高压变频技术在凝结水泵调速改造中的应用

赵朝阳, 戴超超

(1.浙江浙能嘉华发电有限公司,嘉兴 314201;2.浙江浙能嘉兴发电有限公司,嘉兴 314201)

嘉兴电厂4号机组为600 MW国产亚临界机组,配置2台凝结水泵,一用一备,为立式多级离心泵,配套 ABB生产的高压电动机,功率为 2 100 kW,额定电压为6 kV,额定电流为240 A,转速为1 490 r/min.

两台凝结水泵技术改造前属于定速运行方式,机组运行时凝结水流量由DCS系统根据除氧器水位自动控制调节阀的开度进行控制.运行负荷越低,相应调节阀的开度越小,这必然造成系统管网的阻力增大,导致节流损失明显增加,浪费了大量电能.运行过程中调节阀因频繁动作而极易损坏,对机组运行可靠性产生较大影响.因此,有必要对凝结水泵进行技术改造、以降低能耗,提高可靠性.该变频改造项目就是在这种背景下提出的.笔者分析了装置选型、动力方案、控制逻辑及经济性等几个方面,并针对“功率单元旁路”和“工频旁路”提出了见解.

1 装置选型

变频装置选型前应着重关注以下几个方面:

(1)变频装置的可靠性.变频调速改造的前提是保证机组运行的稳定与可靠性,否则节能无从谈起.因此,需要对变频器的主电路拓扑结构、功率单元、冷却系统及故障诊断等方面进行分析和对比.

(2)变频器的输入电压波动范围要宽.发电厂的厂用母线因备用电源自动投入、大容量电机直接启动等原因,电压波动较大,因此要求变频器能在较宽的电压范围内持续稳定运行.

(3)功率单元“旁路技术”的取舍.为了增强可靠性,现在有了功率单元“旁路技术”,即某个功率单元发生故障,该单元输出端自动旁路,变频器可以继续运行[1].其关键是采用中性点漂移技术,此时变频器的容量必定下降,整机将“降额使用”,但在功率单元旁路的情况下变频器的运行时间几乎为零,出现单元故障时的首要任务是将变频器停役,并查明原因;而且,由于旁路技术结构复杂,一定程度上反而降低了变频器本身的可靠性,因此“单元旁路”技术可不选择.

(4)考虑谐波的影响.输出、输入谐波必须控制在标准规定的范围内,不应对厂用电系统的自身正常工作造成影响.

基于以上考虑,经过公开的技术及商务评标,最后中标产品为日立变频器,其拓扑结构为功率单元串联式多电平电压源型,该装置的特点主要有:①电源高次谐波含量低,采用串联多重整流方式抑制输入端高次谐波,无需配置谐波滤波器等装置,完全满足高次谐波的规定;②独有的“软充电”技术,减少了零部件数量,可提高可靠性和效率;③输出电压与电流波形接近正弦波,降低了对电动机的冲击;④采用寿命较长的薄膜电容来代替电解电容,降低了维护成本;⑤对输入电压的要求不高,电压波动范围在65%～115%;⑥移相变压器和功率单元柜可以分开设置,安装的场所选择比较自由.

2 动力方案

2.1 “一拖一”方案

不少单位在变频改造中,为了充分发挥变频器功效,都选用了“一拖二”方案,即1台变频器可以分别拖动2台电机.文献[2]指出,“一拖二”方案容易出现变频泵跳闸后无法连锁启动备用泵,而且系统和控制逻辑相对复杂,设备故障概率大.综合以上情况,从机组运行安全性、供水系统可靠性及运行方式考虑,确定采用“一拖一”的方案,即1台凝结水泵采用变频运行,另1台凝结水泵采用工频运行方式.

2.2 工频旁路的“自动”与“手动”

备用工频系统若设计为“自动”,则旁路必须采用断路器,设备占用空间较大,且该断路器始终带电运行,因此必须安装防止误操作的连锁装置.当变频器上方断路器无论因何种原因跳闸时,都应该首先停运相应的凝结水泵,隔离变频器,并进行系统检查,同时应将工频备用泵自动连锁投入,而不应在变频器跳闸后原变频泵继续在工频状态下运行.因此,工频旁路“手动”模式已经足以实现所需要的功能.图1为变频器“一拖一”“手动”旁路方案示意图.在图1中,K1、K2为手动闸刀,且K 2采用单刀双掷,操作简单、可靠.

图1 变频器“一拖一”“手动”旁路方案示意图Fig.1 Converter bypass scheme of“ one-to-one” “ manual”control mode

3 控制逻辑

凝结水泵变频调速技术改造的另一个关键是对凝结水控制系统进行优化,基本思路是:变频器依靠转速控制除氧器水位,当凝结水管道的压力低于设定值时,调节阀参与调节,保证系统压力正常;备用凝结水泵B自动跟踪不同负荷段除氧器水位对应的调节阀开度,当凝结水泵A变频器故障退出时,首先让调节阀调整到一定的开度,再联动凝结水泵B,使系统的扰动降低.

(1)由于除氧器水位具有滞后及大惯性等特点,并存在时变性和不确定性等因素,为保证在负荷大变化、全过程运行中,不间断地投入除氧器水位自动控制,增加的凝结水泵A的转速控制自动回路与原调节阀控制一样采用三冲量调节.原除氧器水位调节阀控制全部保留,作为调节的后备手段,正常工况处于合适开度,以保证调节的灵活性[3].

(2)除氧器调节阀控制增加切手动的条件(凝结水泵A转速控制在自动状态),增加凝结水泵A跳闸启动凝结水泵B时(用凝结水泵连锁投入和凝结水泵A跳闸信号采用脉冲量),超驰关小调节门至一定开度,在阀门开度与设置指令相差在一定范围内(发脉冲量)时,将除氧器调节阀投入自动调节.

