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[摘 要] 介绍了内蒙古呼和浩特市金桥热电厂2×300MW国产机组凝结水泵的高压变频改造设计与运行情况,并对改造后的经济效益进行了分析。运行结果证明,在火电厂辅机中利用高压变频技术进行调节具有良好的技术性能和显著的经济效益。
[关键词] 300 MW机组 凝结水系统 凝结水泵 变频 节能 优化改造
引言
由于我国能源分布的不均衡，因此当前在我国能源结构中仍以火力发电为主。截止到2010年底，全国发电设备容量为96219万千瓦，其中，火电装机容量为70663万千瓦，占总装机容量的73.44%，与2006年底的77.82%仅降低了4.38个百分点[1-2]。然而火电厂中的主要电力设备存在较严重的能源浪费现象,其中凝结水泵是汽轮机热力系统中的重要的辅机设备之一，它的作用是把凝汽器中的凝结水打入低压加热器加热后送入除氧器内。由于凝结泵采用定速运行，所以出口流量只能由控制阀门调节，节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低，经常发生泄漏[3-4]；由于控制阀门为电动机械调整结构，因此线性度不好、调节品质差、自动投入率低；而开关的频繁调节，致使各种故障频频发生，现场维护量增加，造成各种资源的浪费。通过对凝结泵利用变频技术进行改造,使其输出功率可以随机组负荷变化进行自动调节，一次性投入，实现长期节能降耗的长远目的。
1.系统简介
内蒙古呼和浩特市金桥热电厂2×300MW国产机组，汽机采用东方汽轮机厂的亚临界中间再热双排汽凝汽式汽轮机，锅炉采用东方锅炉厂的W型亚临界一次中间再热自然循环汽包炉，热控系统采用SIEMENS公司生产的PCS7分散控制系统。在2007年5月份进行的#2机组大修中本次凝泵变频改造采用“一拖二”方式，即采用一套变频器，一台凝泵变频运行，另一台凝泵工频备用。凝结泵是汽轮机热力系统中的主要辅机设备之一，它的作用是把凝汽器中的凝结水打入低压加热器加热后送入除氧器内。
内蒙古自治区呼和浩特市金桥热电厂凝泵变频改造的目的是通过改变凝泵转速来改变凝泵运行曲线，使出口压力、流量与电机耗能达到一个最佳匹配，从而大幅度降低凝泵功耗。凝结水泵及其配用电机参数如表1和表2所示。
2.变频调速的基本理论
从交流异步电动机的转速公式可以分析如何改变异步电动机的转速[5-7]：
2-1
式中：n，电动机运行时的实际转速；
n1，电动机的同步转速；
f1，电动机电源频率；
s，电动机转差率；
p，电动机极对数。
当改变电源频率时，同步转速与频率成正比变化，于是异步电动机的转速也随之改变,所以改变电源频率就可以平滑地调节异步电动机的转速。异步电动机正常运行时，从可知，U1 不变，磁通Φm 随频率f1 的改变而改变，频率升高，Φm会下降，电机允许的输出力矩将降低，电机不能充分利用，所以，为了维持电动机磁通恒定，在调频的同时还要调压，使U1 与f1 成比例改变。在过载能力不变的情况下，由电机学可知，电压U、频率f1 与最大力矩T max之间的关系如下[7]：
2-2
式中： Tmax，电动机的最大转矩；
m1，电动机绕组的相数；
p，电动机极对数；
U，电动机电源电压；
f1，电动机电源频率；
r1，电动机线圈直流电阻；
x1，电动机的定子漏抗；
x2，电动机的激磁电抗；
C，比例系数。
因此，改变频率的调速属于转差率基本不变、同步转速和电动机理想转速同步变化条件下的调速。所以，变频调速的调速精度、功率因数和效率都较高，容易实现闭环自动控制。
交流电机的输出功率为：
式中： T，电动机的负载转矩；
电动机的旋转角频率；
而风机和泵类负载特性为：，所以功率及其运行转速n的关系为，即对于风机和泵类等一类的负载，电动机的输出功率正比于电机转速的三次方。其中K为负载功率计算系数，风机约为3，泵类约为2。无论采取何种方式均可使用来计算负载功率。当电动机降低转速时，风机所消耗的电功率按三次方比例关系下降；在机组低负荷情况下，对风机的需求相对较少；例如采用变频控制时，当风量与转速均下降到80%时,功率将降低到额定功率的51%，而采用挡板调节风量时，电机消耗的功率约为90%，能量损失严重。当风量与转速均下降到60%时,功率将降低到额定功率的21%。由此可见，采用变频调节后，入口挡板全开，几乎消除了节流阻力，节能效果明显。实现变频控制原理如图1所示。
