劉增遠(yuǎn)，康 博，張同亮

(1. 西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710075；

2. 國(guó)電巴楚發(fā)電有限公司，新疆 巴楚 843800)

火電廠中凝結(jié)水泵應(yīng)用變頻技術(shù)的節(jié)能分析

劉增遠(yuǎn)1，康 博1，張同亮2

(1. 西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710075；

2. 國(guó)電巴楚發(fā)電有限公司，新疆 巴楚 843800)

根據(jù)火電廠凝結(jié)水工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文提出了凝結(jié)水泵電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則。在此基礎(chǔ)上，分析了一拖二帶工頻旁路方案的三種典型接線形式，梳理了除氧器水位控制邏輯和變頻調(diào)節(jié)的控制策略。最后以某電廠凝結(jié)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)為實(shí)例，研究了變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行方式和安全工作方式，分析了節(jié)能效果。分析結(jié)果顯示，凝結(jié)水泵變頻調(diào)速技術(shù)可以大大的節(jié)約能源，取得很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，值得在火力發(fā)電廠中大面積推廣。

凝結(jié)水泵；變頻調(diào)速技術(shù)；節(jié)能；設(shè)計(jì)；發(fā)電廠。

1 概述

隨著全球經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，人均能耗不斷升高，節(jié)能降耗成為越來(lái)越重要的課題。目前，我國(guó)火電廠中泵與風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率比世界發(fā)達(dá)國(guó)家水平大約低20%，研究一種先進(jìn)的節(jié)能降耗技術(shù)毫無(wú)疑問(wèn)可以有效推進(jìn)我國(guó)的節(jié)能降耗工作。

火電廠中凝結(jié)水泵的變頻調(diào)節(jié)方式與擋板或閥門(mén)調(diào)節(jié)方式有著非常突出的優(yōu)點(diǎn)：首先變頻裝置響應(yīng)的速度很快，可以隨時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的變化而靈活調(diào)整，其次避免了節(jié)流損耗，起到了節(jié)能降耗的作用。除此之外，因?yàn)殚y門(mén)或出口擋板不起調(diào)節(jié)作用，可以提高其使用壽命，因此，各種變頻裝置在火電廠中凝結(jié)水泵的節(jié)能應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

2 凝結(jié)水工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)介

火電機(jī)組凝結(jié)水泵的作用是把凝汽器熱井中的凝結(jié)水經(jīng)低壓加熱器打入除氧器，既維持凝汽器熱井水位穩(wěn)定又保證除氧器中的水量，既要滿足生產(chǎn)工藝要求又不能造成電能的浪費(fèi)，因此，保證凝結(jié)水泵的安全可靠運(yùn)行顯得至關(guān)重要。

火力發(fā)電廠中，凝結(jié)水泵的配置一般有三種：

(1)2×50%配置，50%容量的泵在50%THA及以下1臺(tái)泵運(yùn)行，50%THA以上2臺(tái)泵運(yùn)行。

(2)2×100%配置，100%容量的泵始終一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。

(3)3×50%配置，50%容量的泵在50%THA及以下1臺(tái)泵運(yùn)行，50%THA以上2臺(tái)泵運(yùn)行，一般情況下兩臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。；

圖1為典型的2×100%配置方案凝結(jié)水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度見(jiàn)表1。由該表可看出，凝結(jié)水泵電機(jī)長(zhǎng)期處于重度節(jié)流狀態(tài)，會(huì)造成大量電能浪費(fèi)，使用效率非常低。

表1 輕負(fù)荷下的凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度

3 凝結(jié)水泵電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)工藝系統(tǒng)配置特點(diǎn)，凝結(jié)水泵電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)的系統(tǒng)可按如下原則設(shè)計(jì)：

(1) 當(dāng)工藝系統(tǒng)為2×50%配置時(shí)，變頻調(diào)速系統(tǒng)一般采用一臺(tái)變頻裝置拖動(dòng)一臺(tái)電機(jī)的一拖一方式，宜配置工頻旁路開(kāi)關(guān)。

(2) 當(dāng)工藝系統(tǒng)為2×100%配置時(shí)，變頻調(diào)速系統(tǒng)可采用一臺(tái)變頻裝置拖動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)的一拖二(帶工頻旁路)方式，也可采用一臺(tái)變頻裝置拖動(dòng)一臺(tái)電機(jī)的一拖一(不帶工頻旁路開(kāi)關(guān))方式。

