張 宇

（1.山西電大科學(xué)研究院，山西 太原 030012；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

1 引言

近年來，國家高度重視節(jié)能發(fā)展戰(zhàn)略，對我國電力系統(tǒng)節(jié)能國際比較；研究“十一五”期間電力系統(tǒng)節(jié)能降耗潛力，包括電力系統(tǒng)節(jié)能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性分析；研究電力系統(tǒng)節(jié)能原則、節(jié)能目標(biāo)、節(jié)能重點(diǎn)領(lǐng)域；提出可操作的電力系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理政策措施建議。為響應(yīng)國家節(jié)能號召，電力行業(yè)也相應(yīng)出臺了節(jié)能減排政策，對能耗大的電力設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造。由原來的工頻工作方式改為頻率可調(diào)的變頻工作方式。通過對火力發(fā)電企業(yè)中變頻器應(yīng)用的調(diào)研和分析，確定了其可行性。凝結(jié)水泵作為火電廠中的大型輔機(jī)，承擔(dān)著凝汽器疏水和除氧器上水的動(dòng)力，也為部分工業(yè)水系統(tǒng)和減溫水系統(tǒng)提供水源，需要消耗大量的電力。因此，凝結(jié)水泵必須具備較高的運(yùn)行可靠性和靈活性，通過改變變頻器的工作頻率來調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，高負(fù)荷時(shí)增加轉(zhuǎn)速，低負(fù)荷時(shí)降低轉(zhuǎn)速，使之可以較好地滿足流量變化，提高泵在變流量時(shí)的工作效率，通過運(yùn)行實(shí)踐，使用變頻后系統(tǒng)運(yùn)行的線形度較好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，完全保證機(jī)組在更經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 凝結(jié)水泵改造前后運(yùn)行比較

圖1 凝結(jié)水系統(tǒng)流程圖

圖1為凝結(jié)水系統(tǒng)流程圖，簡要流程是：排氣裝置凝汽器→凝結(jié)水泵→精處理裝置→軸封加熱器→凝結(jié)水再循環(huán)門→除氧器上水閥→低壓加熱器→除氧器。在機(jī)組運(yùn)行期間，蒸汽經(jīng)旁路或低壓缸，排入凝汽器，排汽經(jīng)凝汽器內(nèi)的冷卻器凝結(jié)成水，流入凝汽器底部。凝結(jié)水通過凝汽器底部出水管，經(jīng)濾網(wǎng)后進(jìn)入凝結(jié)水泵，再由凝結(jié)水泵經(jīng)低壓加熱器打入除氧器中。凝汽器中的水源主要由凝結(jié)水補(bǔ)水泵來的除鹽水補(bǔ)充。在機(jī)組的啟動(dòng)和運(yùn)行過程中汽水工質(zhì)做功產(chǎn)生的損耗，都需要補(bǔ)充除鹽水，以維持正常運(yùn)行所需水量。凝汽器內(nèi)水位太高會使換熱面積減少，真空下降，影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)與安全運(yùn)行，凝汽器中的凝結(jié)水必須保持一定的水位，才能保證凝結(jié)水泵安全運(yùn)行。

圖2 變頻改造前后的電器圖

從圖2可以看出，對電氣回路的改造，變頻模式與工頻模式采用并列方式，若變頻器發(fā)生故障的情況下可以切換到工頻模式，兩臺凝結(jié)水泵均按此回路方式改造。凝結(jié)水泵在工頻方式運(yùn)行，當(dāng)機(jī)組降低負(fù)荷時(shí)，鍋爐蒸發(fā)量減少，給水量需求相應(yīng)下降，為了防止凝結(jié)水補(bǔ)水過量造成除氧器水位上升，須打開凝結(jié)水再循環(huán)門，通過調(diào)節(jié)再循環(huán)門的開度，控制凝結(jié)水流量，使泵以最小流量運(yùn)行。改為變頻方式運(yùn)行時(shí)，除氧器水位通過調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵的變頻器控制凝結(jié)水上水量，省去再開循環(huán)門來調(diào)節(jié)流量的步驟，同時(shí)也使泵運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)。變頻運(yùn)行的凝結(jié)水泵，以較低的出力運(yùn)行時(shí)，由于凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速較低，各種以凝結(jié)水作為冷卻水的減溫水壓力會有所下降，此時(shí)需要通過變頻調(diào)速來達(dá)到理想的出力保證凝結(jié)水母管壓力。

單元機(jī)組通常設(shè)計(jì)兩臺100%出力的凝結(jié)水泵，兩臺泵都裝有獨(dú)立的變頻器。正常工況下為一運(yùn)一備，當(dāng)變頻方式的工作泵發(fā)生故障跳閘或凝結(jié)水母管壓力不足時(shí)，備用泵自動(dòng)投入變頻方式運(yùn)行。若故障泵處理好后，切換至變頻方式運(yùn)行。若出現(xiàn)變頻器故障不能及時(shí)使用，且需兩臺泵運(yùn)行時(shí)，將泵切換到工頻方式運(yùn)行。為了保證兩臺泵之間無擾切換，鍋爐上水門要減小開度，同時(shí)也要根據(jù)負(fù)荷和除氧器水位變化，控制好凝汽器水量和除氧器水量，保證除氧器水位不至于大幅度波動(dòng)。當(dāng)機(jī)組升負(fù)荷時(shí)，除氧器以滑壓方式運(yùn)行，除氧器上水壓力和給水量也會隨著發(fā)生變化，給水量增大除氧器水位下降，除氧器上水閥迅速打開補(bǔ)水，凝汽器水位隨上水量的增加而下降，因此需要除鹽水補(bǔ)水系統(tǒng)快速補(bǔ)水，直至負(fù)荷穩(wěn)定到目標(biāo)值。反之，當(dāng)系統(tǒng)在降負(fù)荷時(shí)，需要快速疏水，保證水位不至偏高影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。維持穩(wěn)定的除氧器水位可為給水泵提供必要的靜壓力，防止給水泵汽蝕發(fā)生，同時(shí)也能達(dá)到很好的除氧效果。因此，凝結(jié)水系統(tǒng)的自動(dòng)控制回路需要控制好除氧器水位與凝結(jié)水泵出口壓力。

