循环软启动变频调速在300 MW汽轮机组给水泵上的应用

崔寅

摘 要：分析了循环软启动变频调速在300 MW汽轮机组给水泵上的具体应用，重点介绍了一拖三循环软启动变频调速系统结构下实现给水泵电机软启动和变频调速的运行方式。通过对比，总结了采用变频器进行给水泵电机控制在经济性和稳定性等方面的优势，以期促进该技术的应用和推广。

关键词：汽轮机；给水泵；锅炉；热电厂

中图分类号：TM311 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.129

近年来，新建设的城市供热机组多采用额定容量为300 MW的抽气式汽轮机组，300 MW的抽气式汽轮机组的主给水泵系统通常为3台50%额定容量的电动给水泵或2台30%额定容量的气动给水泵+1台50%容量的电动给水泵。在我国已经投入运行的热电厂中，采用的给水系统调节方式和给水泵电机调速方式不尽相同。作为热电厂重要的辅助设备和耗能设备，必须保证给水泵运行的稳定性和经济性，以淘汰高耗能设备，并引入新技术、低能耗节能型设备。在新建热电厂和旧热电厂改造过程中，应大力推广循环软启动变频调速方案，采取300 MW汽轮机组给水泵调节替代小汽轮机调节和液力偶合器调节。

1 主给水系统的调节方式

锅炉主给水系统的主要功能是为锅炉汽包输送压力、温度和水质合格的水，并维持锅炉汽包水位处于规定范围内。主给水系统担负着保障锅炉供水质量和维护锅炉安全运行的任务，是重要的热工系统之一。通常情况下，主给水系统的电动给水泵分为定速给水泵和变频调速给水泵两种。

1.1 定速给水泵调节系统

定速给水泵调节系统是在保持给水泵特性曲线固定的情况下，通过改变主给水调节阀门开度来控制主给水管道阻力特性曲线，从而改变主给水泵的工作点。处于定速运行的给水泵电机运行过程中的能耗损失大，应淘汰该技术。

1.2 变速给水泵调节系统

变速给水泵调节系统可在主给水调节阀门全开、管道阻力特性曲线固定的条件下，通过改变电动机供电频率调节电动机转速，从而调节供水流量。变速调节系统可按照原动机不同分为气动和电动两种。其中，气动给水泵的原动机为小汽轮机，小汽轮机控制系统可接收到供水系统输出的供水流量、压力和水位等信号，并作用于小汽轮机的进气阀门，根据系统的供水需求调节小汽轮机阀门开度，进而控制进气量，最终实现对给水泵转速的调节。

电动给水泵可根据速度调节单元的不同分为液力耦合器调速和变频调速两种。其中，液力耦合器的能量传输介质为油，驱动泵轮与涡轮之间通过油进行转速传递，液力耦合器主要通过改变机构充油量来调节涡轮转速；相比其他技术，变频调速更加先进，其原理是改变电动机供电电源的电压值和频率值，从而调节异步电动机的转速，变频调速系统在接收到给水系统的调节信号后，可通过调整电源电压和频率值来满足系统对电动机转速的要求。

2 300 MW汽轮机组给水泵的变频调速方案

液力偶合器调速与变频调速的最大区别在于系统结构，使用液力偶合器调速必须采用单台液力偶合器调节单台给水泵；当使用变频器调速时，使用1台变频器便可实现对2台100%额定容量的给水泵或3台50%额定容量的给水泵的变频调速和软启动功能，且系统结构更加简化。

2.1 一拖三循环软启动变频调速方案

300 MW汽轮机组通常需要配置3台50%额定容量的电动给水泵，并采用两用一备的设备运行方式。3台电动给水泵的软启动和变频调速均通过1台变频器实现，即一拖三循环软启动变频调速系统。采用一拖三的方式，仅使用1台变频器即可控制3台电动给水泵，提高了变频器的利用效率，同时，实现了给水泵电机的软启动和变频调速。采用一拖三的方式运行时，当锅炉机组滑启或机组负荷降至额定负荷的50%以下时，只需要投入1台给水泵并采用变频调速的方式运行；当锅炉机组负荷达到额定负荷的50%以上时，需要投入2台给水泵，其中一台为工频运行方式，且所带的固定流量由锅炉机组的汽包压力、汽包水位到给水泵水柱高度和管道阻力共同决定，另外一台选择变频运行方式，主要负责调解给水流量，从而控制锅炉水位。

