摘要：根据GD5000系列高压变频器在洛阳伊川龙泉坑口自备发电有限公司2#机组1#凝结水泵上的应用，分析凝结水泵变频改造之后的控制策略以及实际节能效果

关键词：凝结水泵 高压变频器 节能改造

一、引言

伊电控股集团有限公司是一个集发电、铝冶炼、铝加工 、碳素生产、粉煤灰综合利用等产业为一体的大型工业循环经济企业。现有2220兆瓦火电装机容量、年产84万吨电解铝、25万吨哈兹列特（连铸连轧）铝板带、60 万吨铝板带箔、32万吨铝用碳素和10亿块粉煤灰标砖等生产能力。拥有我国第一个300KA电解铝系列、400KA电解铝系列、亚洲第一条哈兹列特（连铸连轧）铝板带生产线。主导产品电解铝产能位居河南省第一位，全国500强企业。

图1 伊川电力集团自备电厂

2014年伊川电力集团三电厂为响应国家的节能减排的政策方针，邀请我公司技术人员到厂内对2×330MW机组的锅炉给水及风烟系统运行状况进行分析，做节能评估。根据现场运行数据及工艺要求，我公司技术人员对运行工况进行全面分析并提交了针对锅炉及汽机辅机变频改造的整体解决方案，最终确定先对拥有较大节能空间的凝结水泵进行改造。

二、现场工艺分析

三电厂1#发电机组采用东方电机股份有限公司生产的QFSN-300-2-200型汽轮发电机，汽轮机采用东方汽轮机厂生产的N300-16.7/537/537-4型，锅炉型号B&WB-1025/18.3-M由北京巴布科克•威尔斯科克斯有限公司制造。年平均发电负荷264MW，发电运行时间6700小时，预期累计发电量17.16亿度。

凝结水系统辅机主要有2台全容量凝结水泵。系统采用传统的配置，凝结水通过凝结水泵升压后，经过轴封加热器、4台低压加热器后送入除氧器，在轴封加热器出口和LP1入口处设置除氧器水位调节阀（并列两个气动阀），用于控制除氧器水位。机组在满负荷情况下，除氧器水位调节阀开度都在40％～60％之间运行，凝结水泵电流变化却不大，50%负荷至100%负荷间压差较大，阀门一直处在节流状态下工作，节流损失大。并且，由于机组参与调峰，在低负荷时，凝泵出力不变，造成很大浪费。

凝结水系统的工艺简图如图2所示：

图2 凝结水系统的工艺简图

三、改造方案

1．凝结水泵的运行工况 

在汽轮机内做完功的蒸汽在凝汽器冷却凝结之后，用凝结水泵送到低加和除氧器中，然后通过给水泵送往高加，汽包。维持凝结水泵连续、稳定运行是保持电厂安全、经济生产地一个重要方面。

调节凝汽器内的水位是凝结水泵运行中的一项主要工作。在正常运行状态下，凝汽器内的水位不能过高或过低。当机组负荷升高时，凝结水量增加，凝汽器内的水位相应上升。当机组负荷降低时，凝汽器内水位相应降低。

图3 工频凝结水泵工作点和调节曲线图

凝结泵电机使用德国西门子立式电机，6KV/1000KW，每台机组配备二台凝结泵，一台运行，一台备用。

没有使用变频器之前，凝汽器内的水位调整是通过改变凝结水泵出口阀门的开度进行的，调节线性度差，大量能量在阀门上损耗。同时由于频繁的对阀门进行操作，导致阀门的可靠性下降，影响机组的稳定运行。

使用高压变频器后，凝结水泵出口阀门不需要频繁调整，阀门开度保持在一个比较大的范围内，通过调节变频器的输出频率改变电机的转速，达到调节出口流量的目的，满足运行工况的要求。

图4 变频运行工作点和调节曲线图

2．凝泵改变频控制策略

把#2机#1凝结水泵改为变频器控制调节，变频器的控制在DCS中实现，DCS根据除氧器水位进行正常调节，控制#1凝结水泵转速，以减少凝结水系统的压力损失，达到节能降耗的目的。

2.1系统运行状态的控制

在正常工况下，DCS优先选择#1凝结水泵投入运行，并根据除氧器水位进行变频调速控制，调节凝结水泵，此时主凝结水调整门处于全开状态。如果#2泵开关一旦合闸（不管其他条件），主凝结水调门可根据负荷大小分别调330MW时调整至40%，200MW时调整至30%，其它负荷按此直线斜率确定调门位置，到位后#1凝泵6KV开关跳闸，主凝结水调门自动投入。在凝汽器、除氧器水位平稳后，将#2凝泵出口电动门由30%逐渐开展。

