電廠(chǎng)循環(huán)水泵變頻改造

第30卷第3期威電設備Vol 30, No. 32016年5月POWER EQUIPMENTMay.2016電廠(chǎng)循環(huán)水泵變頻改造陳正建(深圳能源集團殿份有限公司東部電廠(chǎng),廣東深圳518120)摘要:針對變頻改造后出現的泵的最小流量限制和循環(huán)水母管充水要求,通過(guò)理論分析和試驗,確定了運行的邊界保證設備和系統的安全。為了使得機組在最佳真空下運行,通過(guò)試驗和估算找出變頻泵的最佳運行工況,提高了循環(huán)水泵運行的靈活性,降低了廠(chǎng)用電率關(guān)鍵詞:循環(huán)水;變頻;最佳真空;廠(chǎng)用電率中圖分類(lèi)號:TK477文獻標志碼:A文章編號:1671086X(2016)03-0183-05Frequency Conversion Retrofit of a Circulating WaterPump for Power PlantsChen Zhengjian( Dongbu Power Plant, Shenzhen Energy Corporation, Shenzhen 518120, ChinaAbstract: To guarantee that the flow rate of relevant circulating water pumps is higher than theminimum requirement and the top of the main pipeline can be filled with seawater after frequencyconversion retrofit, operation limits are set through analysis and commissioning tests to secure the safety ofrelated equipment and systems. Meanwhile, optimal operation conditions are found by tests and calculationsafter frequency conversion retrofit, so that the circulating water system can be operated under the bestvacuum condition and become more flexible to the DSS operation mode, thus bringing remarkable economicbenefit to the power plantKeywords: circulating water; frequency conversion; optimal vacuum; auxiliary power ratio循環(huán)水泵是燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)最大的耗能設備某電廠(chǎng)3臺聯(lián)合循環(huán)機組配置了31循環(huán)水系統概況臺循環(huán)水泵,設計的循環(huán)水泵系統在運行方式某電廠(chǎng)安裝3臺350MW聯(lián)合循環(huán)機組,電上缺乏靈活性,不能在電廠(chǎng)兩班制運行方式下廠(chǎng)的循環(huán)冷卻水系統采用海水直流供水,取排水經(jīng)濟運行,浪費大量廠(chǎng)用電。筆者重點(diǎn)分析了口均設在海邊變頻改造后,為了保證滿(mǎn)足循環(huán)水泵最小流量冷卻水工藝流程為:海水→前池→凈水間要求和循環(huán)水爬坡母管充水等邊界條件,對循→循環(huán)水泵房→壓力管→凝汽器及輔機冷卻器環(huán)水泵變頻后的運行頻率進(jìn)行了限制,保證設→排水孔→虹吸井→排水溝→排水口→海水。備和系統安全。