火电厂中凝结水泵应用变频技术的节能分析

刘增远，康 博，张同亮

(1. 西北电力设计院，陕西 西安 710075；

2. 国电巴楚发电有限公司，新疆 巴楚 843800)

火电厂中凝结水泵应用变频技术的节能分析

刘增远1，康 博1，张同亮2

(1. 西北电力设计院，陕西 西安 710075；

2. 国电巴楚发电有限公司，新疆 巴楚 843800)

根据火电厂凝结水工艺系统的特点，本文提出了凝结水泵电机采用变频调速技术的系统设计原则。在此基础上，分析了一拖二带工频旁路方案的三种典型接线形式，梳理了除氧器水位控制逻辑和变频调节的控制策略。最后以某电厂凝结水泵变频调速系统为实例，研究了变频调速系统运行方式和安全工作方式，分析了节能效果。分析结果显示，凝结水泵变频调速技术可以大大的节约能源，取得很好的经济和社会效益，值得在火力发电厂中大面积推广。

凝结水泵；变频调速技术；节能；设计；发电厂。

1 概述

随着全球经济的日益发展，人均能耗不断升高，节能降耗成为越来越重要的课题。目前，我国火电厂中泵与风机的运行效率比世界发达国家水平大约低20%，研究一种先进的节能降耗技术毫无疑问可以有效推进我国的节能降耗工作。

火电厂中凝结水泵的变频调节方式与挡板或阀门调节方式有着非常突出的优点：首先变频装置响应的速度很快，可以随时根据现场的变化而灵活调整，其次避免了节流损耗，起到了节能降耗的作用。除此之外，因为阀门或出口挡板不起调节作用，可以提高其使用寿命，因此，各种变频装置在火电厂中凝结水泵的节能应用越来越广泛。

2 凝结水工艺系统简介

火电机组凝结水泵的作用是把凝汽器热井中的凝结水经低压加热器打入除氧器，既维持凝汽器热井水位稳定又保证除氧器中的水量，既要满足生产工艺要求又不能造成电能的浪费，因此，保证凝结水泵的安全可靠运行显得至关重要。

火力发电厂中，凝结水泵的配置一般有三种：

(1)2×50%配置，50%容量的泵在50%THA及以下1台泵运行，50%THA以上2台泵运行。

(2)2×100%配置，100%容量的泵始终一台运行，一台备用。

(3)3×50%配置，50%容量的泵在50%THA及以下1台泵运行，50%THA以上2台泵运行，一般情况下两台运行，一台备用。；

图1为典型的2×100%配置方案凝结水系统简图

发电机运行时，凝结水调节阀开度见表1。由该表可看出，凝结水泵电机长期处于重度节流状态，会造成大量电能浪费，使用效率非常低。

表1 轻负荷下的凝结水调节阀开度

3 凝结水泵电机采用变频调速技术的系统设计原则

根据工艺系统配置特点，凝结水泵电机采用变频调速技术的系统可按如下原则设计：

(1) 当工艺系统为2×50%配置时，变频调速系统一般采用一台变频装置拖动一台电机的一拖一方式，宜配置工频旁路开关。

(2) 当工艺系统为2×100%配置时，变频调速系统可采用一台变频装置拖动两台电机的一拖二(带工频旁路)方式，也可采用一台变频装置拖动一台电机的一拖一(不带工频旁路开关)方式。

(3) 当工艺系统为3×50%配置时，变频调速系统可采用一拖一(带工频旁路)+一拖二(带工频旁路)方式，也可3台全配一拖一(不带工频旁路)方式。

4 凝结水泵电机变频调速系统设计方案分析

4.1 电气设计方案分析

总体来说，凝结水泵电机变频调速系统设计方案可分为一拖一带工频旁路方案和一拖二带工频旁路方案两种，一拖一带工频旁路方案较为简单，下面主要介绍一拖二带工频旁路方案。

一拖二带工频旁路方案按电气系统不同配置组合方式一般有以下三种典型接线：

典型接线一采用三台母线上馈线开关、四台变频系统切换开关和一台高压变频装置组成，两台凝结水泵以工频运行时分别接在不同高压工作段上，以变频运行时只能从固定的一段取电源。工频、变频的切换集中在切换开关柜处，正常运行时不需操作母线上馈线开关。

