300mw機(jī)組低壓加熱疏水泵變頻調(diào)速控制改造方案

頻效效應(yīng)技術(shù)是一項(xiàng)重要的節(jié)能和環(huán)保技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和家庭的使用中。其中交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)中變頻調(diào)速是我國現(xiàn)代電力傳動(dòng)的主要發(fā)展方向,交流調(diào)速電機(jī)的巨大吸引力在于其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益日益顯著。對(duì)于風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載設(shè)備傳動(dòng),其負(fù)載特性軸功率與轉(zhuǎn)速3次方成正比,按照不同工況需要,調(diào)節(jié)到最佳運(yùn)行狀態(tài),可以達(dá)到最大的節(jié)能效果。湛江發(fā)電廠300MW汽輪發(fā)電機(jī)組采用東方汽輪機(jī)廠制造的N300-16.7/537/537-3型汽輪機(jī),低壓加熱器(以下簡稱“低加”)疏水泵為上海水泵廠制造的150NW-90×2型臥式疏水泵,進(jìn)口直徑150mm,單級(jí)揚(yáng)程90m,級(jí)數(shù)為2級(jí),主要參數(shù)見表1。其原有的設(shè)計(jì)和在實(shí)際運(yùn)行中,主要存在著以下弊端:在機(jī)組120MW(40%工況)以上時(shí),低加疏水采用投入疏水泵運(yùn)行方式(1臺(tái)運(yùn)行,1臺(tái)備用),疏水泵采用定速運(yùn)行,通過出口調(diào)節(jié)閥節(jié)流來控制疏水箱水位,因而產(chǎn)生很大的節(jié)流損失和一定的熱量損失。由于泵出口調(diào)節(jié)閥特性不好,經(jīng)常發(fā)生低加疏水箱水位過低或無水位空泵運(yùn)行,造成疏水泵汽蝕,疏水管道振動(dòng)大,電流變化幅度大,泵使用壽命短,嚴(yán)重影響機(jī)組調(diào)整的穩(wěn)定投運(yùn)。運(yùn)行操作頻繁,檢修維護(hù)工作量大,設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高。為此,借鑒國內(nèi)外已有經(jīng)驗(yàn),提出了變頻調(diào)速控制技術(shù)解決方案,將低壓加熱器疏水泵疏水控制方式由閥門調(diào)節(jié)改為疏水泵變頻調(diào)速控制,根據(jù)負(fù)荷工況的疏水量來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而改變泵的出力,達(dá)到控制低加水位的目的。改造后機(jī)組起動(dòng)時(shí),當(dāng)負(fù)荷在40MW(13.3%工況)以上時(shí)即可投入疏水泵變頻運(yùn)行,提高了機(jī)組起動(dòng)熱效率,消除了出口調(diào)節(jié)閥節(jié)流造成的能量損耗,同時(shí)有效地降低了泵和電機(jī)的空載損耗,低加疏水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,檢修維護(hù)量和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用大為下降。本文介紹了利用變頻器對(duì)低壓加熱器疏水系統(tǒng)進(jìn)行改造的方案,包括主電路、可編程控制器(PLC)恒水位控制系統(tǒng)及控制流程等。并對(duì)變頻器的調(diào)速方式、變頻器的選型及應(yīng)用的相關(guān)問題進(jìn)行了分析。此外,對(duì)改造的效益和投資回收期也進(jìn)行了分析。研究結(jié)果對(duì)其他發(fā)電廠疏水系統(tǒng)變頻改造有一定的參考價(jià)值。