在安全邊界范圍內,通過(guò)凝汽循環(huán)水系統采用雙母管制供水,3套聯(lián)合循環(huán)機器真空變化對汽輪機功率徵增影響的試驗方組配套3臺循環(huán)水泵,2條循環(huán)水母管,3套虹法,得出了最佳真空對應的循環(huán)水泵運行方式吸井,以及1條鋼筋混凝土自流排水溝。循環(huán)和頻率定值,保證機組運行在最經(jīng)濟工況點(diǎn)。水母管間設有聯(lián)絡(luò )管,排水溝間也設有聯(lián)循環(huán)水泵變頻改造后的經(jīng)濟效益顯著(zhù),靈活性絡(luò )溝1。明顯增強,達到了預期的改造效果。圖1為該電廠(chǎng)循環(huán)水系統圖。收稿日期:2015-1020作者簡(jiǎn)介:陳正建(1981-),男,工程師,主要從事燃氣輪機運行管理工作中國煤化工E-mail:chenzhengjian@sec.com.cCNMHG184·發(fā)也設畚第30卷循環(huán)水母管甲ABP-131號虹吸井循環(huán)水母管乙1號凝汽器號液控2號液控3號液控蝶閥蝶閥號虹吸井水2號凝汽器卩號循環(huán)2號循環(huán)3號循環(huán)「攔污柵】攔污柵][攔污g3號虹吸井鋼閘門(mén)[鋼閘門(mén)】【鍋閘門(mén)3號凝汽器海水海水海水彐1循環(huán)水系統循環(huán)水泵額定流量為7.05m3/s,揚程為機組負荷,循環(huán)水的需求量也不同,定速泵此時(shí)23m,泵出口均安裝有液控式緩閉蝶閥,減小水缺乏明顯的靈活性。筆者主要分析機組全停工錘風(fēng)險。單臺循環(huán)水泵電動(dòng)機功率為2200kW,況和冬季工況的情況。電壓為6kV。2.1機組全停工況2循環(huán)水系統改造前狀況機組主要是兩班制運行,夜間機組調停后,仍需要少量的循環(huán)水冷卻軸封蒸汽和部分疏水按照設計,電廠(chǎng)3臺機組配備3臺循環(huán)水泵,泄漏到凝汽器的蒸汽維持真空及輔機部分冷卻為滿(mǎn)足夏季海水溫度最髙時(shí)的循環(huán)冷卻需要,3用水,這時(shí)需要的循環(huán)水量很小。根據實(shí)際運行臺泵同時(shí)運行;冬季工況下可以按照三機二泵運參數機組在停機后凝汽器循環(huán)水進(jìn)出口的溫升行,在滿(mǎn)足冷卻需要的情況下冬季運行可節約廠(chǎng)只有0.3K,此時(shí)1臺工頻泵的循環(huán)水流量基本用電。實(shí)際運行中,這樣的配置相對于兩班制運都被浪費。行的機組缺乏靈活性,經(jīng)濟性差。根據2012年2.2一泵一機工況和二機二泵工況統計,1-4月和12月的冬季工況,幾乎沒(méi)有出現冬季工況,由于海水溫度在17℃左右,而3臺機的運行工況。冬季典型的兩班制運行情況夏季工況的海水溫度在27℃,冬季工況的溫見(jiàn)圖2。度明顯低很多,循環(huán)水的冷卻經(jīng)常過(guò)量,導致凝汽器真空度太高,凝汽器壓力超過(guò)極限真空,達到2kPa左右,超過(guò)了機組設計的最佳真空值4.2kPa,使得聯(lián)合循環(huán)中的蒸汽循環(huán)部分偏離最佳真空運行工況點(diǎn)。在過(guò)低的真空下低壓缸末幾級的濕度會(huì )偏大,對低壓缸最后圖2典型冬季運行方式幾級葉片造成水蝕。此時(shí)凝結水過(guò)冷度達到6冬季每天06:00左右開(kāi)機,運行到22:30左K左右,較合理的過(guò)冷度2K偏大很多,這說(shuō)右停機,一周除了周日可能開(kāi)1臺機或不開(kāi)機,明海水將凝結水過(guò)度冷卻,被海水帶走的額外其余時(shí)間基本都開(kāi)2臺機。這種情況下,開(kāi)2臺熱量較多,在汽水循環(huán)時(shí),這部分熱量還要通機時(shí)需要2臺泵,開(kāi)1臺機時(shí)需要1臺泵,和設計過(guò)鍋爐補充,經(jīng)濟性較差;且過(guò)冷度越大,凝結的二泵三機運行方式背離,循環(huán)水明顯過(guò)剩,造水的溶解氧就越高,將加速鍋爐換熱面和管道成嚴重浪費。