100MW机组给水系统高压变频改造可行性研究

图1  100MW机组锅炉给水系统结构图

    （1）采用给水泵定速运行，阀门调整节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低，造成能源的浪费；
    （2）当流量降低阀位开度减小时，调整阀前后压差增加工作安全特性变坏，压力损失严重，造成能耗增加；
    （3）长期的40～70％阀门开度，加速阀体自身磨损，导致阀门控制特性变差；
    （4）管网压力过高威胁系统设备密封性能，严重时导致阀门泄漏，不能关严等情况发生；
    （5）设备使用寿命短、日常维护量大，维修成本高，造成各种资源的极大浪费。
    解决上述问题的重要手段之一是采用变频调速控制技术。利用高压变频器对给水泵电机进行变频控制，实现给水流量的变负荷调节。这样，不仅解决了控制阀调节线性度差、纯滞延大等难以控制的缺点，而且提高了系统运行的可靠性；更重要的是减小了因调节阀门孔口变化造成的压流损失，减轻了控制阀的磨损，降低了系统对管路密封性能的破坏，延长设备的使用寿命，维护量减小，改善了系统的经济性，节约能源，为降低电厂厂用电率提供了良好的途径。

2  系统方案的选择
    由于系统采用两用一备方式运行，因此考虑采用一工一变运行方案或两变运行方案。原给水系统采用阀门调整的H-Q特性曲线如图2所示，两台工频泵的特性曲线合成为n。在100MW负荷时，管网特性为rA’，阀门全开情况下的泵工作点为A，采用阀门调节，开度减小后系统的有效工作点为A’。也就是说，100MW负荷情况下锅炉系统只需要的压力11.0Mpa,流量385m3/h的给水工况。两台泵的有效功率PA’是与“A’-385-0-11.0”围成的面积相对应部分，而“A-A’-11.0-14.0”围成的面积对应的功率PAA’被阀门节流消耗掉了。90MW负荷，70MW负荷的工况与100MW相类似。从图2中可以看出，机组负荷对流量的需求越低，截流功耗也越大、系统效率降低越多。

图2  给水系统采用阀门调整的H-Q特性曲线

    系统如果采用一工一变运行方案，此时管网阀门全开、一台变频泵调速运行时的给水系统H-Q特性曲线如图3所示的n0。在100MW负荷时，管网特性为rA’，工频泵的特性曲线为n0，实际所需压力为11.0Mpa，工频泵的有效排量为270m3/h与O点对应。另一台泵变频运行后，泵转速降低，其特性曲线为由额定曲线降为nA’，其有效工作点即为A’，泵有效功率PA’为“A’-385-0-11.0”围成的面积对应功率值，系统不再有截流损耗。但是系统在机组负荷70MW时，给水流量260m3/h小于单台泵的额定排量270m3/h。变频泵的调节已无法满足系统控制的需要，此时可以停止工频泵运行由变频泵满足系统流量调节要求，但是一台变频泵的运行将大大降低系统运行安全性能，是不可取的。
    如果在变频泵和工频泵同时运行的情况下，满足系统负荷要求，则必须在负荷降低后采用阀门调节流量。而此时，变频泵需维持泵出口压力与管网压力相等，输出流量降为“零”(实际上是出口流量接近于零)，运行特性曲线为nC’。变频泵在零排量功耗增加了系统低负荷下的给水泵系统功耗，整体效率降低；而且一工一变运行方式下的给水系统控制方案的复杂性提高，不利于调峰机组的频繁调节工况。一台泵长期运行于满负荷状态将影响设备的使用寿命。

