HARSVERT-A型高壓變頻器在600MW超超臨界機組凝結水泵上的應用

摘要：超超臨界燃煤發(fā)電機組具有煤耗低、技術含量高、環(huán)保性能好、節(jié)約資源的特點，必將是今后我國火電機組的發(fā)展方向。本文著重介紹HARSVERT-A多電平型高壓變頻器助力華能營口電廠600MW超超臨界機組凝結水泵變頻節(jié)能增效情況，結果表明，采用HARSVERT-A多電平型高壓變頻器對凝結水泵進行調(diào)速節(jié)能改造，具有投資省、見效快等特點。

關鍵詞：超超臨界、凝結水、變頻器、密閉冷卻

一、引言
　　華能營口電廠位于遼寧營口經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)，電廠北邊緊鄰勃海，西南與營口港僅一墻之隔，為北方典型的海濱港口電廠。電廠二期工程為哈爾濱汽輪機廠兩臺600MW超超臨界燃煤發(fā)電機組，分別于2007年8月31日和2008年10月14日移交生產(chǎn)。自投產(chǎn)以來，機組各項運行指標良好。
　　3#機組600MW汽輪機配置2臺100%容量的立式雙吸多級離心式凝泵，由定速電動機驅(qū)動。運行方式為一臺運行，一臺備用。采用凝結泵定速運行，系統(tǒng)存在以下問題：
　　1.閥門調(diào)整節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費。
　　2.當流量降低閥位開度減小時，調(diào)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40～70％低閥門開度，加速閥體自身磨損，導致閥門控制特性變差。
　　4.管網(wǎng)壓力過高威脅系統(tǒng)設備密封性能，嚴重時導致閥門泄漏，不能關嚴等情況發(fā)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(diào)速控制技術，利用高壓變頻器對凝結泵電機進行變頻控制，實現(xiàn)供除氧器水流量的變負荷調(diào)節(jié)。這樣，不僅解決了控制閥調(diào)節(jié)線性度差、純滯延大等難以控制的缺點，而且提高了系統(tǒng)運行的可靠性；更重要的是減小了因調(diào)節(jié)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(tǒng)對管路密封性能的破壞，延長了設備使用壽命，減少了維護量，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟性，節(jié)約能源，為降低廠用電率提供了良好的途徑。
　　隨著國家節(jié)能減排、建設節(jié)約型社會的重要國策深入貫徹實施，以及國產(chǎn)高壓變頻調(diào)速技術的日益成熟，結合華能營口電廠“千家企業(yè)節(jié)能行動”，將凝結水泵由工頻運行改為變頻控制已勢在必行。汽輪機和凝泵參數(shù)見表1-2。

表1：汽輪機規(guī)范

序號	項目	規(guī)范	單位
1	型號	CLN600-25/600/600
2	型式	超超臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸、兩排汽、凝汽式
3	額定功率(TRL)	600		MW
4	最大連續(xù)功率（T-MCR）	624.1		MW
5	閥門全開功率（VWO）	646.9		MW
6	額定轉(zhuǎn)速	3000		r/min
7	主蒸汽壓力	25		MPa(a)
8	主蒸汽溫度	600		℃
9	再熱蒸汽壓力（THA）	4.12		MPa(a)
10	再熱蒸汽溫度	600		℃
11	旋轉(zhuǎn)方向	從調(diào)端看順時針
12	配汽方式	噴嘴
13	回熱級數(shù)	8
14	給水溫度(TRL)	289		℃
15	設計冷卻水溫度	20 （夏季最高溫度33）		℃
16	最大允許系統(tǒng)周波擺動	48.5～51.5		Hz
17	空負荷時額定轉(zhuǎn)速波動	±1		r/min
18	噪音水平	＜85		dB（A）
19	各軸承處軸徑雙振幅值	＜0.076		mm
20	末級動葉片長度	1220		mm
21	調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)型式	DEH
22	高壓缸通流級數(shù)	1+10
23	中壓缸通流級數(shù)	7
24	低壓缸通流級數(shù)	2×5
25	低壓缸大氣閥動作壓力	0.3kg/cm2-0.35kg/cm2			MPa（g）
26	盤車轉(zhuǎn)速	3			r/min
27	汽輪機總長（包括罩殼）	21			m
28	汽輪機最大寬度（包括罩殼）	12			m
29	汽輪機本體重量	660			t
30	汽輪機中心距運行層標高	15			m

表2：凝泵規(guī)范

凝結水泵	制造廠??	沈陽水泵股份有限公司
	型號	10LDTNB-4PJX
	型式	立式
	工況	最大工況	額定工況
	揚程	302m	311m
	出口壓力	2.96MPa	3.05MPa
	轉(zhuǎn)速	1480r/min	1480r/min
	流量	1527m3/h	1461 m3/h
	軸功率	1477kW	1472kW
	汽蝕余量	4.4m	4.2m
	效率	85%	84%
凝泵電機	電機制造廠	湘潭
	電機型號	YKKL630-4
	電機轉(zhuǎn)速	1480 r/min
	電機電壓	6000 V
	額定電流	209.4A
	額定功率	1800 kW
	功率因數(shù)	0.93
	旋轉(zhuǎn)方向	逆時針（從電機向泵看）
	絕緣等級	F