夜間停機后也需要維持1臺泵運的腐蝕行,由于沒(méi)有大的熱負荷,所需循環(huán)水量很小,浪通過(guò)v凵中國煤化工工況還是冬費嚴重。在春秋季,開(kāi)2臺機需要2臺循環(huán)水泵,季一泵CNMHG行工況,均能此時(shí)的循環(huán)水流量還是過(guò)剩。另外,對于不同的減少循環(huán)水流量的潛力,有較大的節能降耗潛第3期陳正建:電廠(chǎng)循環(huán)水泵變頻改造185·力,且針對過(guò)渡季和不同的機組負荷等情況,通致汽化出現汽蝕,損壞葉輪。同樣,為了防止由過(guò)調整循環(huán)水流量也有一定的節能空間于循環(huán)水泵的頻率下降,導致流量下降,進(jìn)而導3變速方案選擇致小于泵的最小流量,長(cháng)期這種工況運行,導致泵的葉輪汽蝕。制造廠(chǎng)給出的最小運行流量是3.1變速泵的特性4.2m3/s,最低運行頻率是33Hz。所以循環(huán)水由泵和風(fēng)機的工作原理可知:水泵和風(fēng)機的泵的頻率也需要一個(gè)最低值限制,以保護循環(huán)水流量與其轉速成正比;水泵和風(fēng)機的壓力(揚程)泵,防止葉輪汽蝕與其轉速的平方成正比,而水泵和風(fēng)機的軸功率根據循環(huán)水泵的性能曲線(xiàn),保證變頻后循等于流量與壓力的乘積故水泵和風(fēng)機的軸功率環(huán)水泵在任何時(shí)刻都能運行在最小流量之上,與其轉速的三次方成正比(2。在控制系統中特別設定了閉鎖功能。圖3為根水泵和風(fēng)機屬于典型的平方轉矩負載類(lèi)型,據泵的特性曲線(xiàn)繪制的閉鎖函數,表1為根據所以其功率(軸功率)轉矩(壓力)轉速滿(mǎn)足以實(shí)際試驗測量數據得到的最低頻率閉鎖設定下關(guān)系(相似定理):(通過(guò)試驗測量不同工況下最小流量對應的頻率)。圖3中定值設置的依據主要是泵的變頻Q=NH=(N)2‘p=(N)(1)后的性能曲線(xiàn),當一臺變頻泵運行時(shí),按照泵在定頻率下的性能曲線(xiàn)查得泵出口壓力對應的式中:N、Q、H、P表示變頻后的泵的轉速、流流量,保證大于最小流量,實(shí)際循環(huán)水泵出口壓量、壓頭和軸功率;N、Q、H、P表示工頻泵的轉力只有壓力表,通過(guò)實(shí)際觀(guān)察和修正,采用循環(huán)速、流量、壓頭和軸功率。水泵出口母管壓力變送器來(lái)實(shí)現閉鎖功能。在3.2變頻和雙速改造的選擇變頻泵和工頻泵并列運行時(shí),變頻泵和工頻泵循環(huán)水泵的變速改造一般有變頻和高低雙的出口壓頭基本相同,流量不同,同時(shí)也考慮了速改造兩種方案。變頻方案可以實(shí)現循環(huán)水泵最大循環(huán)水母管壓力、最低潮位等因素來(lái)決定轉速和流量的連續調節,但是變頻裝置的可靠變頻泵的最低頻率,保證變頻泵的流量在任何性相對較低,且變頻裝置初期投資較大。高低工況下均大于最小流量值雙速改造的流量調節是通過(guò)不同的泵的運行組合實(shí)現的,不具有連續可調性能,尤其在單泵容量較大情況下,節能不徹底,且大部分的高低速切換需要停泵,操作不靈活?？紤]該電廠(chǎng)3臺機組只配備了3臺循環(huán)水泵,單泵功率大且目前大功率的變頻器價(jià)格大幅下降,可靠性也有明顯上升,最后決定采用變頻改造采用變頻方案后,考慮實(shí)際運行方式的靈00050.100150200.250.30活性、節能效果以及投資回報,按照3臺循環(huán)水循環(huán)水泵出口母管壓力MPa泵中取2臺循環(huán)水泵按一拖一變頻改造來(lái)實(shí)圖3最小流量保護報警函數施,綜合考慮系統循環(huán)水系統配置方式和運行表1最低頻率設定值方式,最終選取1號、3號循環(huán)水泵進(jìn)行變頻改方式最低頻率設定/Hz造。變頻裝置帶工頻旁路,提供了變頻和工頻兩種運行方式。