图3  一台变频泵调速运行时的给水系统H-Q特性曲线

    因此，采用一工一变的运行方案不适合于调峰机组的锅炉给水泵系统。
    鉴于上述情况，提出系统采用两台给水泵同时变频调节的控制方案。该方案可以保证两台泵的工作点一致，系统响应范围宽可以满足机组负荷变化的不同需求。采用两台变频运行的方案，管网阀门全开，两台变频泵调速运行时的给水系统H-Q特性曲线如图4所示。两台变频泵的特性曲线合成为n，当机组负荷变化时，给水泵转速降低，其工作点与系统有效工作点一致，大大提高了系统效率，而且采用变频调节后系统响应快、线性度好、易于汽包水位自动投入。在100MW负荷时，管网特性为rA’，实际所需压力为11.0Mpa工况下，两台变频泵的合成特性曲线为nA’。两台变频泵的有效功率PA’与“A’-385-0-11.0”围成的面积对应，而“A-A’-11.0-14.0”围成的面积对应的功率PAA’，则是系统采用变频泵调节较工频泵阀门调节时节约的功率部分。在70MW负荷时，管网特性为rC’，实际所需压力为11.0Mpa工况下，两台变频泵的合成特性曲线为nC’。两台变频泵的有效功率PC’与“C’-260-0-11.0”围成的面积对应，而“C- C’-11.0-15.2”围成的面积对应的功率PCC’，则是系统采用变频泵调节较工频泵阀门调节时节约的功率部分。给水系统采用两台变频泵调节，可以完全响应机组负荷的变化。
    因此，100MW调峰机组的给水系统宜采用两台变频泵的运行方案。

图4  两台变频泵调速运行时的给水系统H-Q特性曲线

3  系统方案
    通过对原系统的研究、分析，综合其中存在的问题，以“先保证系统安全可靠，结构合理，然后提供最佳性价比方案”的原则对系统进行改造方案设计。
系统采用一拖一工／变频方案，3＃、4＃给水泵分别安装一套高压变频调速系统，5＃给水泵工频备用。系统主电气原理如图5所示，其中QF表示高压开关、QS表示隔离开关、U表示高压变频器、M表示给水泵电动机；QF为现场原有设备，QS32和QS33之间、QS42和QS43之间均存在机械互锁关系，防止变频器输出与6kV电源侧短路。正常运行时，断开QS33、闭合QS32、QS31隔离开关，3＃泵处于变频运行状态；断开QS43、闭合QS42、QS41隔离开关，4＃泵处于变频运行状态。当3＃（或4＃）变频器故障时，系统自动联锁启动5＃给水泵运行。断开QS32、QS31 (或QS42、QS41)、闭合QS33(或QS43)，3＃（或4＃）给水泵可以恢复原工频系统备用，确保系统运行安全。

图5  两台变频泵调速运行的系统主电气原理

    给水泵变频运行方式分为手动控制及汽包水位PID调节自动控制两种。正常情况下，3＃、4＃变频泵作为运行泵长期运转，调节器发出调整门全开指令，主给水调整门和低负荷调整门处于100％全开状态；由变频器接受远方调节器的自动转速控制信号调节给水泵流量满足不同负荷的需求。当单台变频器故障跳闸时，系统自动联锁启动5＃给水泵工频运行。由于工频泵的启动时间＜10s，而且在达到额定转速后处于满载运行状态，其工作点高于变频泵运行的工作点，同时会减低变频运行泵的排量，系统给水量偏于正常控制点。因此，在不同的机组负荷情况下，其扰动量会对汽包水位产生影响。为降低工／变频切换过程中给水量对负荷的影响，调节器内置机组负荷——调整阀位特性表，系统将在一台变频故障情况下关小主给水调整门至50～70％，同时提升变频器的运行转速。从而降低汽包给水系统对变频调节的依赖作用，防止事故情况下变频跳闸、工频泵联起后阀门响应速度慢汽包水位变化大危及系统安全的情况发生。在减低节能空间的情况下保证机组安全，提高一工一变运行方式下的系统安全可靠性，加快变频完全掉失情况下的系统反映能力是系统控制逻辑设计当中的一个重要问题。
    当给水泵变频器跳闸后，可以通过旁路柜将变频器完全退出主电气回路，给水泵切换至工频备用状态，系统仍然处于两用一备运行状态。在变频器维修完毕可以投入时，系统将变频器直接启动至50Hz工频运行，待系统稳定后，强制开阀指令，调节器自动降低变频转速。从而，完成工频至变频运行方式的投入。

4  经济效益分析
4.1 现场数据
    （1）发电机组容量:100MW;
    （2）配置给水泵数量:3台（两用一备）;
    （3）给水泵参数:如表1所示;

表1  给水泵参数

    （4）配套电机参数:如表2所示;

表2  配套电机参数

    （5）发电机组不同负荷下给水泵运行参数统计如表3所示;