1設(shè)備的一般配置和問題1.1低加疏水系統(tǒng)湛江發(fā)電廠汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠制造的N300-16.7/537/537-3型汽輪機(jī),機(jī)組采用八段非調(diào)整抽汽,前3段供高壓加熱器,后4段供低壓加熱器,低加疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為逐級(jí)自流和低加疏水泵聯(lián)合運(yùn)行方式,低加局部疏水系統(tǒng)如圖1所示。低加疏水泵為上海水泵廠造的150NW-90×2型,配用長沙電機(jī)廠制造的Y315M-2型電機(jī)。疏水泵出口調(diào)節(jié)閥選用美國FISHER調(diào)節(jié)閥。1.2疏水泵定速運(yùn)行按設(shè)計(jì)要求,機(jī)組負(fù)荷在120MW以下時(shí),低加疏水量少,容易打空,低加疏水采用自高至低逐級(jí)自流方式,即4號(hào)低加→3號(hào)低加→2號(hào)低加→低加疏水箱→12m水封U形管→1號(hào)低加→凝汽器。機(jī)組負(fù)荷在120MW以上時(shí),低加疏水采用逐級(jí)自流和疏水泵聯(lián)合運(yùn)行方式,即4號(hào)低加→3號(hào)低加→2號(hào)低加→低加疏水箱→疏水泵→2號(hào)低加出口凝結(jié)水母管→1號(hào)低加→凝汽器。該運(yùn)行方式可避免低加疏水導(dǎo)入凝汽器增加冷源損失,從而提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,但疏水泵采用定速運(yùn)行,通過出口調(diào)節(jié)閥節(jié)流來控制疏水箱水位,在運(yùn)行中存在如下問題:a)運(yùn)行時(shí)節(jié)流量大,出口壓力高,經(jīng)常發(fā)生泵軸封盤根處大量漏水造成工質(zhì)損失,同時(shí)容易軸承進(jìn)水,影響泵正常運(yùn)行甚至損壞軸承和泵;b)泵出口調(diào)節(jié)閥線性度不高,影響機(jī)組調(diào)整的穩(wěn)定投運(yùn);c)由于調(diào)節(jié)性能不好,經(jīng)常發(fā)生低加疏水箱水位過低或無水位空泵運(yùn)行,造成疏水泵汽蝕,疏水管道振動(dòng)大,電流變化大,泵葉輪及導(dǎo)葉輪、泵軸、軸承、盤根等部件損壞,影響泵使用壽命,一般運(yùn)行3～4個(gè)月檢修一次,有時(shí)是一臺(tái)未修好另一臺(tái)已壞,出現(xiàn)水位過高,使低加水位保護(hù)動(dòng)作,低加解列,影響機(jī)組安全運(yùn)行;d)疏水泵定速運(yùn)行,出口調(diào)節(jié)閥節(jié)流,能量損失大,且運(yùn)行操作頻繁,檢修維護(hù)工作量大,費(fèi)用高。低加疏水系統(tǒng)采用逐級(jí)自流和疏水泵聯(lián)合運(yùn)行方式設(shè)計(jì)的300MW機(jī)組,普遍存在上述問題。因此,自1993年起300MW機(jī)組低加疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)普遍取消低加疏水泵,將1號(hào)、2號(hào)低加聯(lián)合布置于凝汽器喉部,低加疏水采用逐級(jí)自流方式,系統(tǒng)簡單,檢修、運(yùn)行維護(hù)量少,但凝汽器冷源損失增加,降低了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。2低加疏水系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)為了從根本上解決上述問題,改善低加疏水系統(tǒng)的運(yùn)行條件,降低廠用電率,提高自動(dòng)化程度,實(shí)現(xiàn)低加疏水箱水位自動(dòng)調(diào)控,達(dá)到安全、節(jié)能和高效的目的,決定對(duì)低加疏水系統(tǒng)進(jìn)行改造。改造方案有三種,即采用機(jī)械式調(diào)速傳動(dòng)方式,變速聯(lián)軸節(jié)傳動(dòng)方式或變速電機(jī)調(diào)節(jié)方式。