(3) 當(dāng)工藝系統(tǒng)為3×50%配置時(shí)，變頻調(diào)速系統(tǒng)可采用一拖一(帶工頻旁路)+一拖二(帶工頻旁路)方式，也可3臺(tái)全配一拖一(不帶工頻旁路)方式。

4 凝結(jié)水泵電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析

4.1 電氣設(shè)計(jì)方案分析

總體來(lái)說(shuō)，凝結(jié)水泵電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可分為一拖一帶工頻旁路方案和一拖二帶工頻旁路方案兩種，一拖一帶工頻旁路方案較為簡(jiǎn)單，下面主要介紹一拖二帶工頻旁路方案。

一拖二帶工頻旁路方案按電氣系統(tǒng)不同配置組合方式一般有以下三種典型接線：

典型接線一采用三臺(tái)母線上饋線開(kāi)關(guān)、四臺(tái)變頻系統(tǒng)切換開(kāi)關(guān)和一臺(tái)高壓變頻裝置組成，兩臺(tái)凝結(jié)水泵以工頻運(yùn)行時(shí)分別接在不同高壓工作段上，以變頻運(yùn)行時(shí)只能從固定的一段取電源。工頻、變頻的切換集中在切換開(kāi)關(guān)柜處，正常運(yùn)行時(shí)不需操作母線上饋線開(kāi)關(guān)。

典型接線二采用三臺(tái)母線上饋線開(kāi)關(guān)、兩臺(tái)變頻系統(tǒng)切換開(kāi)關(guān)和一臺(tái)高壓變頻裝置組成，節(jié)省兩臺(tái)接觸器，功能與方案一基本 相同。但工頻、變頻的切換需操作母線上饋線開(kāi)關(guān)，存在變頻控制系統(tǒng)與廠用電源控制系統(tǒng)的接口。

典型接線三采用兩臺(tái)母線上饋線開(kāi)關(guān)、六只切換開(kāi)關(guān)組成。兩臺(tái)凝結(jié)水泵工頻、變頻運(yùn)行時(shí)均分別接在不同高壓工作段上，便于高壓系統(tǒng)負(fù)荷平衡，工頻、變頻的切換集中在切換開(kāi)關(guān)柜處。由于切換開(kāi)關(guān)數(shù)量較多，當(dāng)需要節(jié)約投資時(shí)也可采用刀閘，但由于刀閘不能帶負(fù)荷操作，故需斷開(kāi)斷路器進(jìn)行切換操作，切換復(fù)雜。

由于在工頻與變頻之間切換時(shí)需先調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度再進(jìn)行切換，以防止直接切換時(shí)出力變化大對(duì)工藝系統(tǒng)造成的沖擊，同時(shí)大部分制造廠在工頻與變頻自動(dòng)切換時(shí)的同步問(wèn)題解決存在較大困難，故對(duì)于工頻與變頻之間的切換大部分采用手動(dòng)切換。

圖2為一拖二帶工頻旁路方案三種典型接線圖對(duì)比。

圖2 一拖二帶工頻旁路方案三種典型接線圖對(duì)比

4.2 除氧器水位控制邏輯分析

控制除氧器水位在期望的數(shù)值是發(fā)電機(jī)運(yùn)行監(jiān)控的重要內(nèi)容之一。未采用變頻調(diào)速方案時(shí)，如果凝結(jié)水流量小于30%時(shí)，T1切換裝

置切換至N側(cè)，除氧器水位的調(diào)節(jié)方式改為單沖量調(diào)節(jié)方式，控制器PID1直接調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度數(shù)值；如果凝結(jié)水流量大于30%時(shí)，T1切換裝置切換至Y側(cè)，調(diào)節(jié)方式改為三沖量調(diào)節(jié)方式，控制器PID2的輸出信號(hào)和凝結(jié)水流量信號(hào)，兩者綜合可作為控制器PID3的輸入值，與實(shí)際的凝結(jié)水流量相比，經(jīng)運(yùn)算后，由其輸出信號(hào)調(diào)控調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度數(shù)值。采用凝結(jié)水泵變頻調(diào)速方案后，將三沖量信號(hào)輸出到變頻裝置，再經(jīng)變頻裝置內(nèi)置的控制單元調(diào)節(jié)信號(hào)頻率和電壓，這樣就可以起到控制凝結(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)除氧器水位的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。凝結(jié)水泵電機(jī)變頻調(diào)速方案除氧器水位控制邏輯見(jiàn)圖3。

