摘要：本文針對100MW機組給水系統(tǒng)中存在的問題和運行工況，提出了完整的系統(tǒng)解決方案。對方案的可行性進(jìn)行分析論證后認(rèn)為，在給水系統(tǒng)中采用高壓變頻調(diào)速" title="變頻調(diào)速">變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行改造能夠解決系統(tǒng)中存在的問題，并且取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
　　
關(guān)鍵詞：給水系統(tǒng) 變頻 改造方案

一、概況：

　　北京京豐熱電有限公司100MW機組鍋爐給水系統(tǒng)主要由三臺6kV/1600kW給水泵和給水泵母管高、低負(fù)荷調(diào)節(jié)閥門、高壓加熱器等設(shè)備組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖所示。系統(tǒng)正常運行情況下，給水泵采用兩用一備方式運行。給水泵將除氧器的水通過高壓加熱器后輸送至高加、省煤器二次加熱最終進(jìn)入汽包，參與汽機、鍋爐的運行循環(huán)。通常，系統(tǒng)根據(jù)機組負(fù)荷高低，控制主給水調(diào)整門和低負(fù)荷調(diào)整門的開度，調(diào)節(jié)主給水流量，從而達(dá)到穩(wěn)定汽包水位的目的。在這種調(diào)節(jié)方式下，系統(tǒng)主要存在以下幾個問題：

　　1、采用給水泵定速運行，閥門調(diào)整節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率" title="系統(tǒng)效率">系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費。
　　2、當(dāng)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(yán)重，造成能耗增加。
　　3、長期的40～70％閥門開度，加速閥體自身磨損，導(dǎo)致閥門控制特性變差。
　　4、管網(wǎng)壓力過高威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能，嚴(yán)重時導(dǎo)致閥門泄漏，不能關(guān)嚴(yán)等情況發(fā)生。
　　5、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。

　　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(shù)。利用高壓變頻器對給水泵電機進(jìn)行變頻控制，實現(xiàn)給水流量的變負(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，延長設(shè)備的使用壽命，維護(hù)量減小，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約能源，為降低電廠廠用電率提供了良好的途徑。

二、系統(tǒng)方案的選擇

　　由于系統(tǒng)采用兩用一備方式運行，因此考慮采用一工一變運行方案或兩變運行方案。原給水系統(tǒng)采用閥門調(diào)整的H-Q特性曲線可見圖1，兩臺工頻泵的特性曲線合成為n。在100MW負(fù)荷時，管網(wǎng)特性為rA‘，閥門全開情況下的泵工作點為A，采用閥門調(diào)節(jié)，開度減小后系統(tǒng)的有效工作點為A‘。也就是說，100MW負(fù)荷情況下鍋爐系統(tǒng)只需要的壓力11.0Mpa,流量385m3/h的給水工況。兩臺泵的有效功率PA‘ 是與 “A‘-385-0-11.0”圍成的面積相對應(yīng)部分，而“A- A‘-11.0-14.0”圍成的面積對應(yīng)的功率PAA‘ 被閥門節(jié)流消耗掉了。 90MW負(fù)荷，70MW負(fù)荷的工況與100MW相類似。從圖1中可以看出，機組負(fù)荷對流量的需求越低，截流功耗也越大、系統(tǒng)效率降低越多。

　　系統(tǒng)如果采用一工一變運行方案，此時管網(wǎng)閥門全開、一臺變頻泵調(diào)速運行時的給水系統(tǒng)H-Q特性曲線如下圖右所示的n0 。在100MW負(fù)荷時，管網(wǎng)特性為rA‘，工頻泵的特性曲線為n0，實際所需壓力為11.0Mpa，工頻泵的有效排量為270m3/h與O點對應(yīng)。另一臺泵變頻運行后，泵轉(zhuǎn)速降低，其特性曲線為由額定曲線降為nA ‘ ，其有效工作點即為A‘ ，泵有效功率PA‘為“A‘-385-0-11.0”圍成的面積對應(yīng)功率值，系統(tǒng)不再有截流損耗。但是系統(tǒng)在機組負(fù)荷70MW時，給水流量260 m3/h小于單臺泵的額定排量270m3/h。變頻泵的調(diào)節(jié)已無法滿足系統(tǒng)控制的需要，此時可以停止工頻泵運行由變頻泵滿足系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)要求，但是一臺變頻泵的運行將大大降低系統(tǒng)運行安全性能，是不可取的。