表3  发电机组不同负荷下给水泵运行参数统计

    （6）成本电价:0.232元/kW·h;
    （7）发电机全年工作时间:8061h(2004年运行统计)。
4.2 工频状态下的年耗电量计算
    设:Pd:电动机功率;ηd:电动机效率;U:电动机输入电压;I:电动机电流；cosφ:功率因数。
    计算公式:Pd= ×U×I×cosφ （1）
    将电动机铭牌参数带入公式（1）可得，cosφ=0.87。
    平均运行时间百分比＝平均运行时间／24
    由于两台给水泵的运行工况一致，因此电动机在工频状态下，可以将两台泵的电流之和带入公式（1）进行计算。各负荷电动机实际功耗计算值见表4。

表4  各负荷电动机实际功耗计算值

    设:Cd:年耗电量值;T:年运行时间;δ:单负荷运行时间百分比。 
    累计年耗电量公式:Cd=T×∑(Pd×δ) （2）
    Cd=8061×(2712.31×25%＋2531.49×41.7%＋2441.08×33.3%)=20527817kW·h
    因此，采用工频运行时，每年两台给水泵的耗电总量约为2052.8万kW·h。
4.3 变频状态下的年耗电量计算
    （1）给水泵在变频情况下的压力计算:
    管网阻力＝给水泵出口压力-调整门入口压力;
    阀门全开所需泵口压力＝调整门出口压力＋管网阻力;
    给水泵工作压力=阀门全开所需泵口压力-给水泵入口压力;
    根据上述公式，将各负荷情况下的数据带入后可依次求得给水泵工作压力值，如表5所示。

表5  各负荷情况下的数据带入后求得的给水泵工作压力值

    （2）给水泵在不同负荷下的泵特性系数计算：
    由于给水泵系统在不同负荷下的管网特性不同，因此，必须将负荷对应的H、Q值带入公式（4）求得λ，如表6所示。

表6  不同负荷下求得的λ值

    （3）给水泵在变频情况下的功耗计算:
    设:Pd’:电动机轴功率;P:泵轴功率;ηd:电动机效率;ηf:变频器实际效率;η:泵效率;Q:泵出口流量;H:泵压力;λ:泵特性系数。
    由于泵与电动机轴直接连接，则传动效率为1; 
    Pd’=P （3）
    电动机效率ηd与电动机负荷率β之间的关系如图6所示。典型的系统效率如图7所示。

图6  ηd与β之间的关系

    泵轴功率:  （4）   
    电动机功率:  （5）
    由上述公式（3）、（4）、（5）可推理得出:
      ;  （6）
    将各负荷情况下求得的H、λ’以及Q带入公式（6）计算变频状态的电动机总功耗数值见表7。
    网侧功耗。ηf由图7查得。

表7  变频状态的电动机总功耗计算数值

     Cb=8061×（2340.38×25%+2097.76×41.7%+1938.78×33.3%）=16972241kW·h
因此，采用变频运行时，每年泵耗电量约为1697.2万kW·h。
    （4）节能计算
    年节电量:ΔC=Cd-Cb=2052.8-1697.2=355.6万kW·h
    节电率:(ΔC/Cd)×100%=(355.6/2052.8)×100% =17.3% 
    节约电量若以发电成本计算，则每年可节约发电成本:355.6×0.232=82.50万元。
经改造后的给水泵转速调节与改造前的控制阀门开度调节相比，除了上述直接经济效益外，还有许多间接经济效益:
    ● 采用变频调速，消除了大电动机启动时对电网电压的波动影响;
    ● 采用变频调速，消除了大电动机大电流启动时的冲击力矩对电机损坏;
    ● 采用变频调速，延长了电机、管网和阀门的使用寿命，减轻了维修人员的工作量，降低了维修费用;
    ● 提高了系统自动装置的稳定性，为系统的经济优化运行提供了可靠保证，系统的运行参数得到改善，提高系统效率。

5  结束语
    通过对北京京丰热电有限公司100MW机组给水泵系统的分析论证：采用高压变频器对两台给水泵进行变频改造，改阀门开度为水泵转速调节是切实可行的；能够达到降低厂用电率的目的。而且，在系统的安全可靠性、设备维护量等方面具有良好的收益。

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