3.变频调节运行方式
3.1 单台变频泵运行
当凝结水流量较小，单台凝泵运行能够满足机组运行要求时，采用单台变频泵运行。凝泵的最大设计流量为430t/h，参考同类型泵的经验该泵在800转左右时处于转速共振区，此时振动较大，对泵体及管道损害较大，同时考虑到低流量时对泵体汽蚀的影响，故将变频最低转速设定为900r/min，该转速下此时泵的流量大约为280t/h左右。所以单台变频泵变频调节的区间设定为凝结水流量低于430t/h的区间里。
在该区间里有分两段进行调节，第一段为280t/h至430t/h，在此区间里除氧器水位全部由变频泵进行调节，除氧器上水调节门全开，减少截流损失。当流量小于280t/h时，变频泵保持900n/min定速，除氧器水位由除氧器上水调节门进行调节，其它水量由再循环门回到凝汽器内。
3.2 两台凝泵一工一变运行
通过对机组凝结水系统和凝结水泵运行方式、动力系统结构的研究分析，本次节能改造采用一工一变的运行方式，且可以确定一工一变这种运行方式可以保证两台凝泵不发生抢水现象。
4.节能改造设计及调试
#2凝结水泵由工频泵改为变频泵，#1凝泵仍为工频泵作为备用。#2凝泵变频装置采用北京利德华福公司的720KW/6KV高压变频调速系统。改造后的#2变频泵转速控制逻辑由PCS7系统实现，共增加IO点12个：AI 3个；DI 5个；DO 4个。其中，#1凝结水系统图如图2所示。
通过对机组凝结水系统和凝结水泵运行方式、动力系统结构的研究分析，结合现场试验，作者提出一工一变的控制方案。由于凝结水泵属一用一备运行方式，因此采用一工一变方案可以提高变频设备的利用率，保证系统具有良好的节能效果。另一方面，凝结水泵具有定期设备轮换的制度，变频电机运行一段时间后改为工频电机运行一小段时间，检验备用系统的良好性。改造后如图3所示，#1凝结水泵维持原接线方式，#2凝结水泵经变频器接入6KV系统中。
凝结水泵改造后的运行方式主要有以下两种：#1泵变频运行，#2泵工频备用；#2泵变频运行，#1泵工频备用。变频器改造之后，主要采用第一种方式运行，以达到节能降耗的目的。下面主要介绍#2泵变频运行，#1泵工频备用的运行方式：
电厂集控室采集除氧器的水位信号，并且将其转换为4～20mA信号，将其作为变频器的输出频率的给定信号，变频器拖动电机在此频率下运行，从而母管流量也随之相应改变。
#1、#2泵之间设有故障联锁。变频器一旦故障停机，则迅速切换到#1泵工频运行方式，保证发电的可靠性。
5.凝结水泵高压变频器的确定
通过对各变频器厂家产品的认真筛选，对各变频器性能的综合考察，最后公司采用了利德华福公司生产的HARSVERT-A06/90型高压变频器，表4为该变频调速系统技术参数表[8-11]：
6.凝结水泵改变频试验和实际节能效果
6.1 #2变频泵改造后的电流
表4#2变频泵改造后的电流数据
6.2 变频改造前后对比
表5#2变频泵改造的前后对比数据
经运行比较发现，机组负荷在160～220MW变化时，改造后电流平均下降了20.5A，按金桥热电厂2×300MW机组单机平均负荷200MW计算，每小时节约电量为
按上网电价0.28元/度 ，每年机组运行7200小时计算 每台机组节电效益为：
（万元）
通过对以上的数据分析，同时结合现场的实际运行情况，可以看到凝结水泵经过变频改造后节能也十分明显，大概不到一年就可以收回变频器的投资。
7.结束语
通过系统调试及各项试验，金桥热电厂在2×300 MW机组凝结水泵变频节能改造控制方面积累了丰富的经验，解决了变频器投入运行后凝汽器水位及凝结水压力控制方面的问题，满足了2台凝结水泵相互联锁保护的要求，保证了机组的安全、经济运行。
参考文献：
[1] 中国电力企业联合会.2010年全国电力工业统计快报[EB/OL]. http://www.cec.org.cn/yaowenkuaidi/2011-02-09/39713.html.
