī)M 2或電機(jī)M 3可工頻運(yùn)行。此方案的優(yōu)點(diǎn)是采用1臺(tái)變頻器，投資省、占地少；缺點(diǎn)是開關(guān)數(shù)量多，閉鎖環(huán)節(jié)復(fù)雜，變頻泵和工作泵互相之間有干擾。

4 投資及經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 變頻器設(shè)備投資比較

以火力發(fā)電工程項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)等有關(guān)資料為依據(jù)，結(jié)合電廠的實(shí)際情況，對(duì)3×50％容量凝結(jié)水泵配變頻器方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析。

按照機(jī)組運(yùn)行模式，機(jī)組運(yùn)行工況是變化的，水泵不可能一直在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，對(duì)凝泵變頻的3種配置方式的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比較，需要了解機(jī)組的年度運(yùn)行及啟停方式。魯陽電廠機(jī)組單機(jī)運(yùn)行模式如表1所示。根據(jù)目前變頻器國(guó)內(nèi)制造水平，1.5MW凝泵配國(guó)產(chǎn)的變頻器的價(jià)格大約為900元/kW，其設(shè)備初投資、土建安裝費(fèi)、不可預(yù)見費(fèi)統(tǒng)計(jì)分別為：一拖一方式，405萬元+30萬元+45萬元，共計(jì)480萬元；一拖二+一拖一方式，270萬元+40萬元+10萬元，共計(jì)320萬元；一拖三方式，135萬元+40萬元+15萬元，共計(jì)190萬元。

4.2 凝泵運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比較

根據(jù)表1配變頻器年耗電量為854.40萬kW·h，不配變頻器年耗電量為1 327.81萬kW·h，2者相差473.41萬kW·h，按發(fā)電成本價(jià)0.261元/（kW·h）計(jì)算，即可節(jié)省年運(yùn)行費(fèi)用123.56萬元。

所謂年費(fèi)用是1年中投資費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用之和，其表達(dá)式為式中：NF為年費(fèi)用，萬元/年；Z為初投資，萬元；U為運(yùn)行費(fèi)，萬元/年；f為年費(fèi)用率。

其中固定費(fèi)用率f，將投資平均分?jǐn)偟劫J款償還期內(nèi)每1年，考慮了設(shè)備折舊、稅金、管理費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)及其他費(fèi)用，方案擇優(yōu)比較時(shí)取f＝0.17。通過表2的年費(fèi)用計(jì)算比較可以看出。雖然變頻運(yùn)行方案初投資費(fèi)用比工頻運(yùn)行方案高，但年費(fèi)用較小。方案3年費(fèi)用最小，方案2年費(fèi)用次之，方案1采用一拖一方式年費(fèi)用最高。

綜合技術(shù)、投資、運(yùn)行維護(hù)幾個(gè)方面的因素得出，方案1采用3套一拖一方式造價(jià)最高，可以排除；從國(guó)內(nèi)調(diào)查的情況看，方案3費(fèi)用雖低，但是需要1臺(tái)變頻泵和1臺(tái)工頻泵并聯(lián)工作，調(diào)節(jié)控制上可以實(shí)現(xiàn)，但1臺(tái)變頻和1臺(tái)定速運(yùn)行時(shí)，存在搶水問題，在一些工況下變頻泵的靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定，調(diào)節(jié)范圍小，容易造成變頻泵停運(yùn)，運(yùn)行可靠性降低。本工程如果按方案3采用同型號(hào)定速泵不變，約節(jié)省年運(yùn)行費(fèi)用72萬元，投資收益為3.73年。雖然通過取掉定速泵一級(jí)葉輪（國(guó)內(nèi)有應(yīng)用案例），可以實(shí)現(xiàn)定混運(yùn)行的安全性和可靠性，但經(jīng)濟(jì)性較差，凝泵效率降低1％，年平均多耗廠用電50萬kW·h。

電力企業(yè)進(jìn)行變頻改造，必須堅(jiān)持安全第一、節(jié)能降耗、投資回收期短、系統(tǒng)改動(dòng)最小、空間適宜等原則。相比而言方案3費(fèi)用雖然最低，但安全性和可靠性差，特別是運(yùn)行靈活性差。而方案2雖然占地稍多，但技術(shù)可靠性高，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)好，靜態(tài)投資回收年限約為5年，為3種方案中最優(yōu)者。

表1 各種方案在全年運(yùn)行模式下的年耗電量Tab.1 The annual power consumption of various schemes under whole-year operating mode

表2 年費(fèi)用比較表Tab.2 Annual cost comparison

故本工程凝泵采用一拖二+一拖一方式的變頻調(diào)速，能提高凝泵的運(yùn)行效率，減少凝系統(tǒng)的能量損失，節(jié)電率達(dá)34％。

4.3 變頻調(diào)節(jié)的控制策略

在保證滿足凝泵出口壓力與除氧器上水量要求的前提下，除氧器水位調(diào)節(jié)閥全開，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷點(diǎn)稱為平衡點(diǎn)。機(jī)組負(fù)荷在平衡點(diǎn)以上時(shí)，可以單純依靠增大凝泵轉(zhuǎn)速來增加凝結(jié)水流量，以滿足機(jī)組運(yùn)行需要。機(jī)組負(fù)荷在平衡點(diǎn)以下時(shí)，必須結(jié)合除氧器水位調(diào)節(jié)閥的開度這一調(diào)節(jié)手段來進(jìn)行凝結(jié)水流量的調(diào)節(jié)，在滿足需要的情況下，手動(dòng)逐漸減小凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速，緩慢增大除氧器水位調(diào)節(jié)閥的開度，直到該閥全開，可以獲得平衡點(diǎn)。平衡點(diǎn)是凝泵變速運(yùn)行時(shí)除氧器水控制方式切換的拐點(diǎn)。

