【摘要】超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組具有煤耗低、技術(shù)含量高、環(huán)保性能好、節(jié)約資源的特點(diǎn)，必將是今后我國(guó)火電機(jī)組的發(fā)展方向。本文著重介紹HARSVERT—A多電平型高壓變頻在大唐烏沙山電廠600MW超超臨界機(jī)組凝結(jié)水泵變頻節(jié)能增效情況。結(jié)果表明，采用HARSVERT—A多電平型高壓變頻器對(duì)凝結(jié)水泵進(jìn)行調(diào)速節(jié)能改造，具有投資省、見(jiàn)效快等特點(diǎn)，并能取得較好的節(jié)能效果。

      1、引言
      大唐烏沙山電廠位于象山縣西周鎮(zhèn)，電廠緊鄰東海，為南方典型的海濱港口電廠。電廠一期工程為哈爾濱汽輪機(jī)廠四臺(tái)600MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，于2006年4月至6日相繼投入商業(yè)運(yùn)行。自投產(chǎn)以來(lái)，機(jī)組各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)良好。
      2#機(jī)組600MW汽輪機(jī)配置2臺(tái)100%容量的多級(jí)離心式凝泵，由定速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。運(yùn)行方式為一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。采用凝結(jié)泵定速運(yùn)行，系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：
      閥門(mén)調(diào)整節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費(fèi)。
      當(dāng)流量降低閥位開(kāi)度減小時(shí)，調(diào)整閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴(yán)重，造成能耗增加。
      長(zhǎng)期10～40％低閥門(mén)開(kāi)度，加速閥體自身磨損，導(dǎo)致閥門(mén)控制特性變差，并造成凝結(jié)水附近管道震動(dòng)較大，對(duì)安全生產(chǎn)有極大影響。
      管網(wǎng)壓力過(guò)高威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致閥門(mén)泄漏，不能關(guān)嚴(yán)，凝結(jié)泵出口精處理器泄露等情況發(fā)生。
      設(shè)備使用壽命短、日常維護(hù)量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費(fèi)。
      解決上述問(wèn)題的重要手段之一是采用變頻調(diào)速控制技術(shù)。利用高壓變頻器對(duì)凝結(jié)泵電機(jī)進(jìn)行變頻控制，實(shí)現(xiàn)除氧器水流量的變負(fù)荷調(diào)節(jié)。這樣，不僅解決了控制閥調(diào)節(jié)線(xiàn)性度差、純滯延大等難以控制的缺點(diǎn)，而且提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；更重要的是減小了因調(diào)節(jié)閥門(mén)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(duì)管路密封性能的破壞，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，維護(hù)量減小，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約能源，為降低廠用電率提供了良好的途徑。
      國(guó)家將能源利用效率列為重中之重，主要目標(biāo)是到2010年單位GDP的能源消耗減少20％。其中，每1萬(wàn)元GDP標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量應(yīng)減少到0.98噸；單位GDP的能耗每年必需減至4．4％；單位工業(yè)附加值的水資源消耗必需減少30％；主要污染物排放應(yīng)減少10％。為此，國(guó)家制定并實(shí)施了《節(jié)能中長(zhǎng)期專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》，確定了“十一五”期間能耗降低目標(biāo)。國(guó)資委和原國(guó)家環(huán)?？偩志凸?jié)能減排指標(biāo)還分別與國(guó)內(nèi)五大發(fā)電集團(tuán)公司簽訂了責(zé)任狀，將能源消耗納入企業(yè)綜合評(píng)價(jià)和年度考核，按照“一票否決”制，實(shí)施節(jié)能目標(biāo)責(zé)任制和問(wèn)責(zé)制。
      大唐烏沙山電廠作為大唐集團(tuán)的代表性企業(yè)，積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的重要政策，結(jié)合我廠節(jié)能改造活動(dòng)，隨著國(guó)產(chǎn)高壓變頻技術(shù)的日益成熟，而其改造成本的大幅降低使將凝結(jié)水泵由工頻運(yùn)行改為變頻控制的趨勢(shì)成為必然。

      凝泵規(guī)范，如表1所示：

      2、動(dòng)力系統(tǒng)方案
      結(jié)合我廠實(shí)際情況，最終確定我廠凝結(jié)水系統(tǒng)變頻改造采用一拖二手動(dòng)旁路方案。即配備一臺(tái)高壓變頻器，通過(guò)切換高壓隔離開(kāi)關(guān)把高壓變頻器切換到要運(yùn)行的凝結(jié)水泵上去。高壓變頻器可以拖動(dòng)A凝結(jié)泵電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行，也可以通過(guò)切換拖動(dòng)B凝結(jié)泵電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行。兩側(cè)凝結(jié)泵電動(dòng)機(jī)均具備工頻旁路功能，可實(shí)現(xiàn)任意一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的變頻運(yùn)行，另外一臺(tái)處于工頻備用，當(dāng)高壓變頻器故障時(shí)，系統(tǒng)可聯(lián)鎖另一臺(tái)工頻電機(jī)運(yùn)行。