二、動力系統(tǒng)方案

　　經(jīng)到兄弟電廠調(diào)研，結合我廠實際情況，最終確定我廠凝結水系統(tǒng)變頻改造采用一拖二手動旁路方案，選用北京利德華福電氣技術有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A型高壓變頻器。即配備一臺高壓變頻器，通過切換高壓隔離開關把高壓變頻器切換到要運行的凝結水泵上去。高壓變頻器可以拖動A凝結泵電動機實現(xiàn)變頻運行，也可以通過切換拖動B凝結泵電動機實現(xiàn)變頻運行。兩側(cè)凝結泵電動機均具備工頻旁路功能，可實現(xiàn)任意一臺電動機的變頻運行，另外一臺處于工頻備用，當高壓變頻器故障時，系統(tǒng)可聯(lián)鎖另一臺工頻電機運行。系統(tǒng)原理如圖1所示：

圖1：凝結水系統(tǒng)變頻改造原理圖

　　系統(tǒng)基本原理：它是由六個高壓隔離開關QS1～QS6組成（見圖1）。其中QS2和QS3，QS5和QS6有電氣互鎖；QS1和QS5，QS4和QS6安裝機械互鎖裝置；QS2和QS5，QS3和QS6有電氣聯(lián)鎖。如果兩路電源同時供電，A凝泵工作在變頻狀態(tài)，B凝泵工作在工頻狀態(tài)時，QS1和QS3、QS6分閘，QS2、QS4和QS5處于合閘狀態(tài)；B凝泵工作在變頻狀態(tài)，A凝泵工作在工頻狀態(tài)時，QS2和QS4、QS5分閘，QS1、QS3和QS6處于合閘狀態(tài)；如果檢修變頻器，QS1和QS4可以處于合閘狀態(tài)，其它隔離開關都分閘，兩臺負載可以同時工頻運行；當一路電源檢修時，可以通過分合隔離開關使任一電機變頻運行。
　　當A凝結泵變頻運行故障跳閘時，系統(tǒng)聯(lián)鎖起動B凝結泵，QF2開關工頻運行。當B凝結泵變頻運行故障跳閘時，系統(tǒng)聯(lián)鎖起動A凝結泵，QF1開關工頻運行。

三、控制系統(tǒng)方案

1.改造原則
　　凝結水泵變頻改造要在保證除氧器水位調(diào)節(jié)品質(zhì)不變，并可以在工作泵跳閘、低水壓等特殊工況發(fā)生時保證機組正常運行前提下進行變頻改造。改造利用現(xiàn)有的設備與系統(tǒng)，原來兩個水位調(diào)節(jié)門全開以減小節(jié)流損失，當高壓變頻器跳閘后，備用凝結水泵以工頻方式立即啟動，將凝結水打至出口母管，以保證在變頻器跳閘時除氧器上水的穩(wěn)定。兩個調(diào)整門的開度由當前實際負荷計算得出，而且在10秒鐘時間內(nèi)迅速關到指定位置，最低程度減小系統(tǒng)擾動，維持除氧器水位在正常范圍內(nèi)，保證機組運行。
2.實際改造實施情況
　　變頻器的啟停通過閉合、斷開變頻方式下凝結水泵的6kV開關來自動完成，也就是說運行人員在凝泵操作面板上按下“啟動”和“停止”按鈕，即可完成6kV開關的閉合、斷開及變頻器的啟停控制。由于是一臺變頻器控制兩臺凝泵，所以同時只能有一臺泵在變頻方式下，另一臺泵在工頻方式，在邏輯中設計了凝泵的變頻運行方式和工頻運行方式，同時在原系統(tǒng)中分別增加了一套保護和一套聯(lián)鎖，即變頻器重故障凝結水泵跳閘保護，變頻器重故障備用泵聯(lián)鎖啟動。
　　正常運行時一臺凝結水泵變頻運行，另外一臺凝結水泵工頻備用，當變頻運行且投入自動，除氧器水位調(diào)節(jié)門按照一定的速率（減小擾動）強制開到95%的位置，變頻器通過輸出頻率的改變來調(diào)整凝結水泵的轉(zhuǎn)速，從而通過控制凝結水泵到除氧器的上水量，保證除氧器水位穩(wěn)定在運行人員的設定值范圍內(nèi)。當水位發(fā)生波動時，通過DCS組態(tài)中以凝結水流量、主給水流量、除氧器水位三個參數(shù)構成的串級回路，輸出轉(zhuǎn)速指令至變頻器，調(diào)整凝結水泵的上水量，以穩(wěn)定除氧器水位。
　　當就地設備發(fā)生故障，例如變頻器發(fā)“重故障報警”或者凝結水泵突然跳閘等故障時，當前凝結水泵的高壓合閘開關斷開，并閉合另外一臺工頻備用凝結水泵高壓合閘開關，備用泵工頻啟動。變頻器自動切換到“手動”方式，兩個調(diào)節(jié)門自動切換到“自動”方式，當工頻泵啟動的瞬間，除氧器上水調(diào)整門開度仍然在95%位置，凝結水上水量會因此猛增，為防止除氧器水位超過規(guī)定值，兩個調(diào)節(jié)門必須在最短的時間內(nèi)關到合適的位置，所以邏輯設計了在變頻器“自動”方式時調(diào)門開度實時跟蹤實際負荷的變化，一旦變頻器由自動切手動，調(diào)門在10秒鐘時間內(nèi)強制關到當前負荷要求的開度且投入到“自動”方式運行。這個開度也是工頻正常運行時調(diào)整門的理想開度值。當調(diào)整門關到負荷計算值位置并且穩(wěn)定后，從而完成整個凝結水變頻故障的無擾切換。

