熱電廠100MW機組給水系統高壓變頻改造可行性研究
摘要：本文針對100MW機組給水系統中存在的問題和運行工況，提出了完整的系統解決方案。對方案的可行性進行分析論證后認為，在給水系統中采用高壓變頻調速技術進行改造能夠解決系統中存在的問題，并且取得良好的經濟效益。
關鍵詞：給水系統 變頻 改造方案
一、概況：
北京京豐熱電有限公司100MW機組鍋爐給水系統主要由三臺6kV/1600kW給水泵和給水泵母管高、低負荷調節閥門、高壓加熱器等設備組成，系統結構見下圖所示。系統正常運行情況下，給水泵采用兩用一備方式運行。給水泵將除氧器的水通過高壓加熱器后輸送至高加、省煤器二次加熱最終進入汽包，參與汽機、鍋爐的運行循環。通常，系統根據機組負荷高低，控制主給水調整門和低負荷調整門的開度，調節主給水流量，從而達到穩定汽包水位的目的。在這種調節方式下，系統主要存在以下幾個問題：
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2、當流量降低閥位開度減小時，調整閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴重，造成能耗增加。
3、長期的40～70％閥門開度，加速閥體自身磨損，導致閥門控制特性變差。
4、管網壓力過高威脅系統設備密封性能，嚴重時導致閥門泄漏，不能關嚴等情況發生。
5、設備使用壽命短、日常維護量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費。
解決上述問題的重要手段之一是采用變頻調速控制技術。利用高壓變頻器對給水泵電機進行變頻控制，實現給水流量的變負荷調節。這樣，不僅解決了控制閥調節線性度差、純滯延大等難以控制的缺點，而且提高了系統運行的可靠性；更重要的是減小了因調節閥門孔口變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了系統對管路密封性能的破壞，延長設備的使用壽命，維護量減小，改善了系統的經濟性，節約能源，為降低電廠廠用電率提供了良好的途徑。
二、系統方案的選擇
由于系統采用兩用一備方式運行，因此考慮采用一工一變運行方案或兩變運行方案。原給水系統采用閥門調整的H-Q特性曲線可見圖1，兩臺工頻泵的特性曲線合成為n。在100MW負荷時，管網特性為rA’，閥門全開情況下的泵工作點為A，采用閥門調節，開度減小后系統的有效工作點為A’。也就是說，100MW負荷情況下鍋爐系統只需要的壓力11.0Mpa,流量385m3/h的給水工況。兩臺泵的有效功率PA’ 是與“A’-385-0-11.0”圍成的面積相對應部分，而“A- A’-11.0-14.0”圍成的面積對應的功率PAA’ 被閥門節流消耗掉了。90MW負荷，70MW負荷的工況與100MW相類似。從圖1中可以看出，機組負荷對流量的需求越低，截流功耗也越大、系統效率降低越多。
系統如果采用一工一變運行方案，此時管網閥門全開、一臺變頻泵調速運行時的給水系統H-Q特性曲線如下圖右所示的n0 。在100MW負荷時，管網特性為rA’，工頻泵的特性曲線為n0，實際所需壓力為11.0Mpa，工頻泵的有效排量為270m3/h與O點對應。另一臺泵變頻運行后，泵轉速降低，其特性曲線為由額定曲線降為nA ’ ，其有效工作點即為A’ ，泵有效功率PA’為“A’-385-0-11.0”圍成的面積對應功率值，系統不再有截流損耗。但是系統在機組負荷70MW時，給水流量260 m3/h小于單臺泵的額定排量270m3/h。變頻泵的調節已無法滿足系統控制的需要，此時可以停止工頻泵運行由變頻泵滿足系統流量調節要求，但是一臺變頻泵的運行將大大降低系統運行安全性能，是不可取的。
如果在變頻泵和工頻泵同時運行的情況下，滿足系統負荷要求，則必須在負荷降低后采用閥門調節流量。而此時，變頻泵需維持泵出口壓力與管網壓力相等，輸出流量降為“零”(實際上是出口流量接近于零)，運行特性曲線為nC'。變頻泵在零排量功耗增加了系統低負荷下的給水泵系統功耗，整體效率降低；而且一工一變運行方式下的給水系統控制方案的復雜性提高不利于調峰機組的頻繁調節工況。一臺泵長期運行于滿負荷狀態將影響設備的使用壽命。
因此，采用一工一變的運行方案不適合于調峰機組的鍋爐給水泵系統。
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因此，100MW調峰機組的給水系統宜采用兩臺變頻泵的運行方案。
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三、系統方案
