英威腾CHH100高压变频器在火电厂凝结水泵上的应用

2014/12/26 17:19:02

  摘  要:本文介绍了高压变频器在火力发电厂凝结水泵上的应用,分析改造之后的控制策略以及对变频改造效果做了描述。

  关键词:凝结水  高压变频器  节能改造

  一、引言

  据统计,我国火力发电厂中使用的一次风机、送风机、引风机、给水泵、循环水泵、凝结水泵和灰浆泵等风机和水泵的配套电动机总容量达15000MW,年总用电量达520亿kWh。而目前我国火电厂中多数风机和水泵基本上都采用定速驱动。这种定速驱动的风机采用入口风门,水泵采用出口阀门调节流量,都存在严重的节流损耗。尤其在机组变负荷运行时,由于风机和水泵的运行偏离高效率点,使运行效率降低。现有调节流量的方法不改变电机的转速,因此电机消耗的功率不变。若使用变频器对电机进行调速,达到用户期望的流量,则可以节约大量电能。

  二、火力发电厂工艺流程介绍

  火力发电厂是利用化石燃料燃烧释放的热能发电的动力设施,包括燃料燃烧释热和热能电能转换以及电能输出的所有设备、装置、仪表器件,以及为此目的设置在特定场所的建筑物、构筑物和所有有关生产和生活的附属设施。主要有蒸汽动力发电厂、燃气轮机发电厂、内燃机发电厂几种类型。其主要工艺流程如下图1所示。

  

图1 火电厂工艺流程图
  三、工况介绍
 
  本次改造的电厂汽轮发电机、电气仪控系统采用德国西门子设计制造的设备,其中汽轮机为亚临界参数、一次中间再热、单轴、四缸、四排凝汽式反动汽轮机。辅机主要有2台全容量凝结水泵,2台半容量汽动给水泵,1台35%容量电动给水泵,3台半容量循环水泵,3台半容量真空泵,2台全容量闭冷水泵。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,调峰期最大容量可达1400MW,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下图2所示:
2 工艺流程图
  四、凝结水泵工艺及控制策略
 
  4.1 凝结水泵运行工况
 
  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/2600KW,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
 
  4.2 凝泵改变频控制策略
 
  把#1机#11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#11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。
 
  系统运行状态的控制:
 
  在正常工况下,DCS优先选择#11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#12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600MW时调整至40%,300MW时调整至30%,其它负荷按此直线斜率确定调门位置,到位后且#11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#12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,#11凝泵最低频率设定为30HZ/900转/分。
 
  #11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,#11泵通过变频调节(旁路断开),操作顺序为:先合上#11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#11凝泵电源切换为旁路工频状态,合上#11凝结水泵6KV开关即可实现#11凝泵工频运行。#12泵退出备用。#12泵控制方式保持不变,#11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#12泵故障跳闸或母管压力低,引起#11泵自投,这时#11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,#11泵通过变频调节(旁路断开);如变频器有故障,#11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。#11凝工频运行时,如#11凝泵6KV开关跳闸,就应联动#12泵;变频运行时不仅#11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#12泵。
 
  保护:
 
  为了保证设备稳定运行,采取了一套完善的保护措施,流量保护;当流量小于96kG/S。大于580kG/S,延时28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度也会跳机保护。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。控制指令由DCS发出,并现场组态。
 
  五、变频改造效果
 
  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:
 
  5.1 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。
 
  5.2 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。
 
  5.3 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、结束语
 
  随着大型机组参与调峰的增多,越来越多的辅机需要进行调速改造,以适应竞争的需求。这次在600MW以上大机组应用高压变频器进行调速改造的成功,为今后600MW以上机组应用高压变频器进行改造提供了良好的成功应用经验,为2500kW以上主辅机设备的改造提供了广阔的应用前景。
 
  参考文献:
 
  [1] 《CHH100系列高压变频器产品说明书》,深圳市英威腾电气股份有限公司
  [2] 《变频器的节能与改造》化学工业出版社 2011-03出版
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