300mw机组低压加热疏水泵变频调速控制改造方案

300mw机组低压加热疏水泵变频调速控制改造方案

频效效应技术是一项重要的节能和环保技术，广泛应用于各种工业生产、交通运输和家庭的使用中。其中交流电机调速技术中变频调速是我国现代电力传动的主要发展方向,交流调速电机的巨大吸引力在于其技术经济效益日益显著。对于风机水泵类负载设备传动,其负载特性轴功率与转速3次方成正比,按照不同工况需要,调节到最佳运行状态,可以达到最大的节能效果。湛江发电厂300MW汽轮发电机组采用东方汽轮机厂制造的N300-16.7/537/537-3型汽轮机,低压加热器(以下简称“低加”)疏水泵为上海水泵厂制造的150NW-90×2型卧式疏水泵,进口直径150mm,单级扬程90m,级数为2级,主要参数见表1。其原有的设计和在实际运行中,主要存在着以下弊端:在机组120MW(40%工况)以上时,低加疏水采用投入疏水泵运行方式(1台运行,1台备用),疏水泵采用定速运行,通过出口调节阀节流来控制疏水箱水位,因而产生很大的节流损失和一定的热量损失。由于泵出口调节阀特性不好,经常发生低加疏水箱水位过低或无水位空泵运行,造成疏水泵汽蚀,疏水管道振动大,电流变化幅度大,泵使用寿命短,严重影响机组调整的稳定投运。运行操作频繁,检修维护工作量大,设备维护费用高。为此,借鉴国内外已有经验,提出了变频调速控制技术解决方案,将低压加热器疏水泵疏水控制方式由阀门调节改为疏水泵变频调速控制,根据负荷工况的疏水量来调节电机的转速,从而改变泵的出力,达到控制低加水位的目的。改造后机组起动时,当负荷在40MW(13.3%工况)以上时即可投入疏水泵变频运行,提高了机组起动热效率,消除了出口调节阀节流造成的能量损耗,同时有效地降低了泵和电机的空载损耗,低加疏水系统运行稳定,检修维护量和设备维护费用大为下降。本文介绍了利用变频器对低压加热器疏水系统进行改造的方案,包括主电路、可编程控制器(PLC)恒水位控制系统及控制流程等。并对变频器的调速方式、变频器的选型及应用的相关问题进行了分析。此外,对改造的效益和投资回收期也进行了分析。研究结果对其他发电厂疏水系统变频改造有一定的参考价值。1设备的一般配置和问题1.1低加疏水系统湛江发电厂汽轮机为东方汽轮机厂制造的N300-16.7/537/537-3型汽轮机,机组采用八段非调整抽汽,前3段供高压加热器,后4段供低压加热器,低加疏水系统设计为逐级自流和低加疏水泵联合运行方式,低加局部疏水系统如图1所示。低加疏水泵为上海水泵厂造的150NW-90×2型,配用长沙电机厂制造的Y315M-2型电机。疏水泵出口调节阀选用美国FISHER调节阀。1.2疏水泵定速运行按设计要求,机组负荷在120MW以下时,低加疏水量少,容易打空,低加疏水采用自高至低逐级自流方式,即4号低加→3号低加→2号低加→低加疏水箱→12m水封U形管→1号低加→凝汽器。机组负荷在120MW以上时,低加疏水采用逐级自流和疏水泵联合运行方式,即4号低加→3号低加→2号低加→低加疏水箱→疏水泵→2号低加出口凝结水母管→1号低加→凝汽器。该运行方式可避免低加疏水导入凝汽器增加冷源损失,从而提高了机组运行的经济性,但疏水泵采用定速运行,通过出口调节阀节流来控制疏水箱水位,在运行中存在如下问题:a)运行时节流量大,出口压力高,经常发生泵轴封盘根处大量漏水造成工质损失,同时容易轴承进水,影响泵正常运行甚至损坏轴承和泵;b)泵出口调节阀线性度不高,影响机组调整的稳定投运;c)由于调节性能不好,经常发生低加疏水箱水位过低或无水位空泵运行,造成疏水泵汽蚀,疏水管道振动大,电流变化大,泵叶轮及导叶轮、泵轴、轴承、盘根等部件损坏,影响泵使用寿命,一般运行3～4个月检修一次,有时是一台未修好另一台已坏,出现水位过高,使低加水位保护动作,低加解列,影响机组安全运行;d)疏水泵定速运行,出口调节阀节流,能量损失大,且运行操作频繁,检修维护工作量大,费用高。