某电厂发电机组凝结水泵的变频改造

朱计划,陈雷

(大唐淮北发电厂,安徽淮北235000)

大唐淮北发电厂8号机组容量210 MW,设计时辅机选型普遍偏大,投产以后虽然在优化运行方式、加强用电管理等方面做了大量工作,但厂用电率仍高达8.5%以上,远高于同类型机组。8号机组配置2台凝结水泵,电机容量均为400 kW,正常方式下一台运行、一台备用,凝结水泵工频定速运行,凝结水流量通过调节除氧器进水调整门的开度控制,这种调节方式节流损失很大,大量的功率被消耗在调整门上,尤其在低负荷运行时段,凝结水泵的运行效率非常低。另外,由于机组负荷受AGC控制负荷波动大,除氧器进水调整门必须频繁调整导致故障几率增加,给机组的安全运行带来很大的风险。为了提高凝结水泵运行的效率和运行安全,厂部决定对凝结水泵进行变频改造,本文将介绍变频改造工作的做法和效果。

改造采用湖北三环公司研制的SH-HVF系列Ⅱ型高压变频器,容量为550 kVA,,主回路采用全进口器件。变频器采用每相36脉冲整流,输出电流的谐波,空载时小于4%负载时小于2%。变频器的输入电压在85%～115%,频率在45～55 Hz波动范围内设备均能正常工作;整机效率不小于98%,功率因数不小于95%。该变频器采用直接高高变换的方式、多电平串联倍压的技术方案和优化的PWM控制算法,可以实现优质的可变频变压(VVVF)的正弦电压和正弦电流的输出。变频器的输入采用移相变压器,输出采用单元串联方式直接提供高压,采用模块化设计单元可任意互换,拆装方便;由于采用了单元串联输出方式,因此dU/dt小,延长了IGBT的寿命以及降低了对整个设备绝缘的要求。变频器单元与控制部分的通讯采用光纤,外围控制部分采用PLC

凝结水泵高压变频装置设计采用“一拖二”的运行方式,即一套变频装置通过一次回路切换可分别拖动任意一台凝结水泵电机运行,同时具备工频旁路功能,正常方式下一台凝结水泵变频运行,另外一台工频备用,变频装置一旦故障凝结水泵仍然可以继续运行。为了节约投资,改造工作把移相变压器柜、功率单元柜、工频旁路柜和变频器控制柜安放在电厂6kV开关室附近的空余房间,同时在保留原有的两台甲、乙凝结水泵工频高压开关的基础上,利用一台备用开关作为凝结水泵变频高压开关。改造增加了变频控制系统与机组DCS的接口。凝结水泵改造后的接线见图1。

图1中:QF1为甲凝结水泵工频开关,QF2为凝结水泵变频电源开关,QF3为乙凝结水泵工频开关,QS1为甲凝结水泵变频刀闸,QS2为乙凝结水泵变频刀闸,K 1为甲凝结水泵变频开关,K2为乙凝结水泵变频开关。为避免凝结水泵变频改造后切换泵过程中出现事故,此次改造在DCS中增加了以下逻辑:①K1开关与K 2开关相互闭锁合闸,即合K 1开关,K 2必须在断开状态;合K 2开关,K 1开关必须在分闸状态;②K 1开关与K 2开关不闭锁分闸,即两个开关均能分闸,即其中一个开关在分闸,也能进行另一开关的分闸操作;③甲凝结水泵工频开关QF1与K 1开关相互闭锁合闸,即合QF1开关条件是K 1在分闸状态,合K 1开关的条件是QF1开关在分闸状态;④乙凝结水泵工频开关QF3与K 2开关相互闭锁合闸,即合QF3开关条件是K 2在分闸状态;合K 2开关的条件是QF3开关在分闸状态。

