火电厂中凝结水泵变频技术研究

山东省邮电规划设计院有限公司 于惠莉 山东电力工程咨询院有限公司 王志垲

1 火电厂凝结水泵工艺系统简介

1.1 凝结水泵介绍

在火电厂中，经锅炉加热水后，水从液态变成饱和蒸汽，并向汽轮机输送，汽轮机对其实施作业之后将饱和蒸汽排入凝汽器，此时的蒸汽也被称作乏汽，乏汽经循环冷却之后变作凝结水，此时水的温度在40℃左右，当凝结水传送到凝汽热井时，会分为左右两路来传送，凝结水经过凝结水泵升压之后，会顺着出口管道来输送，先后流到凝结水调节阀以及低压加热器之后进入除氧器，此时的水经过高压加热器向锅炉汽包进行输送，进入到锅炉汽包的水又经过锅炉的加热变作高压高温的饱和蒸汽，后被输送到汽轮机内，转化成乏汽回到凝汽器不断循环和往复。

通过以上输送流程可了解到：除氧器、低压加热器以及凝结水泵是凝结水系统的主要设施，凝结水泵除了对凝结水进行输送之外，也会向定子冷却水箱定期补水。凝结水调整门和除氧器调整门是凝结水系统两个主要的阀门，其中凝结水调整门发挥的功能如下所示：一方面会调整凝结水泵出口水流量和压力，另一方面能对凝结水热井水位加以保障，满足凝结水泵的入口压力。除氧器调整门主要作用是参照机组对凝结水的需求，向除氧器来输送凝结水，以上两个主要的阀门通过彼此的协作，实时调整凝结水流量。在系统正常运作时会关闭凝结水调整门，利用除氧器调整门对凝结水量做出调节。

除此之外，保障除氧器和凝汽器液位的稳定是凝结水泵的另一关键作用。除氧器与凝汽器液位会随着机组负荷的变化而变化，在实际运作期间会对除氧器上水调门加以调整，来控制凝结水流量的平衡。在调节除氧器上水调门上，如幅度过大会降低凝汽器水位，升高除氧器水位。基于此，要对除氧器上水调门做出合理的调节[1]。

1.2 凝结水泵工艺系统

离心式水泵是我国一些火电厂应用的凝水泵，在水泵正常运转时，叶轮受到电动机驱动的引导高速旋转，液体进入叶轮之后，随着不断的旋转，产生离心力，同时液体会受到离心力的作用，被甩向叶轮外围区域产生能量，在离开叶轮进入泵壳之后，液体的速度有所降低，其中部分动能会转化为静压能，一些具备较高静压能的液体会在水泵出口对外排出，在水泵运转期间，一些液体被甩出叶轮，与叶轮中心部位形成低差，低差和吸入口形成压差，在压差的影响下，叶轮的吸入口会不断的吸入液体。利用低压加热器将凝结水打入除氧器，保障除氧器水量充足，满足现实的工艺需求，在不浪费电能的同时，起到节能降耗的作用是火电厂凝结水泵建设的主要目的[2]。

火力发电厂凝结水泵的配置包含以下几种：第一，2×50%配置；第二，2×100%配置；第三，3×50%配置。据相关资料显示：火电厂凝结水泵电机长时间处于重度节流的状态，此举不但浪费了电能，也让凝结水泵具备较低的应用效率，所以善用变频技术、保障水泵发挥节能降耗的作用是火电厂最应关注的问题。

2 火电厂中凝结电泵应用变频技术的研究——以具体方案为例

2.1 工程概述

以A公司两台凝结水泵为研究主体，机组配备的凝结水泵正常运作时，一台运作，一台备用，凝结水具有的流量大小与汽轮机负荷呈现直接关系，定速运行是凝结水泵的运行原理，所以控制阀门会跟随机组对出口流量进行负荷调节。节流损失较大，具备较高的出口压力，凝结水泵运行效率不高，再加上在阀门控制上，会应用电动机械对其结构进行调整，调整性能不佳，具备较差的线性度。各部门对设备和阀门维修频次不高，某种程度上也影响了凝结水泵作用的发挥。在此背景之下，A公司对凝结水泵做出了变频技术改造，希望可以获取较多的经济和社会效益。表1是凝结水泵和电动机相关的技术参数。