變頻控制的對(duì)象是除氧器水位調(diào)節(jié)閥與凝泵轉(zhuǎn)速，控制目標(biāo)是除氧器水位和凝泵出口壓力。經(jīng)驗(yàn)證明，通過除氧器水位調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)除氧器水位的控制特性，比將該閥固定在某一開度而僅通過凝泵轉(zhuǎn)速來控制水位的控制特性好，通過改變凝泵轉(zhuǎn)速來控制凝泵出口壓力則要比通過改變除氧器水位調(diào)節(jié)閥開度來改變凝泵出口壓力更快。具體制定控制策略時(shí)，如果凝泵轉(zhuǎn)速控制和除氧器水位調(diào)節(jié)閥控制都投入自動(dòng)，除氧器水位調(diào)節(jié)閥應(yīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)除氧器水位，而凝泵轉(zhuǎn)速應(yīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)凝結(jié)水母管壓力。如果只有1個(gè)投入自動(dòng)方式時(shí)，其控制目標(biāo)均為除氧器水位，凝泵出口壓力控制變成一種保護(hù)控制。當(dāng)變頻凝泵運(yùn)行，備用工頻凝泵啟動(dòng)時(shí)，凝泵的轉(zhuǎn)速指令跳變到額定轉(zhuǎn)速，凝泵轉(zhuǎn)速控制切手動(dòng)，除氧器水位調(diào)節(jié)閥快開到與機(jī)組負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的某個(gè)開度，然后投入自動(dòng)。對(duì)于變速運(yùn)行的凝泵，在除氧器水位調(diào)節(jié)閥沒有全開時(shí)，降低凝泵轉(zhuǎn)速、增加除氧器水位調(diào)節(jié)閥開度，是提高節(jié)能效果的有效途徑。

5 變頻器的安裝要求

高壓變頻器理論上可以安裝在所對(duì)應(yīng)輔機(jī)斷路器旁，即和高壓開關(guān)柜并列布置，也可以布置在電動(dòng)機(jī)旁邊或主廠房某個(gè)位置，布置在何處應(yīng)根據(jù)工程的具體情況而定，無論布置在何處，都應(yīng)該注意變頻器對(duì)安裝環(huán)境的要求。高壓變頻器柜一般長(zhǎng)8～10m，由旁路柜、移相變壓器柜、功率單元柜、控制柜組成。柜內(nèi)電子元件比較多，這些元件對(duì)安裝環(huán)境都有要求。一般高壓變頻器都應(yīng)戶內(nèi)安裝，為了滿足其對(duì)環(huán)境溫度和濕度的要求，室內(nèi)需安裝空調(diào)并有沿長(zhǎng)度方向的風(fēng)道，下部需要做防水、防凍的處理，電纜要考慮上進(jìn)或下進(jìn)出線對(duì)設(shè)備布置的影響。變頻器布置應(yīng)由電氣專業(yè)為有關(guān)工藝專業(yè)提供有關(guān)安裝資料，使得變頻設(shè)備做到合理安排、統(tǒng)一布置，避免臨時(shí)找地方影響整個(gè)電廠的整體布置。

6 結(jié)語

根據(jù)比較，1 000MW級(jí)機(jī)組設(shè)3臺(tái)50％凝泵較為經(jīng)濟(jì)合理的，同時(shí)配置高壓變頻設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)所有工況下凝泵的變頻調(diào)速調(diào)節(jié)。本著以安全為前提，節(jié)能為目的，投資回收期為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，合理選擇凝泵變頻器一拖二+一拖一控制方式，提高凝泵的運(yùn)行效率，減少凝結(jié)水系統(tǒng)的能量損失。采用合理的控制策略，尋找最佳平衡點(diǎn)，挖掘節(jié)能潛力。

[1]張文海，曲顯明，馬心寧.熱電廠送（引）風(fēng)機(jī)、給水泵變頻調(diào)速設(shè)計(jì)[J].電力建設(shè)，2003，24（9）：15-17.

[2]楊小華.1 000MW超超臨界發(fā)電機(jī)組節(jié)能降耗措施初探[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2007（1）：31-34.

[3]錢伯章.中國(guó)能源現(xiàn)狀與節(jié)能[J].石油經(jīng)濟(jì)，2004（6）：12-14.

[4]江巨浪，朱成強(qiáng).電力工業(yè)的節(jié)能新趨勢(shì)[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004（2）：31-33.

[5]俞立凡，陸寶華.S109FA機(jī)組凝結(jié)水泵變頻改造分析[J].電力建設(shè)，2009，30（8）：88-90.

[6]陳格恒.變頻調(diào)速技術(shù)在發(fā)電廠應(yīng)用的幾個(gè)問題[J].廣東電力，2008（1）：34-38.

[7]孔亮，王志亮，曹廣芹，等.基于PLC變頻器一拖四供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].可編程控制與工廠自動(dòng)化，2007（10）：65-69.