　　如果在變頻泵和工頻泵同時運行的情況下，滿足系統(tǒng)負(fù)荷要求，則必須在負(fù)荷降低后采用閥門調(diào)節(jié)流量。而此時，變頻泵需維持泵出口壓力與管網(wǎng)壓力相等，輸出流量降為“零”（實際上是出口流量接近于零），運行特性曲線為nC‘。變頻泵在零排量功耗增加了系統(tǒng)低負(fù)荷下的給水泵系統(tǒng)" title="泵系統(tǒng)">泵系統(tǒng)功耗，整體效率降低；而且一工一變運行方式下的給水系統(tǒng)控制方案的復(fù)雜性提高不利于調(diào)峰機組的頻繁調(diào)節(jié)工況。一臺泵長期運行于滿負(fù)荷狀態(tài)將影響設(shè)備的使用壽命。

　　因此，采用一工一變的運行方案不適合于調(diào)峰機組的鍋爐給水泵系統(tǒng)。

　　鑒于上述情況，提出系統(tǒng)采用兩臺給水泵同時變頻調(diào)節(jié)的控制方案。該方案可以保證兩臺泵的工作點一致，系統(tǒng)響應(yīng)范圍寬可以滿足機組負(fù)荷變化的不同需求。采用兩臺變頻運行的方案，管網(wǎng)閥門全開，兩臺變頻泵調(diào)速運行時的給水系統(tǒng)H-Q特性曲線如圖3所示。兩臺變頻泵的特性曲線合成為n，當(dāng)機組負(fù)荷變化時，給水泵轉(zhuǎn)速降低，其工作點與系統(tǒng)有效工作點一致，大大提高了系統(tǒng)效率，而且采用變頻調(diào)節(jié)后系統(tǒng)響應(yīng)快、線性度好、易于汽包水位自動的投入。在100MW負(fù)荷時，管網(wǎng)特性為rA‘，實際所需壓力為11.0Mpa工況下，兩臺變頻泵的合成特性曲線為nA‘。 兩臺變頻泵的有效功率PA‘與 “A‘-385-0-11.0”圍成的面積對應(yīng)，而“A- A‘-11.0-14.0”圍成的面積對應(yīng)的功率PAA‘ 則是系統(tǒng)采用變頻泵調(diào)節(jié)較工頻泵閥門調(diào)節(jié)時節(jié)約的功率部分。 在70MW負(fù)荷時，管網(wǎng)特性為rC‘，實際所需壓力為11.0Mpa工況下，兩臺變頻泵的合成特性曲線為nC‘。 兩臺變頻泵的有效功率PC‘與“C‘-260-0-11.0”圍成的面積對應(yīng)，而“C- C‘-11.0-15.2”圍成的面積對應(yīng)的功率PCC‘ ，則是系統(tǒng)采用變頻泵調(diào)節(jié)較工頻泵閥門調(diào)節(jié)時節(jié)約的功率部分。給水系統(tǒng)采用兩臺變頻泵調(diào)節(jié)，可以完全響應(yīng)機組負(fù)荷的變化。

因此，100MW調(diào)峰機組的給水系統(tǒng)宜采用兩臺變頻泵的運行方案。

三、系統(tǒng)方案

　　通過對原系統(tǒng)的研究、分析，綜合其中存在的問題，以“先保證系統(tǒng)安全可靠，結(jié)構(gòu)合理，然后提供最佳性價比方案”的原則對系統(tǒng)進(jìn)行改造方案設(shè)計。