 
原理示意圖

      基本原理：它是由六個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1～QS6組成（見(jiàn)上圖）。其中QS1和QS4,QS2和QS5有電氣互鎖；QS3和QS2,QS6和QS5安裝機(jī)械互鎖裝置。如果兩路電源同時(shí)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(shí)，QS3和QS4、QS5分閘，QS1、QS2和QS6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(shí)，QS1和QS2、QS6分閘，QS3、QS4和QS5處于合閘狀態(tài)；如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于合閘狀態(tài)，其它隔離開(kāi)關(guān)都分閘，兩臺(tái)負(fù)載可以同時(shí)工頻運(yùn)行；當(dāng)一路電源檢修時(shí)，可以通過(guò)分合隔離開(kāi)關(guān)使任一電機(jī)變頻運(yùn)行。
      當(dāng)A凝結(jié)泵變頻運(yùn)行故障跳閘時(shí)，系統(tǒng)聯(lián)鎖起動(dòng)B凝結(jié)泵QF2開(kāi)關(guān)工頻運(yùn)行。當(dāng)B凝結(jié)泵變頻運(yùn)行故障跳閘時(shí)，系統(tǒng)聯(lián)鎖起動(dòng)A凝結(jié)泵QF1開(kāi)關(guān)工頻運(yùn)行。

      3、控制系統(tǒng)方案
      3.1改造原則
      凝結(jié)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(shí)保證機(jī)組正常運(yùn)行前提下進(jìn)行變頻改造。改造利用現(xiàn)有的設(shè)備與系統(tǒng)，原來(lái)兩個(gè)水位調(diào)節(jié)門(mén)全開(kāi)以減小節(jié)流損失，當(dāng)高壓變頻器跳閘后，備用凝結(jié)水泵以工頻方式立即啟動(dòng)，將凝結(jié)水打至出口母管，以保證在變頻器跳閘時(shí)除氧器水位的穩(wěn)定。兩個(gè)調(diào)整門(mén)的開(kāi)度由當(dāng)前實(shí)際負(fù)荷計(jì)算得出，而且在10秒鐘時(shí)間內(nèi)迅速關(guān)到指定位置，最低程度減小系統(tǒng)擾動(dòng)，維持除氧器水位在正常范圍內(nèi)，保證機(jī)組運(yùn)行。
      3.2實(shí)際改造實(shí)施情況
      變頻器的啟停通過(guò)閉合、斷開(kāi)變頻方式下的凝結(jié)水泵的6kV開(kāi)關(guān)來(lái)自動(dòng)完成，也就是說(shuō)運(yùn)行人員在凝泵操作面板上按下凝泵操作面板的“啟動(dòng)”和“停止”按鈕即可完成6kV開(kāi)關(guān)的閉合、斷開(kāi)及變頻器的啟?？刂?。由于是一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)凝泵，所以同時(shí)只能有一臺(tái)泵在變頻方式下，另一臺(tái)泵在工頻方式，在邏輯中設(shè)計(jì)了凝泵的變頻運(yùn)行方式和工頻運(yùn)行方式，同時(shí)在原系統(tǒng)中分別增加了一套保護(hù)和一套聯(lián)鎖，即變頻器重故障凝結(jié)水泵跳閘保護(hù)，變頻器重故障備用泵聯(lián)鎖啟動(dòng)。
      正常運(yùn)行時(shí)一臺(tái)凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行，另外一臺(tái)凝結(jié)水泵工頻備用，運(yùn)行人員可根據(jù)實(shí)際情況控制除氧器水位調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度，變頻運(yùn)行且投入自動(dòng)，變頻器通過(guò)輸出頻率的改變來(lái)調(diào)整凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，從而通過(guò)控制凝結(jié)水泵到除氧器的上水量，保證除氧器水位穩(wěn)定在運(yùn)行人員的設(shè)定值范圍內(nèi)。當(dāng)水位發(fā)生波動(dòng)時(shí)，通過(guò)DCS組態(tài)中以凝結(jié)水流量、省煤器出口流量、除氧器水位三個(gè)參數(shù)構(gòu)成的串級(jí)回路，輸出轉(zhuǎn)速指令至變頻器，調(diào)整凝結(jié)水泵的上水量，以穩(wěn)定除氧器水位。
      當(dāng)就地設(shè)備發(fā)生故障，例如變頻器發(fā)“重故障報(bào)警”或者凝結(jié)水泵突然跳閘等故障發(fā)生時(shí)，當(dāng)前凝結(jié)水泵的高壓合閘開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，并閉合另外一臺(tái)工頻備用凝結(jié)水泵高壓合閘開(kāi)關(guān)，備用泵工頻啟動(dòng)。變頻器自動(dòng)切換到“手動(dòng)”方式，兩個(gè)調(diào)節(jié)門(mén)自動(dòng)切換到“自動(dòng)”方式，當(dāng)工頻泵啟動(dòng)的瞬間，除氧器上水調(diào)整門(mén)開(kāi)度仍然在較大開(kāi)度，凝結(jié)水上水量會(huì)因此猛增，為防止除氧器水位超過(guò)規(guī)定值，兩個(gè)調(diào)節(jié)門(mén)必須在最短的時(shí)間內(nèi)關(guān)到合適的位置，所以邏輯設(shè)計(jì)了一旦變頻器由于故障原因由自動(dòng)切手動(dòng)，調(diào)門(mén)在10秒鐘時(shí)間內(nèi)強(qiáng)制關(guān)到當(dāng)前負(fù)荷要求的開(kāi)度且投入到“自動(dòng)”方式運(yùn)行。這個(gè)開(kāi)度也是工頻正常運(yùn)行時(shí)調(diào)整門(mén)的理想開(kāi)度值。當(dāng)調(diào)整門(mén)關(guān)到負(fù)荷計(jì)算值位置并且穩(wěn)定后，從而完成整個(gè)凝結(jié)水變頻故障的無(wú)擾切換。