表1 凝结水泵和电动机相关的技术参数

2.2 变频技术改造方案

2.2.1 应用的变频改造技术

本方案坚持可靠，安全的原则，在变频技术改造期间，对其中一台凝结水泵加以改造，另一台保持原状不变，通过试验选择具备较高的安全性能的ACS800变频器方案，并在此基础上对凝结水泵电机加以更换，不但可以提高电动机运行效率，也可以达到节能降耗的目的。

ACS800变频器包含了变频器的常规功能，并应用了DTC技术，具备的优势如下所示：DTC具备较强的磁通优化能力和速度转矩控制特点，变频器的主要控制变量是转矩和定子磁通，并在改造方案中结合了电机软件模型和数字信号处理器，可保障电机每秒更新4万次。同时，因不存在固定的开关频率驱动，所以电机在运作期间不会产生高频的噪声。在几毫秒时间内，ACS800就能对电机的状态加以检测，具备较佳的自启动性能。IGBT应用了光纤触发技术，抗干扰和安全可靠性能较高，在恶劣的环境下也可应用。

2.2.2 电气主接线和应用的主设备

第一，应用变频技术的接线方式和运作模式。针对改造的凝结水泵，对其进行变频技术应用，将其电动机额定电压由原来的6kV降低到690V，保持电动机容量和电源开关不变。图1是凝结水泵电机变频控制的接线图。在正常运行模式下，关上凝结水泵开关，此时电动机会被变频器所带动加以转动。在工频运行模式下，合上开关，此时电动机会被旁路软启动器限流所带动加以转动。在启动结束之后合上接触器，工频会带动电动机的运作。

图1 凝结水泵电机变频控制的接线图

第二，应用的主设备和设备配置情况。选择干式变压器来作为变频变压器，变压器具有超温报警的功能，在正常运行时，变频变压器分接开关位置处于四到五档。选择的凝结水泵电动机参数型号如下所示：额定功率为430kW，额定电流为450A，额定电压为690V，型号为Y400-4，会应用STR数字式交流电动机软启动器，该启动器应用了电子电力技术，对传统电动机软启动器电流，电压突变等问题予以改善。其型号信息如下所示：额定电压为660V，额定功率为450kW，点动控制限流启动是其启动模式，具备过载、过热、过流保护功能。

2.2.3 凝结水泵控制逻辑和变频器功能设置

凝结水泵控制系统的设计原理如下所示：为保障除氧器水位和凝汽水位的平衡，会应用凝泵变频器来操作：H-SPH＞L-SPL时，降低变频器的输出，反之，要增加变频器的输出；H为除氧器水位，SPH为除氧器水位设定值，L为凝汽器水位，SPL为凝汽器水位设定值；为对除氧器水位平均高度加以控制，会采用化补水等方式来实施，如下所示：H+L＞SPH+SPL时降低化补水流量，反之增加化补水流量。为保障凝结水泵变频器可以发挥作用，正常运行，会实施以上控制对策。对回路设计切换器加以控制，系统在变频器运作停止或出现故障问题时会退出变频自动控制，转化为初始设计的控制系统。

在对凝结水母管进行压力控制时，利用除氧器进水调节阀将凝泵变频器及其压力维持在一定的范围之内，系统在凝结水泵变频器运作停止或出现故障问题时，会退出变频自动控制，转化为初始设计的控制系统。变频器功能设置如下所示。