2.1采用自動(dòng)減速傳統(tǒng)模式如采用小汽機(jī)驅(qū)動(dòng),由于機(jī)械式調(diào)速傳動(dòng)投資高,維護(hù)要求高,加上現(xiàn)場(chǎng)空間較小,采用此方式顯然不可行。2.2機(jī)三種形式變速聯(lián)軸節(jié)就是在以定速運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)軸上裝設(shè)可調(diào)速的聯(lián)軸節(jié),用于改變負(fù)載裝置的輸入轉(zhuǎn)速。它又可分為機(jī)械式變速機(jī)、液力式變速機(jī)及電氣式變速機(jī)三種形式。機(jī)械式變速機(jī)主要為變間距帶輪與撓性帶調(diào)節(jié),由于其調(diào)速響應(yīng)性及精度差,現(xiàn)已廣泛改為變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。液力式變速機(jī)(如液力偶合器等)是利用改變液量來改變輸出軸的轉(zhuǎn)速,容易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速,比機(jī)械式調(diào)速好,但效率低、損耗大、無制動(dòng)、急加減速困難,也逐步被變頻器所取代。電氣式變速機(jī)即電磁轉(zhuǎn)差離合器,通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來控制速度與轉(zhuǎn)矩特性,但總效率低、轉(zhuǎn)筒需要冷卻、不能產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩等,也逐步被變頻調(diào)速所取代。2.3初期投資費(fèi)用異步電機(jī)的變速調(diào)節(jié)方式可采用變極調(diào)速和變頻調(diào)速兩種。變極調(diào)速需要更換電動(dòng)機(jī),初期投資費(fèi)用較高。近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,以微處理機(jī)CPU為控制核心的交流變頻技術(shù)日漸完善和成熟,性能價(jià)格比逐步提高,結(jié)合湛江電廠低加疏水泵的現(xiàn)場(chǎng)位置情況,為降低改造費(fèi)用,在不更換原電機(jī)的前提下,對(duì)疏水泵電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造。3稀疏水系統(tǒng)的頻變傳輸方法3.1信號(hào)至實(shí)行控制低加疏水泵變頻調(diào)速控制原理是由低加疏水箱水位差壓變送器傳輸水位信號(hào)至變頻器,由變頻器按照控制信號(hào)大小與設(shè)定水位控制值特性,輸出可調(diào)頻率的三相交流電源來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而改變泵的出力,達(dá)到控制低加水位的目的。疏水系統(tǒng)變頻控制水位系統(tǒng)的控制流程見圖2。3.2控制系統(tǒng)的改造湛江發(fā)電廠采用ZB-DS-132/B型低加水位變頻調(diào)速控制系統(tǒng)對(duì)300MW機(jī)組低加疏水系統(tǒng)進(jìn)行改造。主要由ZB-DS-132/B型變頻調(diào)速自動(dòng)控制柜、疏水箱水位SMAR智能差壓變送器、帶模擬量輸入輸出的可編程序控制器和日本富士公司的FRN132S型變頻器及疏水泵組構(gòu)成(見圖3)?？刂葡到y(tǒng)主要由主回路和控制回路兩部分構(gòu)成。主回路由整流器、濾波環(huán)節(jié)和逆變器構(gòu)成,用來為電機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源,其中整流器將工頻電源變?yōu)橹绷麟娫?濾波環(huán)節(jié)吸收整流器和逆變器之間的電壓波動(dòng),而逆變器則將直流電源再變?yōu)榻涣麟娫础？