      4、冷卻系統(tǒng)方案
      由于變頻器本體在運(yùn)行過(guò)程中有一定的熱量散失，為保證變頻器具有良好的運(yùn)行環(huán)境，需要為變頻器配備獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，綜合冷卻系統(tǒng)的投資和運(yùn)營(yíng)成本、設(shè)備維護(hù)量、無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間，針對(duì)實(shí)際安裝位置、發(fā)熱總量、運(yùn)營(yíng)成本、施工費(fèi)用等因素，此次變頻改造采用了強(qiáng)制密閉式冷卻方案。
      為保障變頻設(shè)備處于安全運(yùn)行，避免環(huán)境溫度和粉塵對(duì)設(shè)備的不利影響，在變頻器功率柜側(cè)獨(dú)立增加密閉式強(qiáng)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25～40℃運(yùn)行環(huán)境，大幅度延長(zhǎng)濾網(wǎng)更換周期減少現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量。不需要為變頻器再獨(dú)立建筑房屋，變壓器柜采用開(kāi)放式冷卻。強(qiáng)制冷卻裝置與變頻器功率柜一體化設(shè)計(jì)，附著于功率柜頂部。制冷壓縮機(jī)組安裝于變頻器柜附近。
      強(qiáng)制密閉式冷卻系統(tǒng)如下圖所示：

      通過(guò)實(shí)際運(yùn)行，強(qiáng)制密閉冷卻裝置能夠滿(mǎn)足高壓變頻器運(yùn)行過(guò)程中的散熱需要，設(shè)備安裝簡(jiǎn)便、快捷，熱交換效率高。

      5、節(jié)能效果分析
      凝結(jié)水系統(tǒng)改造前、后在不同工況下凝結(jié)水泵及電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)如下：

      以#2機(jī)組09年7月平均發(fā)電情況來(lái)測(cè)算: 機(jī)組月運(yùn)行小時(shí)數(shù)為720小時(shí),發(fā)電量為3.6億千瓦時(shí),平均負(fù)荷為500MW, 負(fù)荷率為83.3 %，使用變頻器后電流減少95A，減少功耗為:

P′= UI′COSΦ
             = × 6kV×95A×0.8
    = 789.8 kW

      7月份節(jié)電率為：

£= P′/P×100%
                                    = × 6kV×95A×0.8/ × 6kV×172A×0.8

= 55.2%

      按上網(wǎng)電價(jià)0.43元/kW•h, 每小時(shí)節(jié)約合人民幣為：

￥′=789.8 kW×0.43元/kW•h=339.6元/h

      7月份每臺(tái)機(jī)組節(jié)約電費(fèi)為：

￥=339.6元/h×720 h=24.45萬(wàn)元

      同理，按年運(yùn)行時(shí)間8000小時(shí)計(jì)算，全年80%時(shí)間負(fù)荷為500MW，20%時(shí)間負(fù)荷為300MW，計(jì)算出每臺(tái)機(jī)組全年節(jié)約電費(fèi)667.75萬(wàn)元。
根據(jù)上表中數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)組負(fù)荷越小，采用變頻調(diào)速后，凝結(jié)水泵電機(jī)電流的值越小，節(jié)能效果越顯著。

      6、結(jié)論
      此次，600MW超超臨界機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)高壓變頻改造，新增變頻設(shè)備安裝布置在凝結(jié)水泵就近位置，節(jié)省了高壓電纜和土建費(fèi)用；冷卻系統(tǒng)均采用強(qiáng)制密閉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，風(fēng)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，大大減低維修維護(hù)人員的工作強(qiáng)度。凝結(jié)水系統(tǒng)投入運(yùn)行后各項(xiàng)測(cè)試性能指標(biāo)良好：兩個(gè)調(diào)整門(mén)截流噪音及震動(dòng)明顯減小，機(jī)組在300MW運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水泵電機(jī)電流由原來(lái)的154A 最低降低到32A左右，節(jié)電率最大，可達(dá)79%，全年平均節(jié)電率為57%，節(jié)能效果十分明顯，改造非常成功。