摘要：介绍M701F型燃气-蒸汽联合循环机组凝结水泵应用高压变频技术的设计方案，并对变频改造过程的关键点及解决方案进行了阐述。另外，通过对比改造前后实际运行的工况参数，对变频改造后的节能效果进行了评估。
关键词：变频器；联合循环；凝结水泵；评估；节能
Application of Frequency Converter in Condenser Water System of M701F Combined Cycling Units
Lin Lu1，Lingfeng Li2
1 Worleyparsons，Timeloit Building，No.17 Rongchuang Road，Chaoyang District，Beijing 100012 China；
2 Institute of Thermal Science and Technology，Shandong University，17923 Jingshi Road，Jinan，250061，China.
Abstract：In this paper，we present the design scheme of applying frequency converter to condenser water system of M701F Combined Cycling Units in Shenzhen Eastern Power Plant. In addition，specific problems and the solutions，when scheme is applied，are discussed in detail. Finally，make an evaluation on energy conservation by contrasting performance parameters.
Keywords：frequency converter；combined cycle；condenser pump；evaluation；energy conservation
引言
某电厂一期工程为3×350MW M701F单轴燃气-蒸汽联合循环机组。其凝结水系统的主要功能是将凝结水从凝汽器送至低压汽包。低压汽包除了向低压过热器提供饱和蒸汽外，还同时向高、中压汽包提供汽包给水。低压汽包水位控制完全采用阀门截流的调节方式，截流损耗较大。在机组满负荷运行，凝结水总流量高达380t/h的时候，低压给水调门的最大开度也只有60%左右。为了提高系统运行效率，降低截流损耗，充分发掘节能潜力，因此决定对凝结水泵电机进行变频改造。
1.设备简介
单元机组共设有2台100%容量的凝结水泵，一台工频运行，另一台工频备用，凝结水出口母管压力保持在3MPa左右。凝结水泵为KSB公司生产的NLT250-370×8型电动、立式、多级、筒型、离心泵。转速为1480r/min，效率为82%。凝结水泵电机为上海电机厂的YLKK450-4型电机，额定功率为500kW，额定电压为6kV，额定电流为55.8A，功率因数为0.919，绝缘等级为F级。
1.1变频器选型
选用广州智光电气有限公司生产的型号为ZINVERT-A6H750/06Y变频器，该系列智能高压变频调速系统的控制采用开环恒压频比控制。主控制部分以双数字信号处理器（DSP）、超大规模集成电路可编程器件（CPLD和FPGA）为控制核心，配合数据采集、单元控制和光纤通信回路以及内置的可编程逻辑控制器（PLC）构成系统控制部分。单元控制部分以可编程逻辑器件为核心，配合专用的IGBT驱动和保护模块和检测回路。主控制部分和单元控制部分的控制信号通过光纤进行信号传输，有效避免电磁干扰，增强系统的可靠性。系统采用6级串联方式，每个功率单元输出电压为690V，每相6个功率单元进行叠加，三相总共18个功率单元，如果单个功率单元出现故障，则会旁路三相同级的三个功率单元，保证一级旁路时变频器仍能够满负荷输出，两级旁路时变频器能有80%以上输出。该系列产品还具有断电恢复再启动功能，电源瞬时停电并在短时间内恢复后，变频系统能在0.2~1.0秒内自动搜索电机转速，实现无冲击再启动功能。ZINVERT-A6H750/06Y变频器的主要参数为：额定容量750kVA，输入电流72A，输入电压6.3kV，输出电流72A，输出电压0~6kV，输出频率0~50Hz。
