巴瑞薩發(fā)電有限公司 袁宇鑫 李玉軍

本文所述的2×660MW 燃煤火電廠是“一帶一路”上的首個(gè)大型火電能源項(xiàng)目，公司與電網(wǎng)采用兩部制電價(jià)結(jié)算。設(shè)備的高可靠性、高利用率是公司獲得容量電價(jià)的根本保障。降低廠用電率是公司提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。

該電廠機(jī)組凝結(jié)水泵由于設(shè)計(jì)富裕度過大，自投運(yùn)以來一直存在額定工況下出口壓力富裕量超過1.0MPa、凝結(jié)水及高速混床系統(tǒng)多次出現(xiàn)管道振動(dòng)，閥門壓差大、卡澀、混床樹脂流失，以及凝結(jié)水泵耗電率高的問題，對(duì)電站的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成了較大影響。通過研究分析并對(duì)凝結(jié)水泵進(jìn)行抽葉輪改造，使凝結(jié)水泵壓力與系統(tǒng)管道特性及壓力需求得到了良好匹配，消除了富裕壓力對(duì)系統(tǒng)安全性造成的影響，大大降低了凝結(jié)水泵的耗電率，提高了設(shè)備、系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及改造前運(yùn)行情況

根據(jù)對(duì)該電廠所在國電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)組建設(shè)情況分析，未來幾年該國發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量將快速增加，而電網(wǎng)負(fù)荷需求將低于裝機(jī)容量增長速度，今后發(fā)電機(jī)組調(diào)度負(fù)荷率將會(huì)下降。在機(jī)組進(jìn)入調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，要進(jìn)一步適應(yīng)低負(fù)荷工況下凝結(jié)水泵低能耗運(yùn)行，對(duì)凝結(jié)水泵進(jìn)行變頻改造就很有必要。經(jīng)初步分析，采用變頻技術(shù)對(duì)凝結(jié)水泵電機(jī)進(jìn)行“一拖二工/變頻自動(dòng)切換”改造，可進(jìn)一步提高機(jī)組在調(diào)峰運(yùn)行狀態(tài)下的經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)于設(shè)計(jì)富裕壓頭過高的凝結(jié)水泵，在抽葉輪改造的基礎(chǔ)上對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行變頻改造，會(huì)更加充分地發(fā)揮兩種技術(shù)改造的協(xié)同優(yōu)勢(shì)，使這兩種技術(shù)相輔相成，改造后的效果更加突出。在變頻改造中，還將采用性價(jià)比極高的“一拖二工/變頻自動(dòng)切換”技術(shù)，這會(huì)使整個(gè)改造的經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性、合理性以及創(chuàng)新性更為突出，也會(huì)使該項(xiàng)技術(shù)改造活動(dòng)具有更加良好的示范性和推廣價(jià)值。

凝結(jié)水泵及配套電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)。機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩臺(tái)100%容量的立式電動(dòng)筒式凝結(jié)水泵，一運(yùn)一備，兩臺(tái)機(jī)組共設(shè)四臺(tái)工頻凝結(jié)水泵，型號(hào)為NLO500-570×4S。4級(jí)葉輪，首級(jí)為雙吸葉輪，必須汽蝕余量為4m。水泵揚(yáng)程290m，流量1740t/h、轉(zhuǎn)速1480rpm，軸功率1655kW，最小流量420t/h。配套電機(jī)型號(hào)為YLKK630-4，轉(zhuǎn)速1480rpm、功率1900kW、電壓11kV、額定電流119.4A。