低加疏水系统采用逐级自流和疏水泵联合运行方式设计的300MW机组,普遍存在上述问题。因此,自1993年起300MW机组低加疏水系统设计时普遍取消低加疏水泵,将1号、2号低加联合布置于凝汽器喉部,低加疏水采用逐级自流方式,系统简单,检修、运行维护量少,但凝汽器冷源损失增加,降低了机组的经济性。2低加疏水系统改造设计为了从根本上解决上述问题,改善低加疏水系统的运行条件,降低厂用电率,提高自动化程度,实现低加疏水箱水位自动调控,达到安全、节能和高效的目的,决定对低加疏水系统进行改造。改造方案有三种,即采用机械式调速传动方式,变速联轴节传动方式或变速电机调节方式。2.1采用自动减速传统模式如采用小汽机驱动,由于机械式调速传动投资高,维护要求高,加上现场空间较小,采用此方式显然不可行。2.2机三种形式变速联轴节就是在以定速运转的电动机轴上装设可调速的联轴节,用于改变负载装置的输入转速。它又可分为机械式变速机、液力式变速机及电气式变速机三种形式。机械式变速机主要为变间距带轮与挠性带调节,由于其调速响应性及精度差,现已广泛改为变频器进行调节。液力式变速机(如液力偶合器等)是利用改变液量来改变输出轴的转速,容易实现无级调速,比机械式调速好,但效率低、损耗大、无制动、急加减速困难,也逐步被变频器所取代。电气式变速机即电磁转差离合器,通过调节励磁电流来控制速度与转矩特性,但总效率低、转筒需要冷却、不能产生制动转矩等,也逐步被变频调速所取代。2.3初期投资费用异步电机的变速调节方式可采用变极调速和变频调速两种。变极调速需要更换电动机,初期投资费用较高。近年来,随着计算机技术的发展,以微处理机CPU为控制核心的交流变频技术日渐完善和成熟,性能价格比逐步提高,结合湛江电厂低加疏水泵的现场位置情况,为降低改造费用,在不更换原电机的前提下,对疏水泵电机进行变频调速改造。3稀疏水系统的频变传输方法3.1信号至实行控制低加疏水泵变频调速控制原理是由低加疏水箱水位差压变送器传输水位信号至变频器,由变频器按照控制信号大小与设定水位控制值特性,输出可调频率的三相交流电源来改变电机的转速,从而改变泵的出力,达到控制低加水位的目的。疏水系统变频控制水位系统的控制流程见图2。3.2控制系统的改造湛江发电厂采用ZB-DS-132/B型低加水位变频调速控制系统对300MW机组低加疏水系统进行改造。主要由ZB-DS-132/B型变频调速自动控制柜、疏水箱水位SMAR智能差压变送器、带模拟量输入输出的可编程序控制器和日本富士公司的FRN132S型变频器及疏水泵组构成(见图3)。控制系统主要由主回路和控制回路两部分构成。主回路由整流器、滤波环节和逆变器构成,用来为电机提供调压调频电源,其中整流器将工频电源变为直流电源,滤波环节吸收整流器和逆变器之间的电压波动,而逆变器则将直流电源再变为交流电源。控制回路用于给主回路提供信号,由频率与电压的运算回路、主回路的电压/电源检测回路、电动机的速度检测回路、将运算回路的控制信号进行放大的驱动回路以及逆变器和电动机的保护回路组成。具体改造方法如下:a)2台疏水泵电机动力电源回路共用1台变频器。这种配置方式灵活且节省投资。b)原有的手动启停及互锁保留,以控制整套变频装置的2路工作电源开关。c)在疏水箱上安装一套美国进口且带PID调节的SMAR-LP301水位差压变送器。d)变频器控制柜安装在电气配电室内,有全自动、手动及定速运行3种方式。在集控室内设监视及远方操作装置,并保留原疏水泵的断路器及控制开关。接线方式为从原疏水泵动力配电屏引动力电缆到电机。3.3泵出口控制阀控制原理采用闭环全自动运行,由变频器分别控制甲、乙疏水泵软启动、软停泵。交流接触器的吸合由PLC程序控制,工频与变频及甲、乙泵变频相互联锁;变频器发生故障后由PLC自起动另一台泵工频运行,水位控制切换至由泵出口调节阀来控制。