圖3 是否采用變頻調(diào)速方案時(shí)的除氧器水位控制邏輯對(duì)比圖

5 某火電廠凝結(jié)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證

某火電廠一臺(tái)發(fā)電機(jī)組配置兩臺(tái)100%凝結(jié)水泵，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)一臺(tái)凝結(jié)水泵運(yùn)行，另一臺(tái)凝結(jié)水泵備用；一旦運(yùn)行的凝結(jié)水泵發(fā)生故障，供電系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)備用泵，這樣就保證了發(fā)電系統(tǒng)的安全連續(xù)運(yùn)行。同時(shí)，考慮到凝結(jié)水泵長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性和可靠性，兩臺(tái)凝結(jié)水泵一般應(yīng)按月交替使用，這樣可以方便定期檢修。

根據(jù)上文的分析，該火電廠凝結(jié)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)宜選用一拖二帶工頻旁路方案，選用較為常用的典型接線二，見(jiàn)圖4，變頻裝置電源與凝結(jié)水泵A的工頻電源來(lái)自同一段母線，變頻裝置輸出通過(guò)兩個(gè)相互閉鎖的斷路器(QF4和QF5)進(jìn)行切換就能實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)泵的正常運(yùn)行。

5.1 凝結(jié)水泵運(yùn)行方式

(1)凝結(jié)水泵A變頻調(diào)速運(yùn)行；凝結(jié)水泵B處于工頻備用狀態(tài)

正常運(yùn)行時(shí)，變頻裝置電源斷路器(QF2)和凝結(jié)水泵A變頻裝置出口斷路器(QF4)處于閉合狀態(tài)，其他斷路器均斷開(kāi)，凝結(jié)水泵B處于工頻備用狀態(tài)。當(dāng)凝結(jié)水泵A運(yùn)行到最大轉(zhuǎn)速但還不能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)以工頻方式啟動(dòng)凝結(jié)水泵B，調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵閥門(mén)，待穩(wěn)定后系統(tǒng)將凝結(jié)水泵A轉(zhuǎn)入變頻調(diào)速運(yùn)行。當(dāng)凝結(jié)水泵A變頻運(yùn)行遇到故障時(shí)，可通過(guò)故障信號(hào)自動(dòng)將凝結(jié)水泵B以工頻方式啟動(dòng)，以調(diào)節(jié)凝凝結(jié)水泵閥門(mén)。

圖4 某火電廠凝結(jié)水泵變頻調(diào)速一次系統(tǒng)圖

(2)凝結(jié)水泵A變頻調(diào)速運(yùn)行；凝結(jié)水泵B處于工頻備用狀態(tài)

運(yùn)行方式與(1)所述運(yùn)行方式相同，這里不再贅述。

5.2 安全工作方式

(1)凝結(jié)水泵A工頻斷路器(QF1)與凝結(jié)水泵A變頻切換斷路器(QF4)相互閉鎖；凝結(jié)水泵B工頻斷路器(QF3)與凝結(jié)水泵B變頻切換斷路器(QF5)相互閉鎖；凝結(jié)水泵A變頻切換斷路器(QF4)與凝結(jié)水泵B變頻切換斷路器(QF5)相互閉鎖。

(2)變頻裝置電源斷路器(QF2)與凝結(jié)水泵A工頻斷路器(QF1)對(duì)應(yīng)的接地刀(圖中未示出)相互閉鎖；變頻裝置電源斷路器(QF2)與凝泵B工頻斷路器(QF3)對(duì)應(yīng)的接地刀(圖中未示出)相互閉鎖。

(3)變頻裝置電源斷路器(QF2)與凝結(jié)水泵A工頻斷路器(QF1)不用相互閉鎖；變頻裝置電源斷路器(QF2)與凝結(jié)水泵B工頻斷路器(QF3)不用相互閉鎖。

(4)變頻裝置正?；蚬收贤C(jī)后變頻裝置先切斷QF2，然后連跳QF4和QF5；QF4和QF5發(fā)生故障后，DCS發(fā)出信號(hào)連跳QF2。