　　系統(tǒng)采用一拖一工／變頻方案，3＃、4＃給水泵分別安裝一套高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，5＃給水泵工頻備用。系統(tǒng)主電氣原理如圖4所示，其中QF表示高壓開關(guān)、QS表示隔離開關(guān)、U表示高壓變頻器、M表示給水泵電動機；QF為現(xiàn)場原有設(shè)備，QS32和QS33之間、QS42和QS43之間均存在機械互鎖關(guān)系，防止變頻器輸出與6kV電源側(cè)短路。正常運行時，斷開QS33、閉合QS32、QS31隔離開關(guān)，3＃泵處于變頻運行狀態(tài)；斷開QS43、閉合 QS42、QS41隔離開關(guān)，4＃泵處于變頻運行狀態(tài)。當(dāng)3＃（或4＃）變頻器故障時，系統(tǒng)自動聯(lián)鎖啟動5＃給水泵運行。斷開QS32、QS31 （或 QS42、QS41）、閉合QS33（或QS43），3＃（或4＃）給水泵可以恢復(fù)原工頻系統(tǒng)備用，確保系統(tǒng)運行安全。

　　給水泵變頻運行方式分為手動控制及汽包水位PID調(diào)節(jié)自動控制兩種。正常情況下， 3＃、4＃變頻泵作為運行泵長期運轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)器發(fā)出調(diào)整門全開指令，主給水調(diào)整門和低負(fù)荷調(diào)整門處于100％全開狀態(tài)；由變頻器接受遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)器的自動轉(zhuǎn)速控制信號調(diào)節(jié)給水泵流量滿足不同負(fù)荷的需求。當(dāng)單臺變頻器故障跳閘時，系統(tǒng)自動聯(lián)鎖啟動5＃給水泵工頻運行。由于工頻泵的啟動時間＜10S，而且在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后處于滿載運行狀態(tài)，其工作點高于變頻泵運行的工作點，同時會減低變頻運行泵的排量，系統(tǒng)給水量偏于正?？刂泣c。因此，在不同的機組負(fù)荷情況下，其擾動量會對汽包水位產(chǎn)生影響。為降低工／變頻切換過程中給水量對負(fù)荷的影響，調(diào)節(jié)器內(nèi)置機組負(fù)荷—調(diào)整閥位特性表，系統(tǒng)將在一臺變頻故障情況下關(guān)小主給水調(diào)整門至50～70％，同時提升變頻器的運行轉(zhuǎn)速。從而降低汽包給水系統(tǒng)對變頻調(diào)節(jié)的依賴作用，防止事故情況下變頻跳閘、工頻泵聯(lián)起后閥門響應(yīng)速度慢汽包水位變化大危及系統(tǒng)安全的情況發(fā)生。在減低節(jié)能空間的情況下保證機組安全，提高一工一變運行方式下的系統(tǒng)安全可靠性，加快變頻完全掉失情況下的系統(tǒng)反映能力是系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計當(dāng)中的一個重要問題。

　　當(dāng)給水泵變頻器跳閘后，可以通過旁路柜將變頻器完全退出主電氣回路，給水泵切換至工頻備用狀態(tài)，系統(tǒng)仍然處于兩用一備運行狀態(tài)。在變頻器維修完畢可以投入時，系統(tǒng)將變頻器直接啟動至50Hz工頻運行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，強制開閥指令，調(diào)節(jié)器自動降低變頻轉(zhuǎn)速。從而，完成工頻至變頻運行方式的投入。

四、經(jīng)濟(jì)效益分析

1、現(xiàn)場數(shù)據(jù)
1） 發(fā)電機組容量：100MW
2） 配置給水泵數(shù)量：3臺（兩用一備）
3） 給水泵參數(shù)：

4）配套電機參數(shù)：

5）發(fā)電機組不同負(fù)荷下給水泵運行參數(shù)統(tǒng)計

6）成本電價：0.232元/kW？h
7）發(fā)電機全年工作時間：8061h （2004年運行統(tǒng)計）

2、工頻狀態(tài)下的年耗電量計算：
　　Pd：電動機功率； d：電動機效率；U：電動機輸入電壓；cosφ：功率因數(shù)。
　　計算公式：Pd = ×U×I×cosφ… ①
　　將電動機銘牌參數(shù)帶入公式①可得，cosφ=0.87。
　　平均運行時間百分比＝平均運行時間／24
　　由于兩臺給水泵的運行工況一致，因此電動機在工頻狀態(tài)下，可以將兩臺泵的電流之和帶入公式
①進(jìn)行計算。各負(fù)荷電動機實際功耗計算值見下表。