1.2改造方案概述
凝结水泵变频改造采用“一拖二”的改造方案，即两台凝结水泵共装设1套变频器。正常情况下，运行人员可任意选择一台凝结水泵变频启动，另一台凝结水泵作为工频备用。当变频凝结水泵出现故障跳闸后，系统自动联起备用凝结水泵工频运行。电气主回路连接示意如图1。
图1 凝结水泵变频改造电气主回路连接示意图
凝结水泵变频系统电气主回路由3个6kV开关柜QF1、QF2、QF3，2个真空接触器J1、J2和3个手动隔离刀闸K1、K2、D组成。QF1、QF2分别为#1、#2凝结水泵工频启动开关。正常变频运行时，变频器由QF3供电，通过真空接触器J1、J2可任意选择要变频启动的凝结水泵。手动隔离刀闸K1、K2正常情况下始终处于合位。
为了避免各个开关、接触器和隔离刀闸的误操作，设置了各种闭锁条件。主要有：①J1受K1闭锁，只有K1合上，J1才能合上，同理，J2受K2闭锁；②J1和J2互相闭锁，即J1、J2不能同时合上；③QF1和J1互相闭锁，QF1和J1不能同时合上；④QF2和J2互相闭锁，QF2和J2不能同时合上；⑤QF3和D互相闭锁，QF3和D不能同时合上。
2.逻辑方案
2.1连锁逻辑设计
1）凝结水泵运行状态判断：①变频运行：变频器运行状态，同时J1/J2闭合，认为#1/#2凝结水泵变频运行状态；②工频运行：QF1/QF2闭合，认为#1/#2凝结水泵工频运行状态。
2）设置了凝结水泵出口电动门与凝结水泵的连锁逻辑，只要凝结水泵处于运行状态，出口电动门就会自动连锁打开。
3）凝结水泵变频运行时，另一台凝结水泵可以投入工频备用状态。当变频凝结水泵出现故障跳闸后，系统自动联起备用凝结水泵工频运行。
4）凝结水泵变频运行时，若出口母管压力低于1MPa，延时10s，联起备用凝结水泵工频运行。
5）凝结水泵工频运行时，若出口母管压力低于2.2MPa，延时10s，联起备用凝结水泵工频运行。
2.2变频控制逻辑设计
变频凝结水泵设计为两种控制模式，即：出口压力控制模式和低压汽包水位控制模式。
凝结水泵出口压力控制模式是指在机组启动至机组负荷300MW之间，低压汽包水位由低压给水调阀单、三冲量自动控制。凝结水泵运行频率指令来自于凝结水泵实际出口压力与出口压力设定值之间的偏差经PID调节器后的输出。出口压力设定值是经过试验得到的一组负荷关于凝结水泵出口压力的函数曲线。为了保证低压汽包给水的需要，同时尽最大可能减少低压给水调阀不能全开所带来的截流损耗，因此以保证低压给水调阀开度为85%的原则来设置凝结水泵出口压力函数曲线。低压汽包水位控制模式是指机组负荷达到300MW以后，运行人员可以选择手动投入变频凝结水泵的低压汽包水位控制模式。投入后，低压给水调门逐渐强制为全开，凝结水泵运行频率指令来自于低压汽包水位控制三冲量的PID主副控制器的调节输出。当机组负荷低于280MW后，凝结水泵自动退出低压汽包水位控制模式，转入出口压力控制模式，同时低压给水调门重新自动投入三冲量控制模式。
2.3关键点及其解决方案
2.3.1凝结水泵出口压力设定值确定
M701F型机组的凝结水系统除了向低压汽包提供给水外，还必须同时满足另外其他9项工艺需求，包括：①汽机中压旁路减温水；②冷再至辅汽联箱减温水；③低压缸冷却蒸汽减温水；④低压轴封减温水；⑤低压缸喷水；⑥凝汽器水幕喷水；⑦水封阀密封水；⑧凝泵自密封水；⑨凝汽器真空泵汽水分离器补水。如何在满足低压汽包给水需要的同时，保证另外其他9项工艺需求，就成了确定出口压力设定值的关键。为此专门针对性的做了机组启动和机组带负荷试验。具体试验方法是：机组启动时，保持凝结水泵以最低允许频率运行，低压给水调门投自动。在启动过程中，在满足低压汽包给水需要的基础上，注意观察其他各工艺过程参数是否能够满足工艺系统需求。