5.3 節(jié)能計(jì)算與分析

為了對(duì)比采用變頻調(diào)速系統(tǒng)和未采用變頻

上網(wǎng)電價(jià)按照0.35元/kWh計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)約為216.44×0.35=75.754(萬(wàn)元)。按照這樣計(jì)算，凝結(jié)水泵電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)方案的投資回收期為：總投資額/年節(jié)約電費(fèi)=200/75.754=2.64(年)。

其中，總投資額包括變頻裝置、電纜等材料費(fèi)用，UPS電源和施工費(fèi)用等。

由此可見(jiàn)，對(duì)凝結(jié)水泵電機(jī)采用的節(jié)能方案，在運(yùn)行中可取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)分析來(lái)看，機(jī)組負(fù)荷率越低，取得的經(jīng)濟(jì)效益就越高。因此，機(jī)組新建擴(kuò)建和老機(jī)組改造工程中，變頻調(diào)速技術(shù)將在節(jié)省能耗方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

6 結(jié)語(yǔ)

本文較為系統(tǒng)的研究了凝結(jié)水泵電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能設(shè)計(jì)方案。并以某火電廠調(diào)速系統(tǒng)兩種方案的能耗，本文對(duì)上文所述某火電廠和未采用變頻調(diào)速系統(tǒng)的同類型發(fā)電廠進(jìn)行了調(diào)研，繪制了在相同負(fù)荷條件下，工頻與變頻運(yùn)行的實(shí)時(shí)功率和額定功率見(jiàn)圖5。圖中，縱軸PD為凝結(jié)水泵正常運(yùn)行時(shí)的功率，橫軸PL為機(jī)組容量，PDN為電機(jī)額定功率，PD1和PD2分別為工頻和變頻即時(shí)功率。

圖5 凝結(jié)水泵在相同機(jī)組負(fù)荷時(shí)工、變頻運(yùn)行的即時(shí)功率

根據(jù)圖5中凝泵在相同機(jī)組負(fù)荷時(shí)工、變頻運(yùn)行的即時(shí)功率，考慮到表1中不同機(jī)組負(fù)荷條件下分布時(shí)間的比值，每年的運(yùn)行時(shí)間按7000h計(jì)算，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)方案比未采用變頻調(diào)速系統(tǒng)方案每年的節(jié)電量可按下式計(jì)算：變頻調(diào)速系統(tǒng)為實(shí)例，闡述了凝結(jié)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行方式和安全工作方式，對(duì)該電廠的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能計(jì)算與分析，分析結(jié)果顯示，每年可節(jié)約電費(fèi)75.754萬(wàn)元，投資回收期僅為2.64年。

可見(jiàn)，基于本文所述系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)火電廠凝結(jié)水泵應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，從長(zhǎng)期機(jī)組運(yùn)行來(lái)看，可以大大的節(jié)約能源，取得很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，值得在火力發(fā)電廠中大面積推廣。

[1]張承慧，程金，夏東偉，等．變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．熱能動(dòng)力工程，2003，18(5).

[2]曹樂(lè)敏．萊城電廠凝結(jié)水泵一拖二變頻調(diào)速改造[J]．山東電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)， 2003，(4)．

[3] DLT5153－2002， 火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]．

[4]韓安榮．通用變頻裝置及其應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

Energy saving Analysis of Frequency Control Technology Used in Condensate Pump Motor of Power Plant

LIU Zeng-yuan1, KANG Bo1, ZHANG Tong-liang2
(1. Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 710075, China；
2. Guodian Bachu Power Generation Co.,Ltd., Bachu 843800, China)

According to the characteristic of condensate system, the system design principle of frequency control technology used in condensate pump motor is delivered. On this basis, three typical connection forms of onefrequency-converter-two-motor with power frequency bypassing are analyzed. The control logic of deaerator water control and the control strategy of variable frequency regulation are carded. Finally, take the frequency control system in a certain power plant for example, the operation mode and safety working mode in frequency control system are researched, and the energy conservation effect is analyzed. The analysis result shows that Frequency Control Technology Used in Condensate Pump Motor can save energy to a large degree and Achieve good economic and social benefits. This technology deserved to popularize in thermal power plant.

condensate pump; frequency control technology; energy conservation; design; power plant.

TM621

B

1671-9913(2014)03-0036-05

10.13500/j.cnki.11-4908/tk.2014.03.008

2013-10-01

劉增遠(yuǎn)(1967- )，男，陜西西安人，碩士研究生，高級(jí)工程師，注冊(cè)電氣工程師，注冊(cè)監(jiān)理工程師，主要從事發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)方面的工作。