為了保證備用的可靠性和快速工一變性,備用只采用工頻備用方式(不設變頻備用方式)變頻后系統運行邊界問(wèn)題4.1循環(huán)水泵最小流量保護4.2循環(huán)水中國煤化工泵的最小流量旨在保護泵葉輪,防止在小流由于該CNMHG后下坡,最量工況下,葉輪邊緣的摩擦熱量無(wú)法被帶走,導高點(diǎn)和最低點(diǎn)相麥9m,所以循環(huán)水泵的壓頭186發(fā)電謾畚第30卷方面要滿(mǎn)足爬過(guò)坡頂,同時(shí)也要充滿(mǎn)母管頂部,DCS上發(fā)出變頻停泵指令,此時(shí)控制系統先將防止由于母管頂部的空氣進(jìn)入管道,引起凝汽器變頻泵的頻率降低到35Hz,然后液控蝶閥開(kāi)進(jìn)空氣,破壞凝汽器虹吸作用,另一方面還要克始快關(guān)到15°,此時(shí)發(fā)出斷循環(huán)水泵變頻器上服循環(huán)水的沿程阻力。這就決定了循環(huán)水泵變游6kⅤ開(kāi)關(guān)指令,同時(shí)繼續慢關(guān)液控蝶閥至頻后的頻率不能一味降低,且各機組的凝汽器循全關(guān)。實(shí)際上改造后變頻停泵的邏輯和工頻環(huán)水的回水閥開(kāi)度可以調節,來(lái)配合維持循環(huán)水保持了一致,保證在停泵過(guò)程中不出現短時(shí)憋母管頂部充水。泵的現象。表2為不同運行方式下坡頂充水設定報6變頻后系統運行最佳工況警值增加循環(huán)水量會(huì )使汽輪機的真空提高,使機表2不同運行方式下坡頂充水設定報警值組的發(fā)電量增加,但增加循環(huán)水量也會(huì )使循環(huán)水方式最低母管最低循環(huán)水回水閥門(mén)泵的耗電量增加。因此要找出一個(gè)最佳值,使系頻率/Hz壓力/MPa開(kāi)度/%統的凈功率最大,即對應于一定的內、外部條件,變0.07225、20、20(機組全停)在某種循環(huán)水系統運行方式下,機組出力與循環(huán)變380.07210、10、38(一機運行)水系統耗電量之差最大,則該方式為循環(huán)水系統0.07470、70、10(二機運行)的最佳運行方式,此時(shí)電廠(chǎng)運行的經(jīng)濟性最高。變100、100、10(二機運行)注:3臺泵的運行方式在3臺機組凝汽器全開(kāi)回水閥的情況max△N=N,(2)下均能滿(mǎn)足母管坡頂充水式中:N,為機組的發(fā)電量;Nn為第i臺水泵的耗電量,=1,2,3,…,n5變頻后的啟停功率凈增益△N為為了限制循環(huán)水系統水錘影響,一般在循△N=△N,-△N環(huán)水泵出口安裝液控蝶閥,通過(guò)程控配合減少式中:△N為按某一基準計算的汽輪機的增發(fā)功水錘對管道和設備的影響。循環(huán)水泵變頻后,率kW;△N為按某一基準計算的循環(huán)水泵的功由于變頻裝置變壓器的容量限制等原因,啟動(dòng)率增量,kw過(guò)程不能在短時(shí)間內完成,所以和液控蝶閥的對于循環(huán)水量可連續調節的系統,在某一循配合也將變化。改造之前的工頻啟動(dòng)邏輯:DCS環(huán)水進(jìn)口溫度t和機組負荷N,以循環(huán)水量D上發(fā)出啟泵程控指令后,先快開(kāi)泵出口液控蝶為決策變量,不斷變動(dòng)D依次計算循環(huán)水溫閥到15時(shí)(約5s),發(fā)啟動(dòng)循環(huán)水泵指令,同時(shí)升、凝汽器端差、凝汽器飽和溫度、凝汽器真空、液控蝶閥繼續慢開(kāi)至全開(kāi)(約20s)。改造后的汽輪機功率、循環(huán)水泵的功耗、汽輪機增發(fā)功率變頻啟動(dòng)邏輯:DCS上發(fā)出變頻啟泵程控指令△N1與循環(huán)水泵的功耗增量△N,之差△N,相應后,先變頻啟動(dòng)循環(huán)水泵,待循環(huán)水泵頻率至循環(huán)水流量D即為最佳循環(huán)水流量,對應的汽35Hz時(shí),液控蝶閥前后壓力平衡,開(kāi)始打開(kāi)循輪機真空即為最佳真空(見(jiàn)圖4)21。環(huán)水泵出口液控蝶閥至全開(kāi)。