循環(huán)軟啟動變頻調(diào)速在300MW汽輪機(jī)組給水泵上的應(yīng)用

1、引言

近年來300mw抽汽供熱汽輪機(jī)組正在成為城市供熱主力機(jī)組。在建和準(zhǔn)備建設(shè)的供熱機(jī)組多為300mw汽輪機(jī)組。300mw供熱汽輪機(jī)組一般配有兩臺50%額定容量的汽動給水泵，一臺30%額定容量的電動給水泵或三臺50%額定容量的電動給水泵。

我國運(yùn)行中和新建擴(kuò)建的熱電廠中，給水系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式和給水泵型式和配置各不相同。盡管不同型式和不同配置的主給水系統(tǒng)都能滿足熱電廠的運(yùn)行需要，但作為電廠的重要輔機(jī)系統(tǒng)，其投資和運(yùn)行維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性是不同的。按照國家“大力推動以節(jié)能降耗為重點(diǎn)的設(shè)備更新和技術(shù)改造，加快淘汰高能耗、高耗水、高耗材的工藝、設(shè)備和產(chǎn)品”的要求，應(yīng)用循環(huán)軟啟動變頻調(diào)速方案，實現(xiàn)300mw汽輪機(jī)組給水泵調(diào)節(jié)，取代小汽輪機(jī)調(diào)節(jié)和液力偶合器調(diào)節(jié)，初投資是節(jié)省的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是簡單的，運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用是節(jié)省的。
　
上世紀(jì)80年代以來發(fā)達(dá)國家已應(yīng)用變頻器進(jìn)行電站給水泵的調(diào)節(jié),并逐步取代小汽輪機(jī)和液力耦合器。我國近年來高壓變頻器已成功的應(yīng)用到火電廠的送、吸風(fēng)機(jī),給水泵、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、灰渣泵的生產(chǎn)技術(shù)改造中,其調(diào)節(jié)特性、節(jié)電特性和經(jīng)濟(jì)效益是其它調(diào)節(jié)方式無法比擬的。

2、主給水系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式

主給水系統(tǒng)的主要功能是將溫度、壓力和水質(zhì)合格的水送到鍋爐大汽包,并利用給水系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能將汽包水位維持在允許范圍（給定范圍）,它是保證鍋爐機(jī)組安全運(yùn)行和汽水品質(zhì)的重要熱工系統(tǒng)。主給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)可分為兩類;即定速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)和調(diào)速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2.1定速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)

定速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)是保持給水泵特性曲線不變的條件下，通過改變主給水自動調(diào)節(jié)門開度從而改變主給水管道阻力特性曲線，來改變給水泵工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)方式。這一調(diào)節(jié)方式節(jié)流損失大，給水泵單耗高，已是不爭的事實，屬于應(yīng)該“加快淘汰的高能耗工藝”之列。

2.2變速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)

變速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在給水管道阻力特性曲線不變（主給水調(diào)節(jié)門全開）的條件下，通過改變給水泵轉(zhuǎn)速來改變給水泵特性曲線，實現(xiàn)調(diào)節(jié)給水流量，控制鍋爐汽包水位的目的。

變速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，就其原動機(jī)來分，可分為小汽輪機(jī)和電動機(jī)兩種方式。汽動給水泵由小汽輪機(jī)驅(qū)動，小汽輪機(jī)接受給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量、壓力和水位信號，并通過小汽輪機(jī)進(jìn)汽量，調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速；電動給水泵又分液力耦合器調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)兩種。液力偶合器調(diào)節(jié)是以油做工質(zhì)，由原動機(jī)驅(qū)動泵輪（主動輪）將機(jī)械功率傳遞給工質(zhì)油，帶動渦輪（從動輪）旋轉(zhuǎn)，液力耦合器接受給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量、汽壓、水位信號，通過勺管控制機(jī)構(gòu)改變液力耦合器充油量來調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速；變頻器則是通過改變異步電動機(jī)定子的供電電源頻率ｆ及電壓ｖ使同步轉(zhuǎn)速變化，從而改變異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速，變頻器接受給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量、汽壓、水位信號，通過改變電源頻率和電壓調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.3不同調(diào)速方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

小汽輪機(jī)調(diào)節(jié)、液力耦合器調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)都能實現(xiàn)給水泵的調(diào)節(jié)功能，達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。但其初投資、維護(hù)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用各不相同。