通過對原系統的研究、分析，綜合其中存在的問題，以“先保證系統安全可靠，結構合理，然后提供最佳性價比方案”的原則對系統進行改造方案設計。系統采用一拖一工／變頻方案，3＃、4＃給水泵分別安裝一套高壓變頻調速系統，5＃給水泵工頻備用。系統主電氣原理如圖4所示，其中QF表示高壓開關、QS表示隔離開關、U表示高壓變頻器、M表示給水泵電動機；QF為現場原有設備，QS32和QS33之間、QS42和QS43之間均存在機械互鎖關系，防止變頻器輸出與6kV電源側短路。正常運行時，斷開QS33、閉合QS32、QS31隔離開關，3＃泵處于變頻運行狀態；斷開QS43、閉合QS42、QS41隔離開關，4＃泵處于變頻運行狀態。當3＃（或4＃）變頻器故障時，系統自動聯鎖啟動5＃給水泵運行。斷開QS32、QS31 (或QS42、QS41)、閉合QS33(或QS43)，3＃（或4＃）給水泵可以恢復原工頻系統備用，確保系統運行安全。
給水泵變頻運行方式分為手動控制及汽包水位PID調節自動控制兩種。正常情況下， 3＃、4＃變頻泵作為運行泵長期運轉，調節器發出調整門全開指令，主給水調整門和低負荷調整門處于100％全開狀態；由變頻器接受遠方調節器的自動轉速控制信號調節給水泵流量滿足不同負荷的需求。當單臺變頻器故障跳閘時，系統自動聯鎖啟動5＃給水泵工頻運行。由于工頻泵的啟動時間＜10S，而且在達到額定轉速后處于滿載運行狀態，其工作點高于變頻泵運行的工作點，同時會減低變頻運行泵的排量，系統給水量偏于正常控制點。因此，在不同的機組負荷情況下，其擾動量會對汽包水位產生影響。為降低工／變頻切換過程中給水量對負荷的影響，調節器內置機組負荷—調整閥位特性表，系統將在一臺變頻故障情況下關小主給水調整門至50～70％，同時提升變頻器的運行轉速。從而降低汽包給水系統對變頻調節的依賴作用，防止事故情況下變頻跳閘、工頻泵聯起后閥門響應速度慢汽包水位變化大危及系統安全的情況發生。在減低節能空間的情況下保證機組安全，提高一工一變運行方式下的系統安全可靠性，加快變頻完全掉失情況下的系統反映能力是系統控制邏輯設計當中的一個重要問題。
當給水泵變頻器跳閘后，可以通過旁路柜將變頻器完全退出主電氣回路，給水泵切換至工頻備用狀態，系統仍然處于兩用一備運行狀態。在變頻器維修完畢可以投入時，系統將變頻器直接啟動至50Hz工頻運行，待系統穩定后，強制開閥指令，調節器自動降低變頻轉速。從而，完成工頻至變頻運行方式的投入。
四、經濟效益分析
1、現場數據
1） 發電機組容量：100MW
2） 配置給水泵數量：3臺（兩用一備）
3） 給水泵參數：
| 水泵型號 | ZDG-10 | 功 率（P） | 1474 kW |
| 額定流量（qv,max） | 270 m3/h | 效 率（η） | 0.756 |
| 額定揚程（H） | 1515 m | 轉 速（r/min） | 2980 |
4）配套電機參數：
| 電動機型號 | YK1600-2/990 | 額定電壓（U0） | 6 kV |
| 額定功率（Pdn） | 1600 kW | 效 率（η） | 94% |
| 額定電流（I0） | 177A | 功率因子（cosφ） | |
| 轉 速（n0） | 2981 r/min |
5）發電機組不同負荷下給水泵運行參數統計
| 發電機負荷（MW） | 100 | 90 | 70 |
| 調整門開度（%） | 30~70 | 30~70 | 30~70 |
| 給水泵入口壓力（MPa） | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
| 給水泵出口壓力（MPa） | 14.0 | 14.7 | 15.2 |
| 調整門入口壓力（MPa） | 13 | 13.5 | 14 |
| 調整門出口壓力（MPa） | 11.0 | 11.0 | 11.0 |
| 給水流量（t/h） | 385 | 340 | 260 |
| 電動機電流（A） | 150/150 | 140/140 | 135/135 |
| 平均運行時間（h/d） | 6 | 10 | 8 |
6）成本電價：0.232元/kW?h
7）發電機全年工作時間：8061h (2004年運行統計)
2、工頻狀態下的年耗電量計算：
Pd：電動機功率； d：電動機效率；U：電動機輸入電壓；cosφ：功率因數。
計算公式：Pd = ×U×I×cosφ… ①
將電動機銘牌參數帶入公式①可得，cosφ=0.87。
平均運行時間百分比＝平均運行時間／24
由于兩臺給水泵的運行工況一致，因此電動機在工頻狀態下，可以將兩臺泵的電流之和帶入公式
①進行計算。各負荷電動機實際功耗計算值見下表。
| 發電機負荷（MW） | 100 | 90 | 70 |
| 給水流量（t/h） | 385 | 340 | 260 |
| 電動機電流（A） | 150 | 140 | 135 |
| 兩臺泵網側總功耗（kW） | 2712.31 | 2531.49 | 2441.08 |
| 平均運行時間百分比（％） | 25.0 | 41.7 | 33.3 |
累計年耗電量公式：Cd= T×∑（Pd×δ） …②
Cd =8061×（2712.31×25%＋2531.49×41.7%＋2441.08×33.3%）=20527817 kW?h