刂苹芈酚糜诮o主回路提供信號(hào),由頻率與電壓的運(yùn)算回路、主回路的電壓/電源檢測(cè)回路、電動(dòng)機(jī)的速度檢測(cè)回路、將運(yùn)算回路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的驅(qū)動(dòng)回路以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的保護(hù)回路組成。具體改造方法如下:a)2臺(tái)疏水泵電機(jī)動(dòng)力電源回路共用1臺(tái)變頻器。這種配置方式靈活且節(jié)省投資。b)原有的手動(dòng)啟停及互鎖保留,以控制整套變頻裝置的2路工作電源開關(guān)。c)在疏水箱上安裝一套美國進(jìn)口且?guī)ID調(diào)節(jié)的SMAR-LP301水位差壓變送器。d)變頻器控制柜安裝在電氣配電室內(nèi),有全自動(dòng)、手動(dòng)及定速運(yùn)行3種方式。在集控室內(nèi)設(shè)監(jiān)視及遠(yuǎn)方操作裝置,并保留原疏水泵的斷路器及控制開關(guān)。接線方式為從原疏水泵動(dòng)力配電屏引動(dòng)力電纜到電機(jī)。3.3泵出口控制閥控制原理采用閉環(huán)全自動(dòng)運(yùn)行,由變頻器分別控制甲、乙疏水泵軟啟動(dòng)、軟停泵。交流接觸器的吸合由PLC程序控制,工頻與變頻及甲、乙泵變頻相互聯(lián)鎖;變頻器發(fā)生故障后由PLC自起動(dòng)另一臺(tái)泵工頻運(yùn)行,水位控制切換至由泵出口調(diào)節(jié)閥來控制。當(dāng)運(yùn)行方式為甲泵(或乙泵)自動(dòng)變頻運(yùn)行,乙泵(或甲泵)工頻備用方式時(shí),根據(jù)疏水箱水位高低,自動(dòng)調(diào)整甲泵(或乙泵)轉(zhuǎn)速及起、停乙泵(或甲泵),即當(dāng)甲泵(或乙泵)在滿負(fù)荷(設(shè)定頻率為50Hz)連續(xù)運(yùn)行70s以上時(shí),自動(dòng)起動(dòng)乙泵(或甲泵)工頻運(yùn)行;當(dāng)水位下降,甲泵(或乙泵)輕負(fù)載(設(shè)定頻率20Hz)連續(xù)運(yùn)行超過10s時(shí),自動(dòng)停止乙泵(或甲泵)運(yùn)行。3.4自動(dòng)交流方式bPLC有12個(gè)開關(guān)量和4個(gè)4～20mA模擬量輸入,有10個(gè)開關(guān)量和2個(gè)模擬量輸出。PLC接口資源分配見圖4?？删幊誊浖?yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能:a)根據(jù)差壓傳感器對(duì)疏水箱水位測(cè)量的信號(hào)(4～20mA),PLC對(duì)給定值SP與測(cè)量值進(jìn)行PI水位調(diào)節(jié),由PLC模擬口輸出4～20mA調(diào)節(jié)信號(hào)給變頻器,使變頻器輸出頻率即電機(jī)水泵轉(zhuǎn)速隨著水位變化而自動(dòng)改變,保證水位在給定值附近穩(wěn)定運(yùn)行。b)在自動(dòng)變頻方式下,甲泵能根據(jù)疏水箱水位信號(hào)作自動(dòng)變頻,改變疏水泵轉(zhuǎn)速運(yùn)行,乙泵作定速運(yùn)行準(zhǔn)備。當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷增加,疏水量大時(shí),甲泵達(dá)到最高頻率50Hz,即滿負(fù)荷運(yùn)行70s以上還不能保持水位穩(wěn)定,則乙泵自動(dòng)投入定速運(yùn)行;當(dāng)甲泵頻率下降,輕負(fù)載運(yùn)行超過10s時(shí),乙泵還能自動(dòng)退出定速運(yùn)行。c)在自動(dòng)變頻方式下,乙泵可根據(jù)低加疏水箱水位信號(hào)作自動(dòng)變頻,改變疏水泵轉(zhuǎn)速運(yùn)行,甲泵作定速運(yùn)行準(zhǔn)備。