科陸CL2700高壓變頻器在發(fā)電廠循環(huán)水泵上的應(yīng)用

　　內(nèi)蒙古某發(fā)電廠總裝機(jī)容量為4×300MW。每臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)循環(huán)水泵，其出口調(diào)節(jié)門采用蝶閥，只有全開全關(guān)2個(gè)位置，冷卻水流量調(diào)節(jié)采用開泵臺(tái)數(shù)進(jìn)行控制。由于季節(jié)變化及晝夜的溫度差異，時(shí)常出現(xiàn)開1臺(tái)泵流量不夠，開2臺(tái)泵流量過大的情況。由于采用這種原始的調(diào)節(jié)方法，汽輪機(jī)的真空度不穩(wěn)定，不能保證汽輪機(jī)在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式下運(yùn)行，同時(shí)浪費(fèi)了大量電能和水資源，致使廠用電率高，供電標(biāo)煤耗高，發(fā)電成本不易降低。選擇合適的調(diào)速方式對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行節(jié)能改造成為當(dāng)務(wù)之急。為了進(jìn)一步適應(yīng)廠網(wǎng)分開、競價(jià)上網(wǎng)的電力體制，進(jìn)一步節(jié)約能源，降低廠用電率，保護(hù)環(huán)境，簡化運(yùn)行方式，減少轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的磨損，我廠決定采用深圳市科陸變頻器有限公司生產(chǎn)的CL2700系列6kV/1800kW高壓變頻器，對(duì)1#發(fā)電機(jī)組循環(huán)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造。

2 循環(huán)水泵參數(shù)和工況特點(diǎn)

　　#1發(fā)電機(jī)組配置2臺(tái)循環(huán)水泵，循環(huán)水泵有關(guān)參數(shù)如下：

　　型號(hào)：1600HB立式斜流泵

　　流量：Q=18500m3/h

　　揚(yáng)程：H=18.2m

　　額定轉(zhuǎn)速：370rps

　　配套電機(jī)：YL1800-16

　　匹配功率;1800kw

　　額定電流：223A

　　額定轉(zhuǎn)速：375rps

　　內(nèi)蒙古某發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組采用閉式循環(huán)水系統(tǒng)。補(bǔ)給水經(jīng)化學(xué)弱酸陽離子交換器處理后的軟化水。循環(huán)水泵采用單元制供水系統(tǒng)，即每臺(tái)機(jī)組配1座冷卻塔，1條壓力循環(huán)水管，1條雙孔自流水溝和2臺(tái)循環(huán)水泵，在正常運(yùn)行工況，每臺(tái)機(jī)運(yùn)行2臺(tái)循環(huán)水泵。冷卻水塔采用風(fēng)筒式逆流自然通風(fēng)冷卻塔，通風(fēng)筒為雙曲線旋轉(zhuǎn)殼。在循環(huán)供水系統(tǒng)中，是由循環(huán)水泵實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用的。經(jīng)熱 交換后的熱水進(jìn)入冷卻設(shè)施進(jìn)行冷卻，使其水溫降至允許值，然后又重復(fù)將冷卻水輸入凝汽器而循環(huán)使用，由于系統(tǒng)水位基本上是穩(wěn)定的，故循環(huán)水泵的揚(yáng)程也基本穩(wěn)定，而其容量按計(jì)算水量確定。

　　循環(huán)水泵隨機(jī)組長期連續(xù)運(yùn)行，由于機(jī)組負(fù)荷經(jīng)常變化，需要及時(shí)調(diào)整循環(huán)水流量，以保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。即使在同一負(fù)荷的情況下，不同的外部環(huán)境也使得循環(huán)水流量的需求不同。利用高壓變頻器根據(jù)實(shí)際需要對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行調(diào)速控制，從而既保證和改善運(yùn)行工藝，又可達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3 汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式與循環(huán)水泵流量的控制