典型接线二采用三台母线上馈线开关、两台变频系统切换开关和一台高压变频装置组成，节省两台接触器，功能与方案一基本 相同。但工频、变频的切换需操作母线上馈线开关，存在变频控制系统与厂用电源控制系统的接口。

典型接线三采用两台母线上馈线开关、六只切换开关组成。两台凝结水泵工频、变频运行时均分别接在不同高压工作段上，便于高压系统负荷平衡，工频、变频的切换集中在切换开关柜处。由于切换开关数量较多，当需要节约投资时也可采用刀闸，但由于刀闸不能带负荷操作，故需断开断路器进行切换操作，切换复杂。

由于在工频与变频之间切换时需先调节阀门开度再进行切换，以防止直接切换时出力变化大对工艺系统造成的冲击，同时大部分制造厂在工频与变频自动切换时的同步问题解决存在较大困难，故对于工频与变频之间的切换大部分采用手动切换。

图2为一拖二带工频旁路方案三种典型接线图对比。

图2 一拖二带工频旁路方案三种典型接线图对比

4.2 除氧器水位控制逻辑分析

控制除氧器水位在期望的数值是发电机运行监控的重要内容之一。未采用变频调速方案时，如果凝结水流量小于30%时，T1切换装

置切换至N侧，除氧器水位的调节方式改为单冲量调节方式，控制器PID1直接调节调节阀开度数值；如果凝结水流量大于30%时，T1切换装置切换至Y侧，调节方式改为三冲量调节方式，控制器PID2的输出信号和凝结水流量信号，两者综合可作为控制器PID3的输入值，与实际的凝结水流量相比，经运算后，由其输出信号调控调节阀的开度数值。采用凝结水泵变频调速方案后，将三冲量信号输出到变频装置，再经变频装置内置的控制单元调节信号频率和电压，这样就可以起到控制凝结水泵电机转速的作用，实现对除氧器水位的无级调节。凝结水泵电机变频调速方案除氧器水位控制逻辑见图3。

图3 是否采用变频调速方案时的除氧器水位控制逻辑对比图

5 某火电厂凝结水泵变频调速系统设计方案论证

某火电厂一台发电机组配置两台100%凝结水泵，机组正常运行时一台凝结水泵运行，另一台凝结水泵备用；一旦运行的凝结水泵发生故障，供电系统就会自动启动备用泵，这样就保证了发电系统的安全连续运行。同时，考虑到凝结水泵长期运行的安全性和可靠性，两台凝结水泵一般应按月交替使用，这样可以方便定期检修。

根据上文的分析，该火电厂凝结水泵变频调速系统宜选用一拖二带工频旁路方案，选用较为常用的典型接线二，见图4，变频装置电源与凝结水泵A的工频电源来自同一段母线，变频装置输出通过两个相互闭锁的断路器(QF4和QF5)进行切换就能实现两台泵的正常运行。

5.1 凝结水泵运行方式

(1)凝结水泵A变频调速运行；凝结水泵B处于工频备用状态

正常运行时，变频装置电源断路器(QF2)和凝结水泵A变频装置出口断路器(QF4)处于闭合状态，其他断路器均断开，凝结水泵B处于工频备用状态。当凝结水泵A运行到最大转速但还不能满足现场实际要求时，系统自动以工频方式启动凝结水泵B，调节凝结水泵阀门，待稳定后系统将凝结水泵A转入变频调速运行。当凝结水泵A变频运行遇到故障时，可通过故障信号自动将凝结水泵B以工频方式启动，以调节凝凝结水泵阀门。

图4 某火电厂凝结水泵变频调速一次系统图

(2)凝结水泵A变频调速运行；凝结水泵B处于工频备用状态

运行方式与(1)所述运行方式相同，这里不再赘述。

5.2 安全工作方式

(1)凝结水泵A工频断路器(QF1)与凝结水泵A变频切换断路器(QF4)相互闭锁；凝结水泵B工频断路器(QF3)与凝结水泵B变频切换断路器(QF5)相互闭锁；凝结水泵A变频切换断路器(QF4)与凝结水泵B变频切换断路器(QF5)相互闭锁。