[2] 刘广忱,杨德荣,张英贤.基于中压变频技术的600MW机组凝结水泵的节能改造[J].热力发电,2008,37(8):62-64.
[3] 胡松如,李遵基,陆介章,等.高压变频调速控制节能原理分析[J].中国电力,2003,36(1):67-70.
[4] 李科文,王新.国产300MW机组凝结水系统节能改造及经济性能分析[J].热力发电,2010,39(4):52-54.
[5] 邱阿瑞.交流电力拖动及应用[M].北京：人民邮电出版社，2000.
[6] 曹承志.电机拖动与控制[M].沈阳：沈阳工业大学出版社，20005.
[7] 叶东.电机学[M].天津：天津科学技术出版社，1995.
[8] 高压变频调速系统技术手册[S].利德华福电气技术有限公司,2009.
[9] 姚峻，沈丛奇.DCS系统设计思想及组态方法的探讨[J].华东电力技术，2002(1)：37～39.
[10] 顾海栋.变频调速技术在电厂凝水系统中的研究与应用[D].上海交通大学.2008.
[11] 顾生红. 田家庵电厂#6机B凝结水泵变频改造应用[D].合肥工业大学.2008.
作者简介：
党建军（1974/04— ）男，华北电力大学工程硕士，高级工程师，研究方向无功补偿、电力电子技术在电力系统中的应用。（指导教师：林俐）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
[关键词] 300 MW机组 凝结水系统 凝结水泵 变频 节能 优化改造
引言
由于我国能源分布的不均衡，因此当前在我国能源结构中仍以火力发电为主。截止到2010年底，全国发电设备容量为96219万千瓦，其中，火电装机容量为70663万千瓦，占总装机容量的73.44%，与2006年底的77.82%仅降低了4.38个百分点[1-2]。然而火电厂中的主要电力设备存在较严重的能源浪费现象,其中凝结水泵是汽轮机热力系统中的重要的辅机设备之一，它的作用是把凝汽器中的凝结水打入低压加热器加热后送入除氧器内。由于凝结泵采用定速运行，所以出口流量只能由控制阀门调节，节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低，经常发生泄漏[3-4]；由于控制阀门为电动机械调整结构，因此线性度不好、调节品质差、自动投入率低；而开关的频繁调节，致使各种故障频频发生，现场维护量增加，造成各种资源的浪费。通过对凝结泵利用变频技术进行改造,使其输出功率可以随机组负荷变化进行自动调节，一次性投入，实现长期节能降耗的长远目的。
1.系统简介
内蒙古呼和浩特市金桥热电厂2×300MW国产机组，汽机采用东方汽轮机厂的亚临界中间再热双排汽凝汽式汽轮机，锅炉采用东方锅炉厂的W型亚临界一次中间再热自然循环汽包炉，热控系统采用SIEMENS公司生产的PCS7分散控制系统。在2007年5月份进行的#2机组大修中本次凝泵变频改造采用“一拖二”方式，即采用一套变频器，一台凝泵变频运行，另一台凝泵工频备用。凝结泵是汽轮机热力系统中的主要辅机设备之一，它的作用是把凝汽器中的凝结水打入低压加热器加热后送入除氧器内。
内蒙古自治区呼和浩特市金桥热电厂凝泵变频改造的目的是通过改变凝泵转速来改变凝泵运行曲线，使出口压力、流量与电机耗能达到一个最佳匹配，从而大幅度降低凝泵功耗。凝结水泵及其配用电机参数如表1和表2所示。
2.变频调速的基本理论
从交流异步电动机的转速公式可以分析如何改变异步电动机的转速[5-7]：
2-1
式中：n，电动机运行时的实际转速；
n1，电动机的同步转速；
f1，电动机电源频率；