当运行方式为甲泵(或乙泵)自动变频运行,乙泵(或甲泵)工频备用方式时,根据疏水箱水位高低,自动调整甲泵(或乙泵)转速及起、停乙泵(或甲泵),即当甲泵(或乙泵)在满负荷(设定频率为50Hz)连续运行70s以上时,自动起动乙泵(或甲泵)工频运行;当水位下降,甲泵(或乙泵)轻负载(设定频率20Hz)连续运行超过10s时,自动停止乙泵(或甲泵)运行。3.4自动交流方式bPLC有12个开关量和4个4～20mA模拟量输入,有10个开关量和2个模拟量输出。PLC接口资源分配见图4。可编程软件应实现如下功能:a)根据差压传感器对疏水箱水位测量的信号(4～20mA),PLC对给定值SP与测量值进行PI水位调节,由PLC模拟口输出4～20mA调节信号给变频器,使变频器输出频率即电机水泵转速随着水位变化而自动改变,保证水位在给定值附近稳定运行。b)在自动变频方式下,甲泵能根据疏水箱水位信号作自动变频,改变疏水泵转速运行,乙泵作定速运行准备。当发电机组负荷增加,疏水量大时,甲泵达到最高频率50Hz,即满负荷运行70s以上还不能保持水位稳定,则乙泵自动投入定速运行;当甲泵频率下降,轻负载运行超过10s时,乙泵还能自动退出定速运行。c)在自动变频方式下,乙泵可根据低加疏水箱水位信号作自动变频,改变疏水泵转速运行,甲泵作定速运行准备。当发电机组负荷增加,疏水量大时,乙泵达到最高频率50Hz,即满负载运行70s以上还不能保持水位稳定,则甲泵自动投入定速运行;当乙泵频率下降,轻负载运行超过10s时,甲泵还能自动退出定速运行。d)在变频器发生故障时,可转换为定速运行方式,甲、乙泵均可作定速运行。e)联锁投入时,若一台疏水泵发生故障自动停止,另一台疏水泵能自动投入运行。4运营效果及绩效分析4.1疏水泵改造后的效果低加疏水泵变频调速控制系统改造完成后,经过2年多的运行观测检查(其运行状况见表2),主要效果如下:低加疏水泵采用变频调整控制方式后,自动控制性能良好,疏水箱水位基本恒定,低加系统运行稳定,未出现过低水位或高水位运行情况;避免了疏水泵低水位或无水位运行导致泵叶片汽蚀及打空泵、窜轴等,减少了泵轴承发热、磨损,未发生过泵出口管道振动现象,延长了疏水泵使用寿命。改造后经大小修检查,未发现泵叶轮、导叶轮、轴承等部件损坏的现象,基本上无维护量。疏水泵稳定运行,噪音低、电流小、电流波动值低。泵体振动值在0.03mm以下,轴窜量在0.05mm以下,为泵轴安装机械密封创造了条件,湛江发电厂已将泵轴盘根填料密封改为机械密封,达到长期稳定运行的无泄漏标准。消除了出口调节阀节流造成的能量损耗,同时有效地降低了泵和电机的空载损耗。不同负荷时疏水泵在2种方式下的电流对比见表2。改造后机组起动时,负荷在40MW以上即可投入疏水泵变频运行,提高了机组低负荷时的热效率。而改造前,机组负荷在120MW以上时才能投入疏水泵运行。此前将低加疏水直接排入凝汽器,增大凝汽器热负荷,既影响真空,又增加冷源损失,降低了机组热效率。疏水泵改变频控制后,基本上免维护,大幅度减轻了运行和检修人员的劳动强度,提高了设备管理水平。4.2火炬气回收及回收率由表2提供的数值,我们对改造的效益进行分析,分析结果见表3。按凝汽器300MW机组年运行300天计算,每年可节省电量238.368MWh。按市场电价0.5元/kWh计算,疏水泵改变频调节后,仅电机节能效益的年收益就为11.92万元人民币。疏水泵每天疏水量为1620.42t,平均温度为107.28℃,发热量450.47kJ/kg,经凝结器冷却后的可利用水温为40.6℃,发热量170.05kJ/kg,损失的发热量降为280.42kJ/kg。由于低加疏水泵损坏每年需将疏水疏至凝结器的天数约为10天,则损失的热量为4543.982GJ。标准煤发热量29.2712MJ/kg,折算每年增加标准煤量达155.2t。按每吨标准煤400元计算,则变频改造后因降低热能损失带来的效益,即每年可节约燃料费用为6.208万元人民币。另外,变频