液控蝶閥打開(kāi)過(guò)程和工頻方式一致,只是開(kāi)到15°位置開(kāi)關(guān)沒(méi)有真作用。實(shí)際過(guò)程中,相較工頻啟動(dòng)的硬啟動(dòng)特性,變頻啟動(dòng)過(guò)程循環(huán)水系統壓力基本沒(méi)有沖擊現象。對于變頻啟動(dòng)先啟泵后開(kāi)閥方式,主最佳真空要是避免開(kāi)閥后在變頻器升頻率過(guò)程中長(cháng)時(shí)間對循環(huán)水母管泄壓;同時(shí)也可能造成變頻器啟動(dòng)負載大,啟動(dòng)不成功風(fēng)險。改造前的工頻停泵邏輯:DCS上發(fā)出停泵程控指令后,液控蝶閥開(kāi)始快關(guān)到15°位置(約中國煤化工3s),此時(shí)發(fā)出停循環(huán)水泵指令,同時(shí)繼續慢圖CNMHG機一泵方式關(guān)液控蝶閥至全關(guān)。改造后的變頻停泵邏輯:下380MW負荷的最佳真空曲線(xiàn),通過(guò)對不同第3期陳正建:電廠(chǎng)循環(huán)水泵變頻改造187的運行方式的試驗得出最佳真空和最佳頻率表4不同海水溫度和負荷下推薦運行頻率(見(jiàn)表3)。海水溫度單機負荷方式18℃20℃22℃24℃26℃40n二變二機3939240MW二變三機3939414450變一工三機424242變二機330MW圖5冬季工況一機一泵380MW最佳真空曲線(xiàn)二變一工三機4242424250表3冬季工況下最佳真空和頻率一變一機4145505050負荷/Mw最佳真空/最佳頻率/方式373MW二變三機二變一工三機4242424250一機5050280(2臺)二變二機382(2臺)390MW240(3臺)二變三機4350505050二變三機382(3臺)4.96二變一工三機4242424250注:循環(huán)水泵主要組合運行方式為一變、二變、二變一工盡管能通過(guò)試驗的方法找到一定海水溫度下不同負荷點(diǎn)的最佳真空值,但是由于海水溫度7結語(yǔ)隨季節變化,而機組負荷受電網(wǎng)的調度,所以最(1)由于循環(huán)水泵變頻改造針對冬季工況進(jìn)佳真空值是變化的。為了便于控制,同時(shí)也根據試驗數據,對冬季工況下不同負荷的最佳頻率進(jìn)行,得到的是冬季工況下的最佳真空情況。(2)根據試驗得到了相關(guān)工況的最佳真空,行插值計算,得到全負荷工況下的最佳頻率給出了不同海水溫度和不同機組負荷情況下的對于海水溫度的變化,可以根據凝汽器變工循環(huán)水泵運行方式和最佳頻率;但是在DCS上組況計算來(lái)確定最佳頻率運行點(diǎn),但是該計算量較大且準確性也不高所以按照簡(jiǎn)單的熱平衡方態(tài)相關(guān)運行比較復雜暫時(shí)還是采用手動(dòng)調整。(3)根據循環(huán)水泵變頻改造后的調試數據及法,對不同海水溫度下的最佳頻率進(jìn)行了估算,運行情況,若以上一年度機組的負荷率及運行方得到了循環(huán)水泵的不同組合運行方式(圖6)和全式估算,2臺循環(huán)水泵變頻改造后預計全年可節工況下的最佳頻率值(表4)。電約6.34×106kWh,按0.53元/(kWh)計算,一變節省費用約336萬(wàn)元,節電率約為22.1%,使廠(chǎng)臺機組用電率降至2.19%,節能效果明顯,按照投資250進(jìn)口海水溫度17℃193℃30℃萬(wàn)元計算,投資回收期在10個(gè)月左右,經(jīng)濟效益臺機組顯著(zhù)。進(jìn)口海水溫度224℃參考文獻三臺機組[1]孫蘭英,東部電廠(chǎng)循環(huán)水泵變頦改造報告[R].北京:華北電力設計院工程有限公司,2014口海水溫度193℃203℃224℃[2]陳鵬程.東部電廠(chǎng)循環(huán)水泵變頻改造試驗方案[RJ.廣州:廣圖6不同梅水溫度對應的推薦運行方式東粵能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司,2015中國煤化工CNMHG