科陆CL2700高压变频器在发电厂循环水泵上的应用———科陆CL2700

1． 工程概况
      内蒙古某发电厂总装机容量为4×300MW。每台机组配置2台循环水泵，其出口调节门采用蝶阀，只有全开全关2个位置，冷却水流量调节采用开泵台数进行控制。由于季节变化及昼夜的温度差异，时常出现开1台泵流量不够，开2台泵流量过大的情况。由于采用这种原始的调节方法，汽轮机的真空度不稳定，不能保证汽轮机在经济运行方式下运行，同时浪费了大量电能和水资源，致使厂用电率高，供电标煤耗高，发电成本不易降低。选择合适的调速方式对循环水泵进行节能改造成为当务之急。为了进一步适应厂网分开、竞价上网的电力体制，进一步节约能源，降低厂用电率，保护环境，简化运行方式，减少转动设备的磨损，我厂决定采用深圳市科陆变频器有限公司生产的CL2700系列6kV/1800kW高压变频器，对1#发电机组循环水泵进行变频调速节能改造。
                  
2  循环水泵参数和工况特点
                  #1发电机组配置2台循环水泵，循环水泵有关参数如下：
                  型号：1600HB立式斜流泵
                  流量：Q=18500m3/h
                  扬程：H=18.2m
                  额定转速：370rps
                  配套电机：YL1800－16
                  匹配功率；1800kw
                  额定电流：223A
                  额定转速：375rps
      内蒙古某发电厂的发电机组采用闭式循环水系统。补给水经化学弱酸阳离子交换器处理后的软化水。循环水泵采用单元制供水系统，即每台机组配1座冷却塔，1条压力循环水管，1条双孔自流水沟和2台循环水泵，在正常运行工况，每台机运行2台循环水泵。冷却水塔采用风筒式逆流自然通风冷却塔，通风筒为双曲线旋转壳。在循环供水系统中，是由循环水泵实现水资源的循环利用的。经热
       交换后的热水进入冷却设施进行冷却，使其水温降至允许值，然后又重复将冷却水输入凝汽器而循环使用，由于系统水位基本上是稳定的，故循环水泵的扬程也基本稳定，而其容量按计算水量确定。
       循环水泵随机组长期连续运行，由于机组负荷经常变化，需要及时调整循环水流量，以保证机组的安全经济运行。即使在同一负荷的情况下，不同的外部环境也使得循环水流量的需求不同。利用高压变频器根据实际需要对循环水泵进行调速控制，从而既保证和改善运行工艺，又可达到节能降耗的目的。
                  
3 汽轮机的经济运行方式与循环水泵流量的控制
          目前汽轮机的真空度主要依靠调节冷却水流量来控制，为提高机组运行的经济性，由于真空度提高汽轮机功率的增量△N1应大于为增加循环水量所多消耗的功率△N2，显然，汽轮机的最有利真空Peco（经济真空）应位于净增功率△N=△N2－△N1的最大值处，此时汽轮机工作在经济运行方式，如图1所示。
        图1中Dw为冷却水量，P为汽轮机的凝汽器真空，△N为功率差值，△N在冷却水量比较小的时候随冷却水量的增大而增大，到a点达到最大，如果再进一步增大冷却水流量，△N反而开始减小，直至为零。但到达c点时，汽轮机的膨胀能力已达到极限，汽轮机功率不会再增加，c点所对应的真空成为极限真空。从图1中可以看出，由a点引等水量线与凝汽器压力线相交的b点所对应的真空Peco就是最有利真空，a点所对应的冷却水量Deco就是最佳冷却水量。通过确定汽轮机的最有利真空，并以此为依据来控制冷却水流量，使汽轮机的排气压力尽量维持最有利真空位置，以保证机组在经济运行方式下工作。
       最有利真空的实现是靠调节循环冷却水的流量，由机组DCS控制循环水泵的运行状态，调节循环水泵的运行台数和运行转速，控制循环水流量使汽轮机的真空度维持在最有利真空位置，保证机组经济运行。水泵的速度调节控制是汽轮机最有利真空控制系统的核心内容，利用变频器对循环水泵进行速度控制，运行方式为“一变一定”。
                  