系統(tǒng)存在的問題：系統(tǒng)凝結(jié)水泵設(shè)計(jì)壓頭高且定速運(yùn)行，流量由凝結(jié)水至除氧器上水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。凝結(jié)水泵出口壓力富余量超過1.0MPa，在機(jī)組額定工況下調(diào)節(jié)閥的開度僅為47%左右，節(jié)流損失大、凝結(jié)水泵工作效率低，調(diào)節(jié)閥長時(shí)間處于深度節(jié)流運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)流損失很大，且調(diào)節(jié)精度低、系統(tǒng)水位波動(dòng)大，對(duì)閥門的磨損也較大，降低了系統(tǒng)整體的安全性和穩(wěn)定性，浪費(fèi)了大量能源。除氧器上水調(diào)節(jié)閥節(jié)流嚴(yán)重，不但產(chǎn)生強(qiáng)烈噪音，還導(dǎo)致了凝結(jié)水及高速混床系統(tǒng)管道振動(dòng)大、閥門沖刷嚴(yán)重、樹脂流失等問題，且增加了凝結(jié)水泵的耗電率，對(duì)電站安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成了較大影響。

2 凝結(jié)水泵降低揚(yáng)程技術(shù)的分析

2.1 降低凝結(jié)水泵揚(yáng)程的技術(shù)改造具有獨(dú)特性

在中國國內(nèi)，300MW～660MW 范圍內(nèi)機(jī)組凝結(jié)水泵大都設(shè)計(jì)為變頻(電機(jī))調(diào)速的配置方式，很少有類似該國外電廠定速調(diào)閥運(yùn)行的方式。由于變頻調(diào)速可覆蓋的范圍廣，所以采用降低凝結(jié)水泵揚(yáng)程的技術(shù)改造案例一般很少。該國外電廠采用了降低凝結(jié)水泵揚(yáng)程的抽葉輪技術(shù)改造，具有獨(dú)特性。

2.2 降低凝結(jié)水泵揚(yáng)程的技術(shù)路徑及選擇原則

降低凝結(jié)水泵揚(yáng)程的技術(shù)路徑通常有葉輪切割改造和抽葉輪改造兩種路徑。葉輪切割改造適用于要求降低揚(yáng)程相對(duì)較小的凝結(jié)水泵，抽葉輪改造適用于要求降低揚(yáng)程相對(duì)較大的凝結(jié)水泵。

2.2.1 葉輪切割技術(shù)

凝結(jié)水泵通過葉輪切割來降低泵揚(yáng)程，一般是在凝結(jié)水泵出廠前試驗(yàn)過程中，當(dāng)揚(yáng)程超規(guī)時(shí)會(huì)進(jìn)行一次少量的切割。對(duì)于已安裝到了現(xiàn)場(chǎng)的凝結(jié)水泵，可采用訂購葉輪備件的方式向廠家提出新的參數(shù)要求，同時(shí)提供實(shí)際的參數(shù)量值。改造通常不切割雙吸式首級(jí)葉輪，但對(duì)后3級(jí)的次級(jí)葉輪都會(huì)平均切制。葉輪切割技術(shù)適用于系統(tǒng)壓力富裕值小于1級(jí)揚(yáng)程的改造。通過將葉輪切割使其外徑減小，從而使得泵的揚(yáng)程和軸功率都下降。葉輪切割量越大泵的效率下降就越大，且泵的高效點(diǎn)將向小流量方向偏移，最后達(dá)到與系統(tǒng)匹配的目標(biāo)。泵的額定出力及能量消耗均會(huì)降低，從而減小系統(tǒng)以深度節(jié)流方式調(diào)節(jié)而造成的能量損失。

2.2.2 抽葉輪技術(shù)

凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)子的4級(jí)葉輪可看作是4臺(tái)單級(jí)泵串聯(lián)工作。減少1級(jí)，在相同流量下泵的揚(yáng)程將比原來降低約四分之一。當(dāng)泵出口壓力高于系統(tǒng)壓力的富裕值，在大于1級(jí)揚(yáng)程前提下去掉一個(gè)次級(jí)葉輪是比較好的選擇，理論上抽取葉輪后基本不影響泵的效率。抽葉輪改造工作量小，改造后節(jié)能效果明顯；改造的工期短，可在該泵停運(yùn)期間隨時(shí)進(jìn)行，大大方便了現(xiàn)場(chǎng)改造工作的開展。