3 凝結(jié)水系統(tǒng)改造前后控制方式對比

凝結(jié)水泵變頻控制的目標(biāo)是除氧器水位與凝結(jié)水泵出口壓力，控制的對象是除氧器上水調(diào)節(jié)閥與凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速。除氧器水位是通過凝汽器的除鹽水補(bǔ)水門間接控制的，如除氧器水位低于設(shè)定值，除鹽水補(bǔ)水閥打開，除鹽水補(bǔ)充到凝汽器中，因?yàn)槟髟O(shè)定的水位值沒變，補(bǔ)充的水量會通過凝結(jié)水泵被輸送到除氧器。凝汽器水位是通過凝結(jié)水泵至除氧器之間的上水調(diào)節(jié)閥來控制的。

凝結(jié)水泵變頻改造前，除氧器水位主要由除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制，具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式。自動(dòng)控制方式分為單沖量控制方式和三沖量控制方式。當(dāng)鍋爐給水流量較低時(shí)，除氧器水位控制采用單沖量控制方式；當(dāng)鍋爐給水流量大于一定值時(shí)，除氧器水位控制采用三沖量控制方式。在不同的負(fù)荷工況時(shí)，由于鍋爐給水量的變化給水方式也相應(yīng)地進(jìn)行自動(dòng)切換。使用除氧器上水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)除氧器水位能夠達(dá)到較好的控制特性。

凝結(jié)水泵變頻改造后，除氧器水位由原來的使用除氧器上水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，調(diào)整為將上水調(diào)節(jié)閥閥位固定在某一開度通過改變凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速來控制除氧器水位。為能達(dá)到最大節(jié)能效果，通常將除氧器上水調(diào)節(jié)閥開到全開狀態(tài)，通過變頻器手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)控制凝泵轉(zhuǎn)速，以維持除氧器水位。變頻方式下的凝結(jié)水泵在較低頻率工作時(shí)，存在共振區(qū)域，為避免共振現(xiàn)象對泵的影響，設(shè)置凝結(jié)水泵變頻器的最低運(yùn)行頻率。當(dāng)凝結(jié)水泵在最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速工作時(shí)，為了維持除氧器水位，可適當(dāng)調(diào)小除氧器上水調(diào)節(jié)閥開度。在鍋爐給水流量大于一定值時(shí)，變頻工作的凝結(jié)水泵投入三沖量控制方式，除氧器上水調(diào)節(jié)閥也投入自動(dòng)控制方式。除氧器上水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)除氧器水位，凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制凝結(jié)水母管壓力。為了保證對除氧器水位的連續(xù)自動(dòng)控制，凝結(jié)水泵變頻器運(yùn)行中如果退出自動(dòng)控制方式后，除氧器上水調(diào)節(jié)閥會投入自動(dòng)控制方式。實(shí)際應(yīng)用后表明，通過改變凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速來控制凝結(jié)水泵出口壓力要比通過改變除氧器上水調(diào)節(jié)閥開度更為迅速，變頻改造后的凝結(jié)水泵控制特性表現(xiàn)出較好的節(jié)能效果。

4 凝結(jié)水系統(tǒng)改造前后經(jīng)濟(jì)效益分析

在凝結(jié)水泵變頻改造前，機(jī)組運(yùn)行中凝結(jié)水泵的出力得不到充分發(fā)揮，電機(jī)線圈發(fā)熱量較大，設(shè)備耗電高。凝結(jié)水泵改為變頻運(yùn)行方式后，在除氧器上水調(diào)節(jié)閥可以全開，既減少了閥門節(jié)流損失，也能均勻調(diào)速，節(jié)約了大量的電能，具有顯著的節(jié)電效果。電機(jī)低速運(yùn)行以及工作在高效率區(qū)間，凝結(jié)水泵電流明顯降低，電機(jī)線圈和軸承的溫度明顯下降，減少了機(jī)械磨損和振動(dòng)，延長了大修周期,可節(jié)省大量的檢修費(fèi)用，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。表1為凝結(jié)水泵采用變頻調(diào)速前后的試驗(yàn)?zāi)芎谋容^：可以看出，在泵同樣出力的情況下，改造后的能耗明顯下降。按600 MW機(jī)組全年平均負(fù)荷率80%計(jì)算，廠用電量下降約42 000 kW，按年運(yùn)行5 000 h計(jì)算，全年節(jié)電量約為22 000 GWh，綜合節(jié)點(diǎn)率可達(dá)28%，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

表1 凝結(jié)水泵采用變頻調(diào)速前后的試驗(yàn)?zāi)芎谋容^

5 結(jié)束語

隨著電力體制改革的深入，競價(jià)上網(wǎng)日趨激烈。節(jié)能降耗，降低發(fā)電成本成為提高電廠競爭能力的有效途徑。通過變頻器對高能耗用電設(shè)備進(jìn)行改造，節(jié)能效果明顯，采用變頻調(diào)速后，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，延長電動(dòng)機(jī)的壽命，減少了閥門的磨損，降低了廠用電，而且也能提高設(shè)備和機(jī)組的安全可靠性，減少機(jī)組的故障率，給電廠帶來間接的經(jīng)濟(jì)效益。