4变频调速系统设计
       为了充分保证系统的可靠性，为变频器同时加装工频旁路装置，当变频器因故障而退出运行时，电机可以直接手动切换到电网工频运行，工频旁路由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成（见图1，其中QF为原有高压开关）。QS2不能与QS3同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。为了实现变频器故障的保护，变频器对6kV开关QF进行联锁，一旦变频器故障，变频器跳开QF，工频旁路时，变频器允许QF合闸，撤消对QF的跳闸信号，使电机能正常通过QF合闸工频启动。
         为了保证发电机组安全运行，在单台变频循环水泵运行工作模式下，变频器发生故障跳开QF时，需要将备用的循环水泵自动投入运行，为适应变频改造后循环水泵系统自动化水平的提高，对出水阀门也进行联锁自动控制，其阀门联锁功能的作用是：在启动水泵升速过程中，水泵出口水压逐渐增高，当大于设定的“最小开阀出口水压”时，阀门开始打开，直至开全，在停泵时，阀门同步关闭；如果开泵时，阀门因各种原因未能开全，将提示“阀门没有开全”，停泵时，如阀门未关严，将提示“阀门没有关严”。这样在开泵和停泵的过程中，值班人员无需再对阀门执行任何操作，不仅减少了操作的失误，而且在开阀、关阀过程中对管网的冲击也很小。
      变频调速系统进入发电机组有的DCS系统。DCS根据机组的负荷情况，按设定程序实现对锅炉循环水泵电机转速的自动控制。变频器需要提供给DCS的开关量输出包括故障报警（变压器超温、单元柜风机故障、控制电源掉电、控制器故障、单元故障、模拟信号断线等）、待命指示、运行指示、高压合闸允许、高压紧急分断、开阀门（变频器控制阀门联动时使用，即打开出口碟阀）、关阀门（变频器控制阀门联动时使用，即关闭出口碟阀）；DCS需要提供给变频器的开关量包括：启动变频（干节点，闭合时有效，使变频器开始运行）、停运变频器（干节点，闭合时有效，使变频器正常停机）、阀门关严（干节点，开点有效，表示变频器所控制的水泵出口碟阀的阀门已关严）、阀门开全（干节点，开点有效，表示变频器所控制的水泵出口碟阀的阀门已全开）；DCS需要提供给变频器的模拟量有：1路4－20mA的电流源输出，作为变频器的转速给定值，即变频器需要运行的转速；变频器需要提供给DCS的模拟量有：2路4－20mA的电流源输出，模拟输出对应的物理量为输出频率和输出电流；现场提供给变频器的模拟量有：1路4－20 mA的电流源输出，表示变频泵的出口压力，阀门联动时备用；高压开关柜提供给变频器的开关量有：1个，工频高压开关已分闸。节点闭合时表示高压在分闸位置，高压开关合闸，该节点断开。
       循环水泵调速由操作人员通过DCS系统CRT上的模拟操作器，参照凝汽器的真空度和外界气温，对DCS的输出值进行调节，此输出值为反馈给变频器的4－20mA标准信号，对应不同的频率（速度）给定值，变频器通过比较转速输出量与DCS速度给定之间的大小，自动调节电动机的转速，实现循环水泵的转速控制，从而达到调节水量的目的。
      在此基础上，经过一段时间的积累，可将不同负荷和温度下的给定值绘制成曲线，定出安全的上下限，制成循环水泵调速专用算法，同时利用热工一次测量元件，将采集的负荷和温度参数的变化值送到机组DCS系统中，在机组DCS系统中，进行控制运算，将计算结果形成4－20mA的速度给定指令信号，反馈给变频器，变频器通过比较转速输出量与DCS速度给定之间的大小，自动调节电动机的转速，实现循环水泵的转速自动控制。
       这次改造只针对两台并联水泵中的一台，正常运行工况为一台工频、一台变频。由于季节及昼夜温度的差别使得变频系统的运行有着特殊性，管网总出口的压力取决于两台并联水泵各自的出口压力，从而决定了变频泵不可能在太低的频率下运行，否则会引起倒流或不出水的情况。另一方面，太低的频率会导致整体压力下降，达不到循环水系统总体的扬程要求，处于工频定速运行的水泵也易导致过流发生。根据以往的运行实践经验，在工频泵与变频泵同进运行的情况下，使变频泵最低的频率保持在38Hz以上，在变频泵单独运行时，变频器可以根据需要在5－45Hz范围调节，（变频泵调节的频率必须满足水泵出口压力最低要求），这样可以满足运行需要，同时可对出水量进行连续的调节。

  5  变频改造后的效益计算
        对相关参数的实际测量结果如表2。
          测试结果表明，50%负荷时节能率为60%，满负荷时节能率也达20%。同时，电机变频启动时，启动电流平稳上升，电机启动非常平稳。
        全年发电机组运行时间按7200小时计算，其中双泵运行时间和单泵运行时间各占一半，发电机组满负荷、80%负荷、70%负荷、50%负荷运行时间均为1800小时，电费成本为0.2/元度。
    （1）1#机组满负荷时，在双泵运行情况下，估算年节电量为：302400kWh，年至少节省电费：60480元
    （2）1#机组满负荷时，在变频泵单泵运行情况下，估算年节电量为：302400kWh，年至少节省电费：60480元
    （3）1#机组80%负荷时，在双泵运行情况下，估算年节电量为：625500kWh，年至少节省电费：125100元
    （4）1#机组80%负荷时，在变频泵单泵运行情况下，估算年节电量为：625500kWh，年至少节省电费：125100元
     （5）1#机组70%负荷时，在双泵运行情况下，估算年节电量为：843300kWh，年至少省电费：168660元
     （6）1#机组70%负荷时，在变频泵单泵运行情况下，估算年节电量：843300kWh，年至少省电费：168660元
     （7）1#机组50%负荷时，在双泵运行情况下，估算年节电量为：897300kWh，年至少节省电费：179460元
     （8）1#机组50%负荷时，在变频泵单泵运行情况下，估算年节电量为：897300 kWh，年至少节省电费：179460元
        可见，在满负荷全年运行至50%负荷全年运行情况下，投入1台高压变频器后，我厂全年节约电费均可达107,604元左右。另外，由于CL2700系列变频器的功率因数可达0.95以上，大于电机功率因数0.82，可减少大量无功。并且实现了电机软启动，可避免因大电流启动冲击造成对电机和机械设备的影响，减少电机维护量，节约检修维护费用，同时大幅度延长了电机的寿命。
                  
6  结论
       高压变频调速装置节能效果明显，采用变频调速后，还实现了电机的软启动，延长了电机的寿命，也减少了管道的振动与磨损；总之，深圳市科陆变频器有限公司生产的CL2700系列高压变频器在内蒙古准格尔电厂1#机组循环水泵系统的调速改造中应用是相当成功的。该系列变频器的先进性、可靠性已得到了许多工业应用的证实。在电力行业，对于许多高压大功率的辅机设备推广和采用高压变频调速技术，不仅可以取得相当显着的节能效果，是电厂节能降耗的一个有效途径，而且也得到国家产业政策的支持，代表了今后电力行业节能技改的方向。