Cd：年耗電量值 ；T：年運行時間 ；δ：單負(fù)荷運行時間百分比 。
累計年耗電量公式：Cd= T×∑（Pd×δ）　…②
Cd =8061×（2712.31×25%＋2531.49×41.7%＋2441.08×33.3%）=20527817 kW？h
因此，采用工頻運行時，每年兩臺給水泵的耗電總量約為2052.8萬度電。

3、變頻狀態(tài)下的年耗電量計算：
（1） 給水泵在變頻情況下的壓力計算：
　　管網(wǎng)阻力＝給水泵出口壓力—調(diào)整門入口壓力
　　閥門全開所需泵口壓力＝調(diào)整門出口壓力＋管網(wǎng)阻力
　　給水泵工作壓力=閥門全開所需泵口壓力—給水泵入口壓力
根據(jù)上述公式，將各負(fù)荷情況下的數(shù)據(jù)帶入后可依次求得給水泵工作壓力值。

（2） 給水泵在不同負(fù)荷下的泵特性系數(shù)計算：
　　由于給水泵系統(tǒng)在不同負(fù)荷下的管網(wǎng)特性不同，因此，必須將負(fù)荷對應(yīng)的H、Q值帶入公式④求得λ。

（3） 給水泵在變頻情況下的功耗計算：
　　Pd‘：電動機軸功率 ； P：泵軸功率 ； ：電動機效率 ； f：變頻器實際效率 ； ：泵效率 ；Q：泵出口流量 ；H：泵壓力 ；λ：泵特性系數(shù)。
　　由于泵與電動機軸直接連接，則傳動效率為1； Pd‘= P …③
電動機效率 與電動機負(fù)荷率β之間的關(guān)系如圖5所示。

泵軸功率： …④　　　電動機功率： …⑤
由上述公式③④⑤可推理得出：…⑥
將各負(fù)荷情況下求得的H、λ‘以及Q帶入公式⑥計算變頻狀態(tài)的電動機總功耗數(shù)值見下表。
網(wǎng)側(cè)功耗
。 由圖6查得。

Cb=8061×（2340.38×25%+2097.76×41.7%+1938.78×33.3%）= 16972241kW？h
因此，采用變頻運行時，每年凝結(jié)泵耗電量約為1697.2萬度電。

4、節(jié)能計算：
　　年節(jié)電量：ΔC= Cd－Cb = 2052.8－ 1697.2=355.6 萬kW？h
　　節(jié)電率：（ΔC/Cd）×100% =（355.6/ 2052.8）×100% =17.3%
　　節(jié)約電量若以發(fā)電成本計算，則每年可節(jié)約發(fā)電成本：355.6×0.232=82.50萬元。
　　經(jīng)改造后的給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與改造前的控制閥門開度調(diào)節(jié)相比，除了上述直接經(jīng)濟(jì)效益外，還有許多間接經(jīng)濟(jì)效益：
　　（1）采用變頻調(diào)速，消除了大電動機啟動時對電網(wǎng)電壓的波動影響。
　?。?）采用變頻調(diào)速，消除了大電動機大電流啟動時的沖擊力矩對電機損壞。
　?。?）采用變頻調(diào)速，延長了電機、管網(wǎng)和閥門的使用壽命，減輕了維修人員的工作量，降低了維修費用。
　　（4）提高了系統(tǒng)自動裝置的穩(wěn)定性，為系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運行提供了可靠保證；系統(tǒng)的運行參數(shù)得到改善，提高系統(tǒng)效率。

五、結(jié)論

　　通過對北京京豐熱電有限公司100MW機組給水泵系統(tǒng)的分析論證：采用高壓變頻器對兩臺給水泵進(jìn)行變頻改造，改閥門開度為水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是切實可行的；能夠起到降低廠用電率的目的。而且，在系統(tǒng)的安全可靠性、設(shè)備維護(hù)量等方面具有良好的收益。