　　目前汽輪機(jī)的真空度主要依靠調(diào)節(jié)冷卻水流量來控制，為提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，由于真空度提高汽輪機(jī)功率的增量△N1應(yīng)大于為增加循環(huán)水量所多消耗的功率△N2，顯然，汽輪機(jī)的最有利真空Peco（經(jīng)濟(jì)真空）應(yīng)位于凈增功率△N=△N2-△N1的最大值處，此

　　時(shí)汽輪機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，如圖1所示。

　　圖1中Dw為冷卻水量，P為汽輪機(jī)的凝汽器真空，△N為功率差值，△N在冷卻水量比較小的時(shí)候隨冷卻水量的增大而增大，到a點(diǎn)達(dá)到最大，如果再進(jìn)一步增大冷卻水流量，△N反而開始減小，直至為零。但到達(dá)c點(diǎn)時(shí)，汽輪機(jī)的膨脹能力已達(dá)到極限，汽輪機(jī)功率不會(huì)再增加，c點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的真空成為極限真空。從圖1中可以看出，由a點(diǎn)引等水量線與凝汽器壓力線相交的b點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的真空Peco就是最有利真空，a點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的冷卻水量Deco就是最佳冷卻水量。通過確定汽輪機(jī)的最有利真空，并以此為依據(jù)來控制冷卻水流量，使汽輪機(jī)的排氣壓力盡量維持最有利真空位置，以保證機(jī)組在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式下工作。

　　最有利真空的實(shí)現(xiàn)是靠調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水的流量，由機(jī)組DCS控制循環(huán)水泵的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和運(yùn)行轉(zhuǎn)速，控制循環(huán)水流量使汽輪機(jī)的真空度維持在最有利真空位置，保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。水泵的速度調(diào)節(jié)控制是汽輪機(jī)最有利真空控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，利用變頻器對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行速度控制，運(yùn)行方式為“一變一定”。

4 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，為變頻器同時(shí)加裝工頻旁路裝置，當(dāng)變頻器因故障而退出運(yùn)行時(shí)，電機(jī)可以直接手動(dòng)切換到電網(wǎng)工頻運(yùn)行，工頻旁路由3個(gè)高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成（見圖1，其中QF為原有高壓開關(guān)）。QS2不能與QS3同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖。變頻運(yùn)行時(shí)，QS1和QS2閉合，QS3斷開;工頻運(yùn)行時(shí)，QS3閉合，QS1和QS2斷開。為了實(shí)現(xiàn)變頻器故障的保護(hù)，變頻器對(duì)6kV開關(guān)QF進(jìn)行聯(lián)鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF，工頻旁路時(shí)，變頻器允許QF合閘，撤消對(duì)QF的跳閘信號(hào)，使電機(jī)能正常通過QF合閘工頻啟動(dòng)。

圖2 循環(huán)水泵變頻器一次接線方式

　　為了保證發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行，在單臺(tái)變頻循環(huán)水泵運(yùn)行工作模式下，變頻器發(fā)生故障跳開QF時(shí)，需要將備用的循環(huán)水泵自動(dòng)投入運(yùn)行，為適應(yīng)變頻改造后循環(huán)水泵系統(tǒng)自動(dòng)化水平的提高，對(duì)出水閥門也進(jìn)行聯(lián)鎖自動(dòng)控制，其閥門聯(lián)鎖功能的作用是：在啟動(dòng)水泵升速過程中，水泵出口水壓逐漸增高，當(dāng)大于設(shè)定的“最小開閥出口水壓”時(shí)，閥門開始打開，直至開全，在停泵時(shí)，閥門同步關(guān)閉;如果開泵時(shí)，閥門因各種原因未能開全，將提示“閥門沒有開全”，停泵時(shí)，如閥門未關(guān)嚴(yán)，將提示“閥門沒有關(guān)嚴(yán)”。這樣在開泵和停泵的過程中，值班人員無需再對(duì)閥門執(zhí)行任何操作，不僅減少了操作的失誤，而且在開閥、關(guān)閥過程中對(duì)管網(wǎng)的沖擊也很小。