當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷增加,疏水量大時(shí),乙泵達(dá)到最高頻率50Hz,即滿負(fù)載運(yùn)行70s以上還不能保持水位穩(wěn)定,則甲泵自動(dòng)投入定速運(yùn)行;當(dāng)乙泵頻率下降,輕負(fù)載運(yùn)行超過10s時(shí),甲泵還能自動(dòng)退出定速運(yùn)行。d)在變頻器發(fā)生故障時(shí),可轉(zhuǎn)換為定速運(yùn)行方式,甲、乙泵均可作定速運(yùn)行。e)聯(lián)鎖投入時(shí),若一臺(tái)疏水泵發(fā)生故障自動(dòng)停止,另一臺(tái)疏水泵能自動(dòng)投入運(yùn)行。4運(yùn)營效果及績效分析4.1疏水泵改造后的效果低加疏水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)改造完成后,經(jīng)過2年多的運(yùn)行觀測(cè)檢查(其運(yùn)行狀況見表2),主要效果如下:低加疏水泵采用變頻調(diào)整控制方式后,自動(dòng)控制性能良好,疏水箱水位基本恒定,低加系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,未出現(xiàn)過低水位或高水位運(yùn)行情況;避免了疏水泵低水位或無水位運(yùn)行導(dǎo)致泵葉片汽蝕及打空泵、竄軸等,減少了泵軸承發(fā)熱、磨損,未發(fā)生過泵出口管道振動(dòng)現(xiàn)象,延長了疏水泵使用壽命。改造后經(jīng)大小修檢查,未發(fā)現(xiàn)泵葉輪、導(dǎo)葉輪、軸承等部件損壞的現(xiàn)象,基本上無維護(hù)量。疏水泵穩(wěn)定運(yùn)行,噪音低、電流小、電流波動(dòng)值低。泵體振動(dòng)值在0.03mm以下,軸竄量在0.05mm以下,為泵軸安裝機(jī)械密封創(chuàng)造了條件,湛江發(fā)電廠已將泵軸盤根填料密封改為機(jī)械密封,達(dá)到長期穩(wěn)定運(yùn)行的無泄漏標(biāo)準(zhǔn)。消除了出口調(diào)節(jié)閥節(jié)流造成的能量損耗,同時(shí)有效地降低了泵和電機(jī)的空載損耗。不同負(fù)荷時(shí)疏水泵在2種方式下的電流對(duì)比見表2。改造后機(jī)組起動(dòng)時(shí),負(fù)荷在40MW以上即可投入疏水泵變頻運(yùn)行,提高了機(jī)組低負(fù)荷時(shí)的熱效率。而改造前,機(jī)組負(fù)荷在120MW以上時(shí)才能投入疏水泵運(yùn)行。此前將低加疏水直接排入凝汽器,增大凝汽器熱負(fù)荷,既影響真空,又增加冷源損失,降低了機(jī)組熱效率。疏水泵改變頻控制后,基本上免維護(hù),大幅度減輕了運(yùn)行和檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了設(shè)備管理水平。4.2火炬氣回收及回收率由表2提供的數(shù)值,我們對(duì)改造的效益進(jìn)行分析,分析結(jié)果見表3。按凝汽器300MW機(jī)組年運(yùn)行300天計(jì)算,每年可節(jié)省電量238.368MWh。按市場(chǎng)電價(jià)0.5元/kWh計(jì)算,疏水泵改變頻調(diào)節(jié)后,僅電機(jī)節(jié)能效益的年收益就為11.92萬元人民幣。疏水泵每天疏水量為1620.42t,平均溫度為107.28℃,發(fā)熱量450.47kJ/kg,經(jīng)凝結(jié)器冷卻后的可利用水溫為40.6℃,發(fā)熱量170.05kJ/kg,損失的發(fā)熱量降為280.42kJ/kg。由于低加疏水泵損壞每年需將疏水疏至凝結(jié)器的天數(shù)約為10天,則損失的熱量為4543.982GJ。標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量29.2712MJ/kg,折算每年增加標(biāo)準(zhǔn)煤量達(dá)155.2t。按每噸標(biāo)準(zhǔn)煤400元計(jì)算,則變頻改造后因降低熱能損失帶來的效益,即每年可節(jié)約燃料費(fèi)用為6.208萬元人民幣。另外,變頻