图1 改造后的凝结水泵接线

根据运行人员实际操作和监视需要,对DCS操作员站凝结水泵相关部分进行修改。首先在汽机主监视画面中增加了变频操作键,点击该键可进行凝泵变频器启动、凝泵变频器停机、凝泵变频器紧急停机、凝泵变频电源合闸、凝泵变频电源分闸等操作,而且均增加了确认对话框,以免出现误操作;其次在汽机主监视画面和变频操作画面中增加了凝结水泵变频器输出电流指示;再次在变频操作画面中设置了甲凝泵工频开关(QF1),乙凝泵工频开关(QF3),凝泵变频电源开关(QF2),凝结水泵变频开关(K 1和K 2)和刀闸(QS1和QS2)的“合闸”与“分闸”指示;最后在汽机主监视画面中,设置了凝结水泵工频和变频运行状态指示,以便于运行人员监视。

配合凝结水泵变频改造,对除氧器水位保护动作后果进行了修改:当除氧器水位低Ⅱ值(800mm)或低Ⅲ值(500 mm)保护动作后,DCS向变频器发出增加频率指令,最高增至50 Hz;当除氧器水位高Ⅱ值(2400 mm)或高Ⅲ值(2600 mm)保护动作后, DCS向变频器发出降低频率指令,最低降至20 Hz。对新增加的变频器电源开关,设置了WCB-821型微机保护,包括速断和过流两种保护,速断保护动作电流582 A、动作时限0 s,过流保护动作电流80 A,动作时限15 s。

凝结水泵经过变频改造后,正常情况下共有4种运行方式,为防止运行人员误操作,对凝结水泵各种运行方式下电源开关及刀闸的状态做出以下规定。第一,甲凝结水泵工频运行时,QS1刀闸、K 1开关断开,甲凝结水泵工频开关QF1合上;第二,甲凝结水泵变频运行时,甲凝结水泵工频开关QF1断开,凝结水泵变频电源开关QF2 h和QS1刀闸、K 1开关合上;第三,乙凝结水泵工频运行时,QS2刀闸、K 2开关在断开,乙凝结水泵工频开关QF3合上;第四,乙凝结水泵变频运行时,乙凝结水泵工频开关QF3在断开,凝结水泵变频电源开关QF2和QS2刀闸、K 2开关合上;第五,QS1变频刀闸与QS2变频刀闸采用机械逻辑联锁,只能有一把刀闸在合上状态。

2008年5月28日开始进行凝结水泵变频器安装施工,6月15日施工结束,6月19日凝泵变频器正式投运,运行至今从未出现过故障,运行情况良好。为检查改造的效果,对改造前后凝结水泵的耗电率进行了计算、比较,统计时间段为改造前一年(从2007年5月25日到次年同日)、改造后一年(从2008年6月25到次年同日),统计数据取自现场人员所抄运行日报表,计算结果见表1。

表1 凝泵改造前后的用能指标

根据表1可以计算,改造后凝结水泵的用电占机组总发电量的耗电率减少0.06%,较改造前节能30%,年节电量在90万kW h以上,以0.39元/kWh计算,年节约资金35.1万元,一年半即可收回投资。凝结水泵变频运行除了降低耗电率外,还取得了以下效果。

(1)使用变频器调整除氧器水位,不再频繁调节除氧器进水调整门,除氧器进水调整门故障几率减少,机组运行更加稳定。

(2)通过调整变频器频率调节除氧器水位,比利用除氧器进水调整门调节精确度高,更容易达到理想水位,因此运行人员调整量减少,除氧器水位稳定。

(3)凝结水泵变频启动电流小,减轻了启动电流对电动机的损坏,延长了电动机的使用寿命。

(4)正常情况下凝结水泵变频器输出频率在38～42 Hz之间,电动机和凝结水泵转速降低,运行振动及噪声明显下降,磨损减少,轴承温度也有很大的下降,延长了电动机和凝结水泵的使用寿命。

变频器运行两年来取得了良好的效果,本次改造非常成功,不仅降低了厂用电率,增加了上网电量,为企业扭亏增盈奠定了坚实的基础;同时也彻底消除了除氧器调整门故障给机组安全运行带来的风险。可以预见,随着大功率电力电子器件和电气传动技术的进步,高压变频调速技术将会更加广泛地应用到工业生产中。