3 凝結(jié)水泵抽葉輪技術(shù)改造

3.1 節(jié)能改造實(shí)施原則

由于該電廠所在國前期電力供給不足，該電廠機(jī)組年平均利用小時(shí)高達(dá)6750小時(shí)，機(jī)組負(fù)荷率高達(dá)90%。公司為了確保多發(fā)電、保障機(jī)組的高利用率，本著工期最短、改造工作隨時(shí)可進(jìn)行，改造后系統(tǒng)可靠性不下降、不增加電氣設(shè)備、改造量和投入少的原則，提升凝結(jié)水泵效率和系統(tǒng)安全性，針對(duì)泵的揚(yáng)程富裕量大于一級(jí)揚(yáng)程的特點(diǎn)，論證并實(shí)施了凝結(jié)水泵抽一級(jí)葉輪技術(shù)改造。

3.2 凝結(jié)水泵抽葉輪改造的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

對(duì)凝結(jié)水泵進(jìn)行抽葉輪改造，可以使機(jī)組在高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水泵揚(yáng)程與系統(tǒng)管道特性相匹配，并且改造工作量小、費(fèi)用最低、需要的時(shí)間短，可在機(jī)組運(yùn)行期間通過切換運(yùn)行泵來分別實(shí)施。

3.3 凝結(jié)水泵抽葉輪技術(shù)改造的實(shí)施

該電廠在委托水泵廠定制了1個(gè)轉(zhuǎn)子定位軸套（替代抽取的葉輪），1個(gè)長異徑接管（替代抽取的導(dǎo)葉），設(shè)備到貨后，在機(jī)組消缺期間對(duì)1A 凝結(jié)水泵實(shí)施了抽葉輪改造，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況抽掉了1A 凝結(jié)水泵的次級(jí)葉輪，改造后效果極佳。隨后陸續(xù)對(duì)1B、2A、2B 凝結(jié)水泵進(jìn)行抽葉輪技術(shù)改造，四臺(tái)凝結(jié)水泵抽葉輪技術(shù)改造均取得了圓滿成功。

凝結(jié)水泵實(shí)施抽葉輪改造后，凝結(jié)水泵及電機(jī)振動(dòng)、溫度等參數(shù)均明顯優(yōu)于改造前，系統(tǒng)壓力、流量完全滿足機(jī)組最高出力需要，改造取得了非常良好的效果。改造后，機(jī)組在660MW 負(fù)荷下凝結(jié)水母管壓力由3.78MPa 降到了2.78MPa；凝結(jié)水泵電機(jī)電流由108A 降低到了81A，凝結(jié)水泵電機(jī)功率下降了430kW，系統(tǒng)運(yùn)行降低廠用電率0.07～0.12個(gè)百分點(diǎn)（額定負(fù)荷～50%額定負(fù)荷），取得了極佳的節(jié)能效果。

凝結(jié)水泵抽葉輪改造后凝結(jié)水系統(tǒng)壓力降低，從根本上解決了凝結(jié)水處理系統(tǒng)及高速混床設(shè)備因凝結(jié)水壓差大帶來的系統(tǒng)管道振動(dòng)大、閥門沖刷嚴(yán)重、樹脂流失等問題；同時(shí)大大降低了凝結(jié)水泵的耗電率；明顯提升了電站運(yùn)行的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。改造后，按機(jī)組年發(fā)電量70億、廠用電率降低0.095%計(jì)算，年可節(jié)約廠用電665萬kWh，節(jié)能效果顯著。

4 凝結(jié)水泵進(jìn)行變頻節(jié)能改造的技術(shù)分析

4.1 機(jī)組長時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)宜進(jìn)一步采用變頻技術(shù)