　　變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)電機(jī)組有的DCS系統(tǒng)。DCS根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷情況，按設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)鍋爐循環(huán)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制。變頻器需要提供給DCS的開關(guān)量輸出包括故障報(bào)警（變壓器超溫、單元柜風(fēng)機(jī)故障、控制電源掉電、控制器故障、單元故障、模擬信號(hào)斷線等）、待命指示、運(yùn)行指示、高壓合閘允許、高壓緊急分?jǐn)唷㈤_閥門（變頻器控制閥門聯(lián)動(dòng)時(shí)使用，即打開出口碟閥）、關(guān)閥門（變頻器控制閥門聯(lián)動(dòng)時(shí)使用，即關(guān)閉出口碟閥）;DCS需要提供給變頻器的開關(guān)量包括：啟動(dòng)變頻（干節(jié)點(diǎn)，閉合時(shí)有效，使變頻器開始運(yùn)行）、停運(yùn)變頻器（干節(jié)點(diǎn)，閉合時(shí)有效，使變頻器正常停機(jī)）、閥門關(guān)嚴(yán)（干節(jié)點(diǎn)，開點(diǎn)有效，表示變頻器所控制的水泵出口碟閥的閥門已關(guān)嚴(yán)）、閥門開全（干節(jié)點(diǎn)，開點(diǎn)有效，表示變頻器所控制的水泵出口碟閥的閥門已全開）;DCS需要提供給變頻器的模擬量有：1路4-20mA的電流源輸出，作為變頻器的轉(zhuǎn)速給定值 ，即變頻器需要運(yùn)行的轉(zhuǎn)速;變頻器需要提供給DCS的模擬量有：2路4-20mA的電流源輸出，模擬輸出對(duì)應(yīng)的物理量為輸出頻率和輸出電流;現(xiàn)場(chǎng)提供給變頻器的模擬量有：1路4-20 mA的電流源輸出，表示變頻泵的出口壓力，閥門聯(lián)動(dòng)時(shí)備用;高壓開關(guān)柜提供給變頻器的開關(guān)量有：1個(gè)，工頻高壓開關(guān)已分閘。節(jié)點(diǎn)閉合時(shí)表示高壓在分閘位置，高壓開關(guān)合閘，該節(jié)點(diǎn)斷開。

　　循環(huán)水泵調(diào)速由操作人員通過DCS系統(tǒng)CRT上的模擬操作器，參照凝汽器的真空度和外界氣溫，對(duì)DCS的輸出值進(jìn)行調(diào)節(jié)，此輸出值為反饋給變頻器的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)應(yīng)不同的頻率（速度）給定值，變頻器通過比較轉(zhuǎn)速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水量的目的。

　　在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過一段時(shí)間的積累，可將不同負(fù)荷和溫度下的給定值繪制成曲線，定出安全的上下限，制成循環(huán)水泵調(diào)速專用算法，同時(shí)利用熱工一次測(cè)量元件，將采集的負(fù)荷和溫度參數(shù)的變化值送到機(jī)組DCS系統(tǒng)中，在機(jī)組DCS系統(tǒng)中，進(jìn)行控制運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果形成4-20mA的速度給定指令信號(hào)，反饋給變頻器，變頻器通過比較轉(zhuǎn)速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制。

　　這次改造只針對(duì)兩臺(tái)并聯(lián)水泵中的一臺(tái)，正常運(yùn)行工況為一臺(tái)工頻、一臺(tái)變頻。由于季節(jié)及晝夜溫度的差別使得變頻系統(tǒng)的運(yùn)行有著特殊性，管網(wǎng)總出口的壓力取決于兩臺(tái)并聯(lián)水泵各自的出口壓力，從而決定了變頻泵不可能在太低的頻率下運(yùn)行，否則會(huì)引起倒流或不出水的情況。另一方面，太低的頻率會(huì)導(dǎo)致整體壓力下降，達(dá)不到循環(huán)水系統(tǒng)總體的揚(yáng)程要求，處于工頻定速運(yùn)行的水泵也易導(dǎo)致過流發(fā)生。根據(jù)以往的運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在工頻泵與變頻泵同進(jìn)運(yùn)行的情況下，使變頻泵最低的頻率保持在38Hz以上，在變頻泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，變頻器可以根據(jù)需要在5-45Hz范圍調(diào)節(jié)，（變頻泵調(diào)節(jié)的頻率必須滿足水泵出口壓力最低要求），這樣可以滿足運(yùn)行需要，同時(shí)可對(duì)出水量進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)。