(3)在凝结水泵A启动允许条件中,增加凝结水泵A变频允许启动和凝结水泵A工频允许启动信号(只需其中之一条件满足即可).变频运行且变频故障就地有保护跳闸,DCS不增加此保护逻辑.

(4)当凝结水泵A变频运行时,凝结水压力下降较多,原凝结水泵A出口压力低且凝结水流量低Ⅱ值保护跳闸逻辑中的压力低定值需根据调试中所确定的、合理的工作压力进行修改.

4 经济性分析

文献[4]和[5]从流体机械的角度分析了变频改造后的耗电量,本文从电气的角度对耗电量进行了统计,以分析节能效果.

变频器经改造后,凝结水运行压力由原来的3.5 MPa降至1.5 MPa,两个调节阀门中一个保持全开,一个保持70%的开度.基于这种运行工况,稳定运行一段时间后,对变频器的经济性进行了统计分析.电厂4号机组与3号机组容量相同,凝结水泵的工作方式完全一样.表1为凝结水泵在变频器改造后的经济性分析.

表1 凝结水泵在变频器改造后的经济性分析Tab.1 Economical analysis for condensate pump after variable-frequency retrofit

在表1中,电流数据从6 kV断路器端统计,其中变频器的损耗包含在凝结水泵的损耗中一并考虑,从表1中的电流数据可以定性看出:机组负荷越低,变频器的节能效果越明显.表1中的耗电量是机组不同负荷率下的统计数据,由此可定量得出,变频器改造后一个月的电量比改造前节约了(1 031 040×0.82/0.78-713 760=370 154)kW ◦h,若考虑机组一年的平均负荷率为70%,则变频器一年的节能为(370 154×0.7×12/0.82=3 791 821)kW◦h,按照上网电价0.3元/(kW◦h)计算,则一年可节约(3 791 821×0.3=1 137 546)元.该台变频装置改造的全部投资为220万元,由此测算,投资回报2年即可实现,变频器的经济性能比较显著.

5 改造中的建议

(1)由于凝结水泵转子细长,调试中要注意寻找变频器的工作频率与泵体的固有频率之间的“共振区”,在控制策略上加以避开.

(2)电力电子器件对温度和环境比较敏感,应单独设置清洁小室供变频器使用,并做好散热措施.

(3)在变频器使用中,要认真做好事故预想和技术措施.在机组启动期间或在低负荷时应将除氧器补水调节投自动或手动,并保持变频器合适的输出以保证凝结水泵出口压力;运行中注意加强监视变频器调节情况,如当水位波动较大时,可退出变频器自动,将除氧器补水调节阀投自动[6];机组在突遇甩负荷时应及时将变频器自动切换至除氧器补水调节自动或手动,尤其在低负荷发生凝结水泵变频器故障跳闸,在备用工频凝结水泵自动启动或手动启动运行后,要及时关小除氧器补水调节阀,以防止发生除氧器满水事故.

(4)凝结水母管压力主要受给水泵密封用水和高压加热器保护用水等限制,建议可以通过加装给水泵密封水升压泵等措施[7],使阀门尽可能达到全开,确保能量损失最小.需要注意的是:在确定了节能最大状态后,与之相对应的控制策略和定值也要进行更改.

6 结束语

该厂凝结水泵变频器经改造后,系统运行十分稳定,不仅取得了显著的经济效益,而且凝结水系统控制性能良好,水位调节稳定可靠,大大降低了机组的故障率.

在这次凝结水泵变频器改造调试中,未曾最大限度地降低母管压力,有待今后作进一步探索和研究.

[1] 张皓,续明进,杨梅.高压大功率交流变频调速技术[M].北京:机械工业出版社,2006:46-47.

[2] 李俊,李建河,黄莉莉.凝结水泵加装高压变频器出现的问题及解决方案[J].热力发电,2008,37(12):96-98.LI Jun,LI Jianhe,HUANG Lili.Problems occurred from additionaliy installing high-voltage frequency converter onto condensate pumps and solving measures thereof[J].Thermal Power Generation,2008,37(12):96-98.

[3] 吴克锋,刘海东.凝泵电动机采用变频调速的控制策略[J].华东电力,2003,31(10):60-61.WU Kefeng,LIU Haidong.Contro l strategies for variable frequency speed regulation of condensate pump motor[J].East China Electric Power,2003,31(10):60-61.

[4] 程伟良,徐寿臣.电厂凝结水泵调节方式的经济性分析[J].华东电力,2004,32(8):10-13.CHENG Weiliang,XU Shoucheng.Economical analysis of controlling modes for condensate pump in power plant[J].East China Electric Power,2004,32(8):10-13.

[5] 程伟良,夏国栋,周茵,等.凝结水泵的最佳调节方案分析[J].动力工程,2004,24(5):739-743.CHENG Weiliang,XIA Guodong,ZHOU Yin.Optimized governing of condensate pumps[J].Journal of Power Engineering,2004,24(5):739-743.

[6] 张宝.凝结水泵变频改造调试与节能潜力挖掘[J].浙江电力,2008(5):33-35.ZHANG Bao.Variable-speed condensate pumps debugging and energy-saving potentialities exploiting[J].Zhejiang Electric Power.2008(5):33-35.

[7] 徐勇,周轶喆,张宝.凝结水泵变频改造后试运分析[J].发电设备,2008,22(3):241-243.XU Yong,ZHOU Yizhe,ZHANG Bao.Commissioning of a retrofitted condensate pump by frequency conversion technology[J].Power Equipment,2008,22(3):241-243.