上述改造切實(shí)解決了機(jī)組在接近額定工況下，凝結(jié)水系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中存在的問題。但根據(jù)對(duì)該電廠所在國電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)組建設(shè)情況分析，今后電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差會(huì)越來越大，發(fā)電機(jī)組調(diào)度負(fù)荷率就會(huì)下降并頻繁變化，輔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)要隨之變化。

該公司前期對(duì)凝結(jié)水泵進(jìn)行“抽葉輪”節(jié)能改造，雖然減少1級(jí)葉輪后揚(yáng)程下降較多，但是在機(jī)組深度調(diào)峰、長時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行、凝結(jié)水流量較低的情況下，凝結(jié)水泵的揚(yáng)程仍會(huì)出現(xiàn)較大的富裕。也就是在機(jī)組長期低負(fù)荷運(yùn)行工況下，將會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)流調(diào)節(jié)能量損失大的問題。通過全面分析，經(jīng)抽葉輪改造后的凝結(jié)水泵出力及揚(yáng)程與機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)剛好匹配，要進(jìn)一步滿足機(jī)組低負(fù)荷工況下的節(jié)能調(diào)節(jié)，只有進(jìn)一步采取對(duì)凝結(jié)水泵變頻調(diào)節(jié)技術(shù)改造才能實(shí)現(xiàn)。改造后水泵變頻調(diào)速進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，就可達(dá)到機(jī)組在長時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)節(jié)能調(diào)節(jié)的目標(biāo)。

4.2 變頻調(diào)速原理及優(yōu)點(diǎn)

變頻調(diào)速技術(shù)原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f（1-s）/p，（n 為轉(zhuǎn)速、f 為輸入頻率、s 為電機(jī)轉(zhuǎn)差率、p 為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；變頻控制就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。用變頻器把電機(jī)的輸入電源頻率與要控制的參數(shù)關(guān)聯(lián)。凝結(jié)水泵改造時(shí)，建立除氧器水位與凝結(jié)水泵輸入頻率之間的函數(shù)關(guān)系，就可通過變頻控制實(shí)現(xiàn)用凝結(jié)水泵調(diào)速達(dá)到除氧器自動(dòng)控制水位的目標(biāo)。

泵類負(fù)載的功率P 及其運(yùn)行轉(zhuǎn)速n 的關(guān)系為P=kn3，即電機(jī)輸出功率正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速n 的三次方。變頻器主要是通過改變電源頻率來實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。因此對(duì)凝結(jié)水泵進(jìn)行變頻改造后，通過調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速在實(shí)現(xiàn)除氧器水位自動(dòng)控制的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)機(jī)組低負(fù)荷時(shí)凝結(jié)水泵節(jié)能運(yùn)行的目標(biāo)。

變頻調(diào)節(jié)時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速降低、其揚(yáng)程也降低，每個(gè)轉(zhuǎn)速下泵的性能曲線與管路的特性曲線均能良好匹配。實(shí)際工況點(diǎn)下，凝結(jié)水泵的揚(yáng)程全部用于克服管路靜壓及流動(dòng)阻力，不會(huì)有富裕壓頭，不產(chǎn)生節(jié)流損失，因而節(jié)能效果明顯。同時(shí)在變頻調(diào)節(jié)的工況下，除氧器高壓閥處于全開位置，不進(jìn)行節(jié)流、不參于調(diào)節(jié)，系統(tǒng)壓力低于節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)的壓力，減小了對(duì)閥門的沖刷磨損，提高了閥門的使用壽命，也提高了系統(tǒng)的安全性。

變頻調(diào)節(jié)靈敏度高、響應(yīng)速度快，更能適應(yīng)機(jī)組工況的快速變化；變頻調(diào)節(jié)有良好的調(diào)節(jié)特性，能提升凝結(jié)水系統(tǒng)調(diào)節(jié)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4.3 一對(duì)二工/變頻自動(dòng)切換技術(shù)