变频器具备欠压功能，如在变频系统中输入电压跌落，直流回路电压跌落到80%时，变频器会发挥欠压功能，借助负载具备的惯性，引导电机旋转，电动机感应电势能向中间直流回路续流能量，当电压跌落到70%时，变频器发挥作用对外进行欠电压的报警，变频器停机标准是直流电压低于65%。为保障变频期正常操作，在变频中输入电压，将其恢复正常，即可让变频器恢复正常的运行。10s是变频器断电后再启动的初始化时间，3ms是转矩阶跃响应的时间。在结构设置上，变频器采用了电压源型逆变器拓扑结构，应用了IGBT大功率的元器件，此器件属于单管结构，无需进行串并联。

同时，在变频器中应用了DTC控制技术，转矩和电机磁通直接控制逆变器的开关状态，电机模型的输入即测量的电机电流和直流电压，此模型在运作期间每25us会产生精确的磁通和转矩值，转矩比较器会比较实际值和转矩的给定值，同时磁通比较器也会对比磁通的现实值与给定值，对上述输出值进行计算，来明确逆变器的最佳开关状态。

3 火电厂凝结水泵运行效果和取得的经济效益

在凝结水泵系统改造之前，在控制凝结水流量大小上会结合机组的负荷情况对凝结水阀门开度进行调整。而在实施变频改造之后，全开控制阀门，对变频输出加以控制，以此改变凝结水泵电机的转速，保障水流量可以符合预期，此方案的设计具备调节简便，节能降耗的优势。

3.1 运行效果分析

应用变频技术做出方案改造，可以让相关人员更平稳的对流量加以调节，也提高了系统调整控制的自如性。对自动控制系统的实际运作加以改善，提升了系统的自动调节性能，完善了调节的品质，在凝结水泵系统中应用变频技术。保障冷却水流量和出口压力符合现实工艺的需求。随着机组负荷的变化，也可以保障凝结水泵调节相应的输出功率，明显降低了凝结水泵的单耗，达到节能目的。

与此同时，尽可能降低因阀门开度调节导致的压力损失，对提高系统运作效率有现实意义，改造的变频器具备软启动和保护电动机的功能，不但减少了启动电流设备受到损坏的概率，一定程度上也延长了设备的应用周期。应用了变频技术之后，降低了轴承密封损坏和磨损的概率，也降低了火电厂维修成本和维修工作量。同时，系统在改造过后大幅度降低了电动机振动产生的噪声。

3.2 经济效益分析

此变频改造费用大约为98万元，现对改造前后信息做出对比，如下所示：430kW是电动机的输出功率，每年运转8000h，其中4000h处于85%的流量，4000h处于70%的流量。

基于传统阀门调节形式之下，运作信息如下所示：当流量Q处于85%时，功率信息即97%×430kW=417.1kW；当流量Q处于70%时，功率所需即94%×430kW=392.1kW；整年消耗的电量信息为（417.1kW+392.1kW）×4000h＝3236800kWh。在变频改造状况下，运行信息如下所示：流量Q处于85%时，功率所需67%×430kW=288.1kW；流量Q处于70%时，功率所需51%×430kW=219.3kW；全年消耗的电量信息为（288.1kW+219.3kW）×4000h＝2029600kWh。综上所述，整年节能效果为3236800-2029600＝1207200kWh，所以具备非常明显的节能效果。

4 结语

在凝结水泵机组中应用变频技术，实施变频改造具有节能降耗的作用。本课题以具体的案例为研究对象，对凝结水泵实施变频改造，在电气主接线应用设备、变频器功能设置和凝结水泵控制逻辑上做出针对性的研究，分析改造前后取得的经济效益和节能效果，通过实际分析了解到改造工程整年节能效果明显。同时，实施变频技术延长了设备的应用寿命，降低了设备磨损的概率，也降低了火电厂维修工作总量。

与此同时，实施变频改造也能降低电动机振动产生的噪声，将最大电流控制在有效的范围之内，所以对于我国火电厂来说，有必要在凝结水泵机组中大规模的推广变频技术，火电厂也要加大变频技术的研发和应用力度，为节约能源，取得经济效益奠定坚实的基础。