为保证主凝结水母管压力不低于0.6MPa，#1凝泵最低频率设定为30HZ。  

#1泵运行有两种运行方式，即工频运行和变频运行。如变频器正常，#1泵通过变频调节（旁路断开），操作顺序为：先合上#1凝结水泵6KV开关，再启动变频器；如变频器有故障，则需隔离变频器、通过旁路工频运行，并通过主凝结水调门自动来控制水位，操作顺序为：将#1凝泵电源切换为旁路工频状态，合上#1凝结水泵6KV开关即可实现＃1凝泵工频运行。#2泵退出备用。#2泵控制方式保持不变，#1泵此时需隔离变频器，旁路在连通位置，处于工频备用位置。如#2泵故障跳闸或母管压力低，引起#1泵自投，这时#1泵在工频状态下运行，并通过主凝结水调门来控制水位。

如变频器正常，#1泵通过变频调节（旁路断开）；如变频器有故障，#1泵隔离变频器、通过旁路工频运行，并通过主凝结水调门来控制水位。#1凝工频运行时，如#1凝泵6KV开关跳闸，就应联动#2泵；变频运行时不仅#1凝泵6KV开关跳闸应联动#12凝泵，而且如因变频器跳闸也应联动#2泵。 

2.2 安全保护措施：

为了保证设备稳定运行，采取了一套完善的控制保护措施。

?  ? 流量保护：当流量小于96kG/S。大于580kG/S，延时20秒停机。

?  ? 水位保护：当凝汽器水位小于400MM，A1低加、A2低加小于12600MM，A3低加小于1190MM，A4低加小于715MM，除氧器水位大于3070MM，延时20秒停机。

  ?? 温度保护：当泵和电机轴承温度超过100度，报警同时跳机保护。

?  ? QF合闸允许条件：只有电机绕组温度小于120度，泵轴承温度小于90度，高压开关才允许合闸。

四、设备参数

配置清单如下：

整个高压变频调速系统由用户开关、一拖一隔离自动旁路柜、GD5000系列高压变频器、高压电机组成。

图5一拖一隔离自动旁路

一拖一隔离自动旁路柜是由三个真空高压接触器KM1、KM2、KM3和高压隔离开关QS1、QS2组成。正常运行时QS1、QS2全部闭合，只有在检修时断开。电机以变频方式运行时， KM1、KM2闭合，QS3断开；电机以工频方式运行时，KM3闭合， KM1、KM2断开。变频与工频之间切换自动/手动完成。旁路柜严格按照“五防”联锁要求设计，变频输出开关KM2和工频开关KM3互锁，完全能够保证变频调速系统安全运行。

图6 现场图片

五、应用效果

变频调速不仅节能效益显著，而且可以明显改善系统的安全可靠性，有以下几个方面的优点。

?  节电效果显著

下面是某月的电能统计，做一个同类机组的横向比较，可以看出凝泵用电减少许多。

以2#机组年运行7200小时计算，每年使用变频器可节约厂用电217 万千瓦时，折合人民币113万元。

•减少电机启动时的电流冲击

电机直接启动时的最大启动电流为额定电流的7倍，星角启动为4.5倍，电机软启动器也要达到2.5倍。观察变频器启动的负荷曲线，可以发现它启动时基本没有冲击，电流从零开始，仅是随着转速增加而上升，不管怎样都不会超过额定电流。因此凝泵变频运行解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低日常的维护保养费用。 

•延长设备寿命 

提高了凝结水泵的可靠性，延长了凝结水泵的寿命。采用变频调速后，低负荷时，凝结水泵低速运转，泵必需的汽蚀余量（NPSH）降低，降低了泵内发生汽蚀的可能性（因泵的汽蚀余量近似与泵的转速的平方成正比），延长了水泵的寿命。同时使用变频器可使电机转速变化沿凝泵的加减速特性曲线变化，没有应力负载作用于轴承上，延长了轴承的寿命，凝泵使用费用自然就降低了。 

•提高管系可靠性

变速调速运行时，其出口调节门可以全开，利用转速调节流量和压力，改善了由于阀门调节时对管系的冲击，降低了调节阀前后的管系泄漏的可能性，从而减少了维护工作量，提高了系统的安全可靠性。另外由于小流量时的转速低，这样降低了泵及系统的噪音，改善了运行环境。

六、总结

随着大型机组参与调峰的增多，越来越多的火力发电厂的炉侧机侧辅机需要进行调速改造，以适应市场竞争的需求。这次在伊川电力集团330MW机组应用GD5000系列高压变频器对凝结泵进行调速改造的成功，为今后在更大容量的发电机组上应用高压变频器进行改造提供了广阔的应用前景。