s，电动机转差率；
p，电动机极对数。
当改变电源频率时，同步转速与频率成正比变化，于是异步电动机的转速也随之改变,所以改变电源频率就可以平滑地调节异步电动机的转速。异步电动机正常运行时，从可知，U1 不变，磁通Φm 随频率f1 的改变而改变，频率升高，Φm会下降，电机允许的输出力矩将降低，电机不能充分利用，所以，为了维持电动机磁通恒定，在调频的同时还要调压，使U1 与f1 成比例改变。在过载能力不变的情况下，由电机学可知，电压U、频率f1 与最大力矩T max之间的关系如下[7]：
2-2
式中： Tmax，电动机的最大转矩；
m1，电动机绕组的相数；
p，电动机极对数；
U，电动机电源电压；
f1，电动机电源频率；
r1，电动机线圈直流电阻；
x1，电动机的定子漏抗；
x2，电动机的激磁电抗；
C，比例系数。
因此，改变频率的调速属于转差率基本不变、同步转速和电动机理想转速同步变化条件下的调速。所以，变频调速的调速精度、功率因数和效率都较高，容易实现闭环自动控制。
交流电机的输出功率为：
式中： T，电动机的负载转矩；
电动机的旋转角频率；
而风机和泵类负载特性为：，所以功率及其运行转速n的关系为，即对于风机和泵类等一类的负载，电动机的输出功率正比于电机转速的三次方。其中K为负载功率计算系数，风机约为3，泵类约为2。无论采取何种方式均可使用来计算负载功率。当电动机降低转速时，风机所消耗的电功率按三次方比例关系下降；在机组低负荷情况下，对风机的需求相对较少；例如采用变频控制时，当风量与转速均下降到80%时,功率将降低到额定功率的51%，而采用挡板调节风量时，电机消耗的功率约为90%，能量损失严重。当风量与转速均下降到60%时,功率将降低到额定功率的21%。由此可见，采用变频调节后，入口挡板全开，几乎消除了节流阻力，节能效果明显。实现变频控制原理如图1所示。
3.变频调节运行方式
3.1 单台变频泵运行
当凝结水流量较小，单台凝泵运行能够满足机组运行要求时，采用单台变频泵运行。凝泵的最大设计流量为430t/h，参考同类型泵的经验该泵在800转左右时处于转速共振区，此时振动较大，对泵体及管道损害较大，同时考虑到低流量时对泵体汽蚀的影响，故将变频最低转速设定为900r/min，该转速下此时泵的流量大约为280t/h左右。所以单台变频泵变频调节的区间设定为凝结水流量低于430t/h的区间里。
在该区间里有分两段进行调节，第一段为280t/h至430t/h，在此区间里除氧器水位全部由变频泵进行调节，除氧器上水调节门全开，减少截流损失。当流量小于280t/h时，变频泵保持900n/min定速，除氧器水位由除氧器上水调节门进行调节，其它水量由再循环门回到凝汽器内。
3.2 两台凝泵一工一变运行
通过对机组凝结水系统和凝结水泵运行方式、动力系统结构的研究分析，本次节能改造采用一工一变的运行方式，且可以确定一工一变这种运行方式可以保证两台凝泵不发生抢水现象。
4.节能改造设计及调试
#2凝结水泵由工频泵改为变频泵，#1凝泵仍为工频泵作为备用。#2凝泵变频装置采用北京利德华福公司的720KW/6KV高压变频调速系统。改造后的#2变频泵转速控制逻辑由PCS7系统实现，共增加IO点12个：AI 3个；DI 5个；DO 4个。其中，#1凝结水系统图如图2所示。
通过对机组凝结水系统和凝结水泵运行方式、动力系统结构的研究分析，结合现场试验，作者提出一工一变的控制方案。由于凝结水泵属一用一备运行方式，因此采用一工一变方案可以提高变频设备的利用率，保证系统具有良好的节能效果。另一方面，凝结水泵具有定期设备轮换的制度，变频电机运行一段时间后改为工频电机运行一小段时间，检验备用系统的良好性。改造后如图3所示，#1凝结水泵维持原接线方式，#2凝结水泵经变频器接入6KV系统中。