2.2 工频、变频的同步切换

实现1台变频器控制3台供水泵软启动和变频调速的关键技术是工频、变频的同步切换。只有在同步切换的前提下，才能确保锅炉机组运行过程中供水的连续性。处于变频调速工作状态的供水泵在向工频运行状态切换的过程中不能出现瞬间失电，在实现切换的过程中不能先断开变频开关，再合上工频开关。运行中的1#给水泵和1#给水泵工频电源可并列运行，在完成工频电源合闸后再进行变频电源分闸。在此过程中，给水泵实现了从变频运行状态到工频运行状态的不停电切换。此外，实现同步切换必须使用PLC控制器和同步切换系统。其中，同步切换系统的主要功能是实现运行中的变频调速系统与工频电源系统的自动准同期操作，并使两个系统的电压幅值相等、相序相同、频率差不超过0.5 Hz。同步切换软件检测到两个系统的相位差小于额定值后会发出控制指令，控制对应节点闭合，从而进行合闸操作，并检测采集到的运行状态。当判断工频电源合闸成功后切除变频电源，最终实现两个电源的平稳切换。

2.3 一定一并并列运行原理

通过1台定频运行给水泵与1台变频调速运行给水泵的并列运行保持给水扬程是可行的。300 MW汽轮机组给水泵的调节主要是在保持汽包压力一定，同时，保持在主给水调节门全开的条件下对给水泵进行速度调节，从而控制给水泵的给水量，实现对锅炉汽包水位的控制。当锅炉处于启动过程和机组负荷降至额定负荷的50%以下时，只需投入1台给水泵变频运行即可满足供水要求；当锅炉机组负荷达到额定负荷的50%以上时，单台给水泵无法满足供水要求，需要再启动1台给水泵——原先变频运行的给水泵需要切换到工频状态，维持固定给水流量和扬程；新启动的给水泵通过变频器软启动并投入到变频运行状态，继续调节流量，从而调节锅炉水位。

相关工作人员需要按照以下原则考虑运行中的2台供水泵：①工频运行的给水泵应在最佳工作点保持固定的给水量，工频定速运行的给水泵特性曲线和扬程曲线的交点即工频给水泵运行的最佳工作点，此点对应着工频给水泵的流量值；②变频给水泵需要根据工作点调节流量，同理，通过变频调速给水泵的特性曲线和运行扬程曲线的交点可确定变频调速给水泵的工作点，此点对应着变频给水泵的流量值。2台给水泵流量值之和即锅炉给水总流量。

2.4 一拖三循环软启动变频调速水泵的特点

使用变频器实现电动给水泵的软启动和变频调试具有诸多优点，主要包括以下6方面：①给水泵电机实现了变频启动，大大降低了电机的启动电流，缩短了电机从启动到稳定运行的时间，减小了电机启动对配电网设备的冲击；②运行中的给水泵电机可实现无极调速，调速精度可控制在0.01 Hz以内，调速过程中不会发生丢转现象；③采用变频器后电机的运行效率可以达到98%，同时，提高了电动机运行的功率因数，降低了损耗，节约了电能；④变频器具有通讯接口，可通过工业网络接入DCS系统，实现供水泵电机的启停、闭锁、联锁、开闭环、手自动选择等自控功能；⑤变频器自身配置的保护功能完善，能自动检测过电流、过电压、欠电压、单相接地、过载、电机温度高、冷却风机故障停机等故障信号，从而起到保护电机的作用；⑥变频器的使用寿命长，投入运行后发生故障的概率较低，后期基本不需要进行额外的检修和维护工作。

3 结束语

变频调速作为技术成熟的先进电机调速技术，在工业生产中得到了非常广泛的应用，使用变频器实现大电机的软启动和变频调速能提高电机运行的可靠性、稳定性和经济性。目前，火力发电厂使用的大电机基本都采用了变频调速系统，特别是选择变频器实现了锅炉主供水泵电机的一拖三运行后，大大提高了锅炉给水泵的运行效率，此方案是锅炉供水的最佳选择。

笔者结合实际工作经验，介绍了汽轮机锅炉变频调速系统的结构和调速方式，以期推动热电厂锅炉给水系统节能运行的发展，降低热电厂的生产能耗，为企业赢得更大的经济效益和社会效益。

参考文献

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〔编辑：张思楠〕