因此，采用工頻運行時，每年兩臺給水泵的耗電總量約為2052.8萬度電。
3、變頻狀態下的年耗電量計算：
(1) 給水泵在變頻情況下的壓力計算：
管網阻力＝給水泵出口壓力—調整門入口壓力
閥門全開所需泵口壓力＝調整門出口壓力＋管網阻力
給水泵工作壓力=閥門全開所需泵口壓力—給水泵入口壓力
根據上述公式，將各負荷情況下的數據帶入后可依次求得給水泵工作壓力值。
| 發電機負荷（MW） | 100 | 90 | 70 |
| 給水泵入口壓力（MPa） | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
| 給水泵出口壓力（MPa） | 14 | 14.7 | 15.2 |
| 調整門入口壓力（MPa） | 13.3 | 14 | 14.7 |
| 調整門出口壓力（MPa） | 11 | 11 | 11 |
| 閥門全開所需泵口壓力（MPa） | 11.7 | 11.7 | 11.5 |
| 變頻給水泵工作壓力（MPa） | 11.1 | 11.1 | 10.9 |
由于給水泵系統在不同負荷下的管網特性不同，因此，必須將負荷對應的H、Q值帶入公式④求得λ。
| 發電機負荷（MW） | 100 | 90 | 70 |
| 給水泵入口壓力（MPa） | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
| 給水泵出口壓力（MPa） | 14 | 14.7 | 15.2 |
| 工頻給水泵工作壓力（MPa） | 13.4 | 14.1 | 14.6 |
| 給水流量（t/h） | 385 | 340 | 260 |
| 工頻泵總功率值（kW） | 2712.31 | 2531.49 | 2441.08 |
| 泵特性系數λ | 0.53 | 0.53 | 0.64 |
Pd’：電動機軸功率 ； P：泵軸功率 ； ：電動機效率 ； f：變頻器實際效率 ； ：泵效率 ；Q：泵出口流量 ；H：泵壓力 ；λ：泵特性系數。
由于泵與電動機軸直接連接，則傳動效率為1； Pd’= P …③
電動機效率 與電動機負荷率β之間的關系如圖5所示。
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…④ 電動機功率：
…⑤由上述公式③④⑤可推理得出：
…⑥將各負荷情況下求得的H、λ’以及Q帶入公式⑥計算變頻狀態的電動機總功耗數值見下表。
網側功耗
。 由圖6查得。| 發電機負荷（MW） | 100 | 90 | 70 |
| 給水泵工作壓力（MPa） | 11.1 | 11.1 | 10.9 |
| 給水流量（t/h） | 385 | 340 | 260 |
| 泵特性系數λ | 0.53 | 0.53 | 0.64 |
| 給水泵電動機總功耗(kW) | 2307.49 | 2082.65 | 1906.05 |
| 變頻器效率 | 0.96 | 0.95 | 0.94 |
| 網側功耗(kW) | 2340.38 | 2097.76 | 1938.78 |
| 平均運行時間百分比（％） | 25.0 | 41.7 | 33.3 |
Cb=8061×（2340.38×25%+2097.76×41.7%+1938.78×33.3%）= 16972241kW?h
因此，采用變頻運行時，每年凝結泵耗電量約為1697.2萬度電。
4、節能計算：
年節電量：ΔC= Cd－Cb = 2052.8－ 1697.2=355.6 萬kW?h
節電率：（ΔC/Cd）×100% =（355.6/ 2052.8）×100% =17.3%
節約電量若以發電成本計算，則每年可節約發電成本：355.6×0.232=82.50萬元。
經改造后的給水泵轉速調節與改造前的控制閥門開度調節相比，除了上述直接經濟效益外，還有許多間接經濟效益：
（1）采用變頻調速，消除了大電動機啟動時對電網電壓的波動影響。
（2）采用變頻調速，消除了大電動機大電流啟動時的沖擊力矩對電機損壞。
（3）采用變頻調速，延長了電機、管網和閥門的使用壽命，減輕了維修人員的工作量，降低了維修費用。
（4）提高了系統自動裝置的穩定性，為系統的經濟優化運行提供了可靠保證；系統的運行參數得到改善，提高系統效率。
五、結論
通過對北京京豐熱電有限公司100MW機組給水泵系統的分析論證：采用高壓變頻器對兩臺給水泵進行變頻改造，改閥門開度為水泵轉速調節是切實可行的；能夠起到降低廠用電率的目的。而且，在系統的安全可靠性、設備維護量等方面具有良好的收益。
北京利德華福電氣技術有限公司技術成套部經理 劉軍祥
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：鞏經理
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：南京塞姆泵業有限公司