(2)变频装置电源断路器(QF2)与凝结水泵A工频断路器(QF1)对应的接地刀(图中未示出)相互闭锁；变频装置电源断路器(QF2)与凝泵B工频断路器(QF3)对应的接地刀(图中未示出)相互闭锁。

(3)变频装置电源断路器(QF2)与凝结水泵A工频断路器(QF1)不用相互闭锁；变频装置电源断路器(QF2)与凝结水泵B工频断路器(QF3)不用相互闭锁。

(4)变频装置正常或故障停机后变频装置先切断QF2，然后连跳QF4和QF5；QF4和QF5发生故障后，DCS发出信号连跳QF2。

5.3 节能计算与分析

为了对比采用变频调速系统和未采用变频

上网电价按照0.35元/kWh计算，每年可节约电费约为216.44×0.35=75.754(万元)。按照这样计算，凝结水泵电机采用变频调速技术方案的投资回收期为：总投资额/年节约电费=200/75.754=2.64(年)。

其中，总投资额包括变频装置、电缆等材料费用，UPS电源和施工费用等。

由此可见，对凝结水泵电机采用的节能方案，在运行中可取得可观的经济效益。根据分析来看，机组负荷率越低，取得的经济效益就越高。因此，机组新建扩建和老机组改造工程中，变频调速技术将在节省能耗方面具有广阔的应用前景。

6 结语

本文较为系统的研究了凝结水泵电机采用变频调速技术的节能设计方案。并以某火电厂调速系统两种方案的能耗，本文对上文所述某火电厂和未采用变频调速系统的同类型发电厂进行了调研，绘制了在相同负荷条件下，工频与变频运行的实时功率和额定功率见图5。图中，纵轴PD为凝结水泵正常运行时的功率，横轴PL为机组容量，PDN为电机额定功率，PD1和PD2分别为工频和变频即时功率。

图5 凝结水泵在相同机组负荷时工、变频运行的即时功率

根据图5中凝泵在相同机组负荷时工、变频运行的即时功率，考虑到表1中不同机组负荷条件下分布时间的比值，每年的运行时间按7000h计算，采用变频调速系统方案比未采用变频调速系统方案每年的节电量可按下式计算：变频调速系统为实例，阐述了凝结水泵变频调速系统的运行方式和安全工作方式，对该电厂的变频调速系统进行了节能计算与分析，分析结果显示，每年可节约电费75.754万元，投资回收期仅为2.64年。

可见，基于本文所述系统设计方案，对火电厂凝结水泵应用变频调速技术，从长期机组运行来看，可以大大的节约能源，取得很好的经济和社会效益，值得在火力发电厂中大面积推广。

[1]张承慧，程金，夏东伟，等．变频调速技术的发展及其在电力系统中的应用[J]．热能动力工程，2003，18(5).

[2]曹乐敏．莱城电厂凝结水泵一拖二变频调速改造[J]．山东电力高等专科学校学报， 2003，(4)．

[3] DLT5153－2002， 火力发电厂厂用电设计技术规定[S]．

[4]韩安荣．通用变频装置及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2012．

Energy saving Analysis of Frequency Control Technology Used in Condensate Pump Motor of Power Plant

LIU Zeng-yuan1, KANG Bo1, ZHANG Tong-liang2
(1. Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 710075, China；
2. Guodian Bachu Power Generation Co.,Ltd., Bachu 843800, China)

According to the characteristic of condensate system, the system design principle of frequency control technology used in condensate pump motor is delivered. On this basis, three typical connection forms of onefrequency-converter-two-motor with power frequency bypassing are analyzed. The control logic of deaerator water control and the control strategy of variable frequency regulation are carded. Finally, take the frequency control system in a certain power plant for example, the operation mode and safety working mode in frequency control system are researched, and the energy conservation effect is analyzed. The analysis result shows that Frequency Control Technology Used in Condensate Pump Motor can save energy to a large degree and Achieve good economic and social benefits. This technology deserved to popularize in thermal power plant.

condensate pump; frequency control technology; energy conservation; design; power plant.

TM621

B

1671-9913(2014)03-0036-05

10.13500/j.cnki.11-4908/tk.2014.03.008

2013-10-01

刘增远(1967- )，男，陕西西安人，硕士研究生，高级工程师，注册电气工程师，注册监理工程师，主要从事发电厂电气设计方面的工作。