凝結(jié)水泵技術(shù)改造時(shí)，在保證安全運(yùn)行并且實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)的前題下，應(yīng)盡可能減少改造成本。由于每臺(tái)機(jī)組的兩臺(tái)凝結(jié)水泵正常情況下只有一臺(tái)運(yùn)行、另一臺(tái)備用，因此可每臺(tái)機(jī)組只安裝一套變頻裝置，即變頻器與電機(jī)“一對(duì)二”配置，用刀閘回路實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)泵之間的切換。“一對(duì)二配置”相較變頻器與電機(jī)“一對(duì)一”配置的改造，每臺(tái)機(jī)組就可少購買一臺(tái)高壓變頻器，使改造費(fèi)用大大降低，而在變頻運(yùn)行泵出現(xiàn)故障時(shí)，可將另一臺(tái)備用泵工頻投入運(yùn)行。

凝結(jié)水泵變頻改造后，一臺(tái)凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行、一臺(tái)凝結(jié)水泵工頻備用或投運(yùn)。變頻器通過刀閘切換實(shí)現(xiàn)與兩臺(tái)凝泵的其中一臺(tái)進(jìn)行聯(lián)接。系統(tǒng)變頻運(yùn)行方式為：一臺(tái)高壓變頻器帶一臺(tái)凝結(jié)泵運(yùn)行，對(duì)凝結(jié)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)的除氧器調(diào)閥處于全開狀態(tài)，凝結(jié)泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速由DCS 發(fā)出控制指令，通過高壓變頻器逆變輸出控制凝結(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制凝結(jié)水量，實(shí)現(xiàn)除氧器水位自動(dòng)控制的目的。

如果高壓變頻器停運(yùn)，則凝結(jié)泵可由高壓變頻器的旁路刀閘切換到工頻狀態(tài)下工頻運(yùn)行；凝結(jié)水系統(tǒng)在工頻運(yùn)行方式下，系統(tǒng)由凝結(jié)水泵使用除氧器調(diào)閥開度調(diào)節(jié)流量達(dá)到控制凝結(jié)水量，實(shí)現(xiàn)除氧器水位自動(dòng)控制的目的。

4.4 凝結(jié)水泵變頻改造的優(yōu)點(diǎn)

變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)靈敏等特點(diǎn)。對(duì)凝結(jié)水泵采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)能夠使凝結(jié)水泵控制精度得到極大的提高，使凝結(jié)水泵在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，凝結(jié)水泵能在機(jī)組接帶各種負(fù)荷的狀態(tài)下，均能以最為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的工況匹配機(jī)組運(yùn)行，大大降低凝結(jié)水泵在機(jī)組低負(fù)荷時(shí)的耗電率，使機(jī)組在長期低負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果突出。

適應(yīng)機(jī)組長時(shí)間低負(fù)荷工況下運(yùn)行的凝結(jié)水泵變頻技術(shù)改造優(yōu)點(diǎn)為：一是增加了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性；二是減少了調(diào)閥的磨損，提高了調(diào)閥使用壽命，增加了設(shè)備可靠性和安全性；三是節(jié)能效果突出。改造中變頻器與電機(jī)采用“一對(duì)二”配置，又大大降低了改造的費(fèi)用。

5 結(jié)語

該電廠采用抽葉輪技術(shù)改造，以極低的成本，已經(jīng)成功的解決了凝結(jié)水泵設(shè)計(jì)壓力富余量過大的問題，節(jié)能效果顯著，大大提升了凝結(jié)水系統(tǒng)的安全性。根據(jù)后續(xù)外部電網(wǎng)負(fù)荷需求變化的趨勢(shì)，機(jī)組深度參與調(diào)峰時(shí)節(jié)能的需求，提出并分析了對(duì)凝結(jié)水泵采用“一對(duì)二”變頻改造的技術(shù)路線，對(duì)后續(xù)電廠技術(shù)改造具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。