四、冷卻系統(tǒng)方案

　　由于變頻器本體在運行過程中有一定的熱量散失，為保證變頻器具有良好的運行環(huán)境，需要為變頻器配備獨立的冷卻系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，綜合冷卻系統(tǒng)的投資和運營成本、設備維護量、無故障運行時間，針對實際安裝位置、發(fā)熱總量、運營成本、施工費用等因素，此次變頻改造采用了強制密閉式冷卻方案。
　　為保障變頻設備處于安全運行，避免環(huán)境溫度和粉塵對設備的不利影響，在變頻器功率柜側(cè)獨立增加密閉式強制冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)作為變頻功率柜外的附屬裝置，能夠保證變頻功率柜始終處于25～35℃運行環(huán)境，大幅度延長濾網(wǎng)更換周期，減少現(xiàn)場維護量。不需要為變頻器再獨立建筑房屋，變壓器柜采用開放式冷卻，強制冷卻裝置與變頻器功率柜一體化設計，附著于功率柜頂部，制冷壓縮機組安裝于變頻器柜附近。強制密閉式冷卻系統(tǒng)如圖2所示：

圖2：強制密閉式冷卻系統(tǒng)

　　通過實際運行，強制密閉式冷卻裝置能夠滿足高壓變頻器運行過程中的散熱需要，設備安裝簡便、快捷，熱交換效率高。

五、節(jié)能效果分析

　　在不同工況下，凝結水系統(tǒng)改造前后，凝結水泵及電機的實際運行參數(shù)如表3：
表3：凝結水泵及電機的實際運行參數(shù)

負荷 MW	主汽壓 力Mpa	主汽流量t/h	凝泵電流A			凝泵出口壓力Mpa		凝泵轉(zhuǎn)速 r/min		凝結水流量t/h
			改前	改后	差值	改前	改后	改前	改后	改前	改后
600	24.9	1807	184.2	174.9	9.3	3.09	2.53	1480	1395	1450.0	1455.0
584	25.3	1729	182.4	163.0	19.4	3.12	2.54		1364	1414.8	1417.8
570	24.7	1724	182.8	162.9	19.9	3.12	2.36		1354	1418.8	1390.6
550	25.2	1609	177.6	151.3	26.3	3.22	2.25		1302	1325.8	1325.7
530	24.9	1579	178.9	144.4	34.5	3.17	2.17		1279	1332.8	1294.5
500	24.7	1505	172.8	134.5	38.3	3.27	1.98		1233	1246.4	1231.5
480	24.8	1382	171.3	120.9	50.4	3.30	1.88		1182	1217.6	1158.4
450	23.3	1184	164.2	100.9	63.3	3.36	1.67		1082	1115.4	1014.0
400	21.0	1145	156.3	95.9	60.4	3.44	1.46		1040	986.3	958.8
350	18.5	1050	147.4	84.0	63.4	3.50	1.20		969	832.9	892.2
300	15.5	880	142.6	68.8	73.8	3.53	1.02		878	770.0	772.0

經(jīng)計算，各負荷點下的節(jié)電率如圖3所示：

圖3：各負荷點下的節(jié)電率

六、結論

　　此次600MW超超臨界機組凝結水系統(tǒng)高壓變頻改造，新增變頻設備安裝布置在凝結水泵就近位置，節(jié)省了高壓電纜和土建費用。冷卻系統(tǒng)均采用密閉冷卻結構設計，風路循環(huán)使用，粉塵小、環(huán)境穩(wěn)定，受外界環(huán)境因素影響小，大大降低維修、維護人員的工作強度。
凝結水系統(tǒng)投入運行后各項測試性能指標良好，兩個調(diào)整門截流噪音及震動明顯減小，凝結水泵電機最大節(jié)電率可達50%，平均節(jié)電率為34.6%。除氧器上水壓力由3.7MPa下降到1.2MPa，特別是低負荷的時候，凝結水泵電流由原來的200A最低降低到60A左右，節(jié)能效果十分明顯，改造非常成功。

　　作者簡介：朱東升，男，高級工程師，華能營口電廠生產(chǎn)部，主要從事電氣專業(yè)技術管理工作。