5 變頻改造后的效益計(jì)算

　　對(duì)相關(guān)參數(shù)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果如表2。

　　表2 工頻和變頻調(diào)速循不水泵系統(tǒng)的綜合的綜合輸入功率對(duì)比

　　測(cè)試結(jié)果表明，50%負(fù)荷時(shí)節(jié)能率為60%，滿負(fù)荷時(shí)節(jié)能率也達(dá)20%。同時(shí)，電機(jī)變頻啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流平穩(wěn)上升，電機(jī)啟動(dòng)非常平穩(wěn)。

　　全年發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間按7200小時(shí)計(jì)算，其中雙泵運(yùn)行時(shí)間和單泵運(yùn)行時(shí)間各占一半，發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷、80%負(fù)荷、70%負(fù)荷、50%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間均為1800小時(shí)，電費(fèi)成本為0.2/元度。

　　（1）1#機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)，在雙泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量為：302400kWh，年至少節(jié)省電費(fèi)：60480元

　　（2）1#機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)，在變頻泵單泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量為：302400kWh，年至少節(jié)省電費(fèi)：60480元

　　（3）1#機(jī)組80%負(fù)荷時(shí)，在雙泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量為：625500kWh，年至少節(jié)省電費(fèi)：125100元

　　（4）1#機(jī)組80%負(fù)荷時(shí)，在變頻泵單泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量為：625500kWh，年至少節(jié)省電費(fèi)：125100元

　　（5）1#機(jī)組70%負(fù)荷時(shí)，在雙泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量為：843300kWh，年至少省電費(fèi)：168660元

　　（6）1#機(jī)組70%負(fù)荷時(shí)，在變頻泵單泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量：843300kWh，年至少省電費(fèi)：168660元

　　（7）1#機(jī)組50%負(fù)荷時(shí)，在雙泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量為：897300kWh，年至少節(jié)省電費(fèi)：179460元

　　（8）1#機(jī)組50%負(fù)荷時(shí)，在變頻泵單泵運(yùn)行情況下，估算年節(jié)電量為：897300 kWh，年至少節(jié)省電費(fèi)：179460元

　　可見，在滿負(fù)荷全年運(yùn)行至50%負(fù)荷全年運(yùn)行情況下，投入1臺(tái)高壓變頻器后，我廠全年節(jié)約電費(fèi)均可達(dá)107,604元左右。另外，由于CL2700系列變頻器的功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，大于電機(jī)功率因數(shù)0.82，可減少大量無功。并且實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟啟動(dòng)，可避免因大電流啟動(dòng)沖擊造成對(duì)電機(jī)和機(jī)械設(shè)備的影響，減少電機(jī)維護(hù)量，節(jié)約檢修維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)大幅度延長了電機(jī)的壽命。

6 結(jié)論

　　高壓變頻調(diào)速裝置節(jié)能效果明顯，采用變頻調(diào)速后，還實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，延長了電機(jī)的壽命，也減少了管道的振動(dòng)與磨損;總之，深圳市科陸變頻器有限公司生產(chǎn)的CL2700系列高壓變頻器在內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾電廠1#機(jī)組循環(huán)水泵系統(tǒng)的調(diào)速改造中應(yīng)用是相當(dāng)成功的。該系列變頻器的先進(jìn)性、可靠性已得到了許多工業(yè)應(yīng)用的證實(shí)。在電力行業(yè)，對(duì)于許多高壓大功率的輔機(jī)設(shè)備推 廣和采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，不僅可以取得相當(dāng)顯著的節(jié)能效果，是電廠節(jié)能降耗的一個(gè)有效途徑，而且也得到國家產(chǎn)業(yè)政策的支持，代表了今后電力行業(yè)節(jié)能技改的方向。