摘要: 隨著國民經濟的發展,節能降耗成為今后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.系統介紹
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制造。機組的凝結水系統設計為中壓系統，配裝KSB廠制造的凝結水泵，驅動水泵的電機為上海電機廠制造。技術參數為:
 

1.2 改造前凝結水系統運行情況: 
　　凝結水泵采用定速運行，凝結水經凝泵升壓后流經軸加，通過主凝結水調節閥（即除氧器上水調整門，系統編號為C-1）和低加進入除氧器。調整主凝結水調節閥開度來調節凝結水量，維持除氧器水位穩定滿足機組運行需要。另外凝結水還供給汽輪機低壓軸封汽減溫水用水，以及低壓旁路減溫、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系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，維持系統運行正常壓力。凝結水系統如圖1所示。
 

圖1：凝結水系統簡圖

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: 配備一臺高壓變頻器，兩臺切換開關。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。變頻調速系統電源取自6kV電壓等級的主動力電源系統，由現場主控系統進行協調控制，根據運行工況按設定程序，實現對凝結水泵電動機轉速控制。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B凝結泵電動機實現變頻運行，但不能同時拖動運行。兩側凝結泵電動機均具備工頻旁路功能，可實現任意一臺電動機的變頻運行，另外一臺處于工頻備用，當高壓變頻器故障時，系統可聯鎖另一臺工頻電機運行。
2.2 工作原理簡述：

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系（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只具備手動合閘功能。高壓變頻器高壓開關3QF安裝于“廠用6kV 配電室”，與母線連接。“高壓變頻器室”內所有開關的2路直流控制電源、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＃凝結泵處于變頻運行狀態；2＃凝結泵處于工頻備用狀態。當1＃凝結泵變頻運行故障跳閘時，系統聯鎖起動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＃凝結泵處于變頻運行狀態；1＃凝結泵處于工頻備用狀態。當2＃凝結泵變頻運行故障跳閘時，系統聯鎖起動1＃凝結泵1QF開關工頻運行。

3.運行方式及控制邏輯：
DCS系統可根據兩臺凝結泵的運行模式，自動調整控制對象和控制策略。主要包括二種控制策略：
第一種，變頻調節。根據不同負荷下的除氧器水位變化情況，調節凝結泵轉速控制除氧器水位穩定。
第二種，閥門調節。只要凝結水系統中有1臺泵在工頻運行模式下，系統就會采用閥門調節控制，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。
凝泵有變頻及工頻兩種運行方式。正常情況下，變頻泵作為運行泵長期運轉，工頻泵作為備用泵。高壓變頻器分為就地控制及遠方控制兩種,處于就地控制狀態時，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控制時分自動、手動兩種方式。手動狀態時，運行人員通過改變畫面轉速控制塊控制高壓變頻器轉速。自動狀態時，根據DCS內部設定的除氧器水位定值自動控制高壓變頻器轉速。當變頻泵與工頻泵并列運行時，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系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，當流量小于300T/H,用流量信號調節, C-2開啟維持最小流量; 當流量大于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，開啟幅度決定于壓差值大小。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系完成功能。
由于變頻凝結泵用改變轉速調節除氧器水位使得凝結水壓力低，而工頻泵仍采用主凝結水調節閥調節除氧器水位凝結水壓力很高，運行一旦發生凝泵變頻方式故障掉閘、聯啟備用工頻泵后，凝結水壓力、流量突然增大對除氧器水位控制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制邏輯：當變頻泵高壓開關事故掉閘聯啟備用工頻凝泵后，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系，然后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系曲線如下表。
 

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，反而增加了系統的不穩定性，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于全開狀態。
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、凝器器水位自動調節系統的調節品質，提高控制水平，在本次變頻裝置改造自動控制方案中使用目前該領域針對除氧器水位控制最新研究成果——間斷式控制理論，引入了一些先進的控制思想（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制系統中，與水位偏差相平衡，保證水位的相對穩定（控制在一定的區間內），并引入機組的主蒸汽流量信號，以提高系統的負荷適應能力和補償變頻凝結水泵轉速信號引起的偏差，使系統只是在機組負荷發生變化的過程中和水位自發擾動變化的過程中動作，變頻凝結水泵的轉速信號與上述擾動變化量相平衡后，系統處于等待狀態。以適應熱力系統的滯后和各種不確定因素，組態框圖如下圖。
 

4.熱力系統調試過程的配合
首臺凝結水泵啟動,可以直接用變頻方式。由于整個系統中沒有水,有一個充壓的過程,測量信號也存在一個慣性滯后,“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、泵出口門處于關閉位置，凝結水再循環調節閥處于全開位置,整個系統處于手動控制狀態。該高壓變頻器啟動后自動從0rpm/min開始升速到900rpm/min(設定的最低轉速),然后根據需要進行轉速的調整。在系統充水正常后,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制方式。

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制閥調節方式的功耗減少52%Po。
5.2數據分析：
　　改造前、后在不同工況下凝結水泵及電動機的運行參數:
 

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/臺機組。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系的變化,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沖擊，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。而變頻啟動時，基本上無沖擊電流，其電流是從零開始，隨著轉速的上升而增加，最大不會超過額定電流，這就消除了對電機的沖擊應力,延長了電機的使用壽命。
采用變頻調速控制后，如果高壓變頻器長時間運行在1/2工頻以下，隨著電機轉速的下降，電機散熱能力也下降，同時電機發熱量也隨之減少。所以電機的本身溫度其實是下降的，仍舊能夠正常運行而不至溫度過高。
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(因泵必需的汽蝕余量近似與轉速的平方成正比)，延長了水泵的壽命。
變頻調速運行時，其出口門和調節閥可全開，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，降低了調節閥前后管系泄漏的可能性; 也由于高壓變頻器的軟起動，有效消除“水錘”效應和空化現象，減小對管網和泵的沖擊，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，提高了系統的安全可靠性。
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。
維護量減少。采用變頻調速后，避免因通過閥門控制使泵過多偏離額定工作區而引起的振動。通常情況下，變頻調速系統的應用主要是為了降低泵的轉速，由于啟動緩慢及轉速的降低，相應地延長了許多零部件，特別是密封件、軸承的壽命。
變頻調節時，由于小流量時的轉速低，這就降低了泵及系統的噪聲，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.改造后需要完善的問題
機組啟動、停止過程中可以將變頻凝結泵轉速控制某一值，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
范圍內運行。
要保證高壓變頻器柜體和廠房大地的可靠連接，保證人員和設備安全。為防止信號干擾，控制系統最好埋設獨立的接地系統，對接地電阻的要求不大于4Ω。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。
由于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,機組由于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后,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系統管道在低負荷震動大、閥門節流大、以及控制系統滯后、相互耦合嚴重、控制對象特性不確定的難題。使用間斷式調節系統方案控制變頻調速凝結水泵，實現對除氧器水位的控制。同時雖然目前高壓變頻器，價格還較高，測試投資回收期限，一般需要兩年左右時間。但隨著目前國產高壓變頻器的迅速發展，使得變頻器的性能價格比大大提高，為利用變頻器進行節能技術改造提供了更加廣闊的前景。

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歷、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歷、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