凝结水泵改造后的运行方式主要有以下两种：#1泵变频运行，#2泵工频备用；#2泵变频运行，#1泵工频备用。变频器改造之后，主要采用第一种方式运行，以达到节能降耗的目的。下面主要介绍#2泵变频运行，#1泵工频备用的运行方式：
电厂集控室采集除氧器的水位信号，并且将其转换为4～20mA信号，将其作为变频器的输出频率的给定信号，变频器拖动电机在此频率下运行，从而母管流量也随之相应改变。
#1、#2泵之间设有故障联锁。变频器一旦故障停机，则迅速切换到#1泵工频运行方式，保证发电的可靠性。
5.凝结水泵高压变频器的确定
通过对各变频器厂家产品的认真筛选，对各变频器性能的综合考察，最后公司采用了利德华福公司生产的HARSVERT-A06/90型高压变频器，表4为该变频调速系统技术参数表[8-11]：
6.凝结水泵改变频试验和实际节能效果
6.1 #2变频泵改造后的电流
表4#2变频泵改造后的电流数据
6.2 变频改造前后对比
表5#2变频泵改造的前后对比数据
经运行比较发现，机组负荷在160～220MW变化时，改造后电流平均下降了20.5A，按金桥热电厂2×300MW机组单机平均负荷200MW计算，每小时节约电量为
按上网电价0.28元/度 ，每年机组运行7200小时计算 每台机组节电效益为：
（万元）
通过对以上的数据分析，同时结合现场的实际运行情况，可以看到凝结水泵经过变频改造后节能也十分明显，大概不到一年就可以收回变频器的投资。
7.结束语
通过系统调试及各项试验，金桥热电厂在2×300 MW机组凝结水泵变频节能改造控制方面积累了丰富的经验，解决了变频器投入运行后凝汽器水位及凝结水压力控制方面的问题，满足了2台凝结水泵相互联锁保护的要求，保证了机组的安全、经济运行。
参考文献：
[1] 中国电力企业联合会.2010年全国电力工业统计快报[EB/OL]. http://www.cec.org.cn/yaowenkuaidi/2011-02-09/39713.html.
[2] 刘广忱,杨德荣,张英贤.基于中压变频技术的600MW机组凝结水泵的节能改造[J].热力发电,2008,37(8):62-64.
[3] 胡松如,李遵基,陆介章,等.高压变频调速控制节能原理分析[J].中国电力,2003,36(1):67-70.
[4] 李科文,王新.国产300MW机组凝结水系统节能改造及经济性能分析[J].热力发电,2010,39(4):52-54.
[5] 邱阿瑞.交流电力拖动及应用[M].北京：人民邮电出版社，2000.
[6] 曹承志.电机拖动与控制[M].沈阳：沈阳工业大学出版社，20005.
[7] 叶东.电机学[M].天津：天津科学技术出版社，1995.
[8] 高压变频调速系统技术手册[S].利德华福电气技术有限公司,2009.
[9] 姚峻，沈丛奇.DCS系统设计思想及组态方法的探讨[J].华东电力技术，2002(1)：37～39.
[10] 顾海栋.变频调速技术在电厂凝水系统中的研究与应用[D].上海交通大学.2008.
[11] 顾生红. 田家庵电厂#6机B凝结水泵变频改造应用[D].合肥工业大学.2008.
作者简介：
党建军（1974/04— ）男，华北电力大学工程硕士，高级工程师，研究方向无功补偿、电力电子技术在电力系统中的应用。（指导教师：林俐）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文