如满足，则保持凝结水泵运行频率不变，如不满足，则手动调节凝结水泵运行频率。从试验结果来看，机组启动过程中，汽机中压旁路减温水对凝结水系统的需求是最大的，只要保证了中旁减温水的需求，其他8项工艺过程的需求是能够保证的。当机组带上基本负荷后，对凝结水系统的需求主要来自于低压轴封减温水，只要满足了低压轴封减温水的需求，其他工艺用水需求也是能够有所保证的。据此，我们确定了从机组启动至机组带上基本负荷这个阶段的凝结水泵出口压力设定值。随后，我们逐步提升机组负荷，同时依旧保持低压给水调门自动位。在不同负荷点，手动调整凝结水泵运行频率。在保持低压给水调阀自动全开的状态下，保证低压汽包给水流量和出口总流量的平衡。由此得到在各个负荷点上，在低压汽包进出口总流量达到平衡的情况下，凝结水泵出口压力设置的临界值曲线。最后，我们根据该临界值曲线，以保证在各个负荷段上低压给水调阀开度为85%的原则来设置了最终的凝结水泵出口压力设定值曲线。
2.3.2母管压力低联起备用泵工频运行压力设定值确定
凝结水泵变频运行时，最低母管压力主要出现于两种情况：一，机组启动过程中，凝结水泵以最低允许频率运行，低压给水调门全开时。此时，母管压力最低可达1.05MPa；二，当凝结水泵由出口压力控制模式转入低压汽包水位控制模式时，低压给水调阀全开的过程中，母管压力最低可达1.03MPa。根据以上试验数据，我们最终将联起备用泵工频运行的压力设定值确定为1MPa。
2.3.3凝结水泵变频运行故障，联起备用泵工频运行时，如何保持汽包水位稳定
为了降低截流损耗，凝结水泵变频运行时，低压给水调阀始终保持在较大开度。特别是在低压汽包水位控制模式下，低压给水调阀将会保持在全开位。此时，如果凝结水泵变频运行跳闸，联起备用泵工频运行，那凝结水流量将会大大高于需求值，使低压汽包水位急剧升高。对此，设计了如下的解决方案。根据历史数据，设置机组负荷与低压汽包给水调阀开度对应的函数关系。当凝结水泵变频运行跳闸后，将低压给水调阀迅速关到一定开度，然后自动将给水调阀切为手动，保持在相应开度上，并发出报警信号。待运行人员确认低压汽包水位状况后，再视情况手动将给水调阀投回自动位。
3.节能效果评估
改造前，#1机组凝结水泵不同工况下的典型运行参数如表1。
表1 改造前#1机组凝结水泵不同工况下的典型运行参数
改造后，#1机组凝结水泵不同工况下的典型运行参数如表2。
表2 改造后#1机组凝结水泵不同工况下的典型运行参数
通过对比#1机组凝结水泵变频改造前后功率，考虑到变频装置冷却风机（总功率为2kW）耗电量后，可以计算出在同样运行工况下#1机组凝结水泵的年度节电量及节电率为：
年度节电量：209.3494-89.2738=120.0756万kWh
年度节电率：120.0756/209.3494=57.35%
从以上分析数据可以看到，改造后凝结水泵节能效果明显，年度节电率可达50%以上，单台机组每年节省费用可达近70万元，经济效益较为显著。
4.结束语
凝结水泵变频改造后，经过近3个月实际运行的检验，修改和优化后的控制逻辑已经比较成熟。但由于是初次进行此种类型的改造，在某些参数的设置方面普遍趋于保守。比如：机组负荷大于300MW允许投入低压汽包水位控制模式的设定值还可以适当的减小，出口压力设定值曲线也可在一定的程度上继续的降低。只要低压给水调阀开度越大、越早达到全开位，截流损耗就越小，凝结水泵变频节能的效果也就越好。
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，高压变频调速技术已成为当今节能降耗、改善工艺流程，提高电厂经济效益的重要手段。希望本文能够对同类型电厂的变频节能改造提供积极的借鉴作用。
论文作者:卢林1,李凌峰2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/6
标签：水泵论文; 汽包论文; 低压论文; 机组论文; 压力论文; 水位论文; 凝结水论文; 《电力设备》2019年第2期论文;