2.3.1投資經(jīng)濟(jì)比較

（1）汽動給水泵投資構(gòu)成主要是給水泵、小汽輪機(jī)、抽汽管道、調(diào)節(jié)管道系統(tǒng)，前置泵減速機(jī)構(gòu)， 小汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)、疏水放汽系統(tǒng)、小汽輪機(jī)排汽管道等，以及由于小汽輪機(jī)占地面積和空間等因素影響到主廠房空間增加較多等，初投資也較大。

（2）液力耦合器調(diào)速給水泵投資構(gòu)成主要是給水泵、電動機(jī)、液力耦合器、開關(guān)柜、電纜等。

（3）變頻器調(diào)速給水泵投資構(gòu)成主要是給水泵、電動機(jī)、變頻器、開關(guān)柜、電纜。由于變頻軟啟動，則廠用變壓器啟動容量可不考慮給水泵啟動沖擊電流問題，變壓器容量可相應(yīng)減少，這也可以減少相應(yīng)初投資。

2.3.2維修經(jīng)濟(jì)比較

（1）汽動給水泵年維修費(fèi)用高出液力耦合器年維修費(fèi)用3倍。主要有給水泵小汽輪機(jī)，前置泵減速機(jī)構(gòu)，潤滑油系統(tǒng)、小汽輪機(jī)疏水放汽系統(tǒng)、小汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)與主汽輪機(jī)相比，麻雀雖小五臟具全，與電動給水泵相比無疑大大增加了維修工作量，備品配件及消耗材料的數(shù)量小汽輪機(jī)除需定期小修維護(hù)外，還需定期（4年）大修揭蓋檢查通流部分等。

（2）液力耦合器年維修費(fèi)用是小汽輪機(jī)年維修費(fèi)用的四分之一。液力耦合器調(diào)速給水泵的維修量除給水泵外，主要是液力耦合器的油系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)與小汽輪機(jī)比較維修量較小，其維修費(fèi)用只占小汽輪機(jī)維修費(fèi)的四分之一。

（3）變頻器年維修費(fèi)用最小。變頻器是高科技電力電子產(chǎn)品，設(shè)計壽命為15年，設(shè)計安裝位置得當(dāng)（無粉塵）一般無需維修，年維修費(fèi)用可以忽略不計。

2.3.3運(yùn)行經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道汽動給水泵配置方式與電動給水泵液力耦合器配置方式相比在運(yùn)行上并不經(jīng)濟(jì)；同等條件下液力耦合器調(diào)速電動給水泵比變頻調(diào)速電動給水泵多耗電15%。

綜上所述,汽動給水泵初投資高,系統(tǒng)復(fù)雜,所占平面與空間均較大,維護(hù)費(fèi)用高;液力耦合器調(diào)速給水泵初投資較高,系統(tǒng)較復(fù)雜,維護(hù)費(fèi)用較高,節(jié)電率較差；變頻調(diào)速給水泵,初投資較低,系統(tǒng)簡單,維護(hù)費(fèi)用低,節(jié)電率較高。故300ｍｗ汽輪機(jī)組調(diào)速給水泵配置順序應(yīng)以:

（1）變頻調(diào)速給水泵；
（2）液力耦合器調(diào)速給水泵；
（3）小汽輪機(jī)調(diào)速給水泵為宜。

3、300mw汽輪機(jī)組給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

300mw汽輪機(jī)組給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。給水系統(tǒng)流程為，除氧氣、前置泵、鍋爐給水泵或電動給水泵、高壓加熱器、主給水調(diào)節(jié)門及其旁路門、省煤器入口聯(lián)箱、省煤器出口聯(lián)箱、鍋爐汽包。 4、300mw汽輪機(jī)組給水泵變頻調(diào)速方案液力耦合器調(diào)速需要每臺泵裝一臺液力耦合器，變頻調(diào)速則不然，無論是配備兩臺100%額定容量給水泵，還是配備三臺50%額定容量給水泵，只要配備一臺變頻器就可以方便地實現(xiàn)軟啟動和變頻調(diào)速，這是液力耦合器無法做到的。

4.1一拖三循環(huán)軟啟動變頻調(diào)速方案

300ｍｗ汽輪機(jī)組往往配備三臺50%額定容量的給水泵,兩臺運(yùn)行一臺備用。所謂一拖三循環(huán)軟啟動變頻調(diào)速方式就是利用一臺變頻器通過切換分別實現(xiàn)三臺給水泵的軟啟動和變頻調(diào)速,如圖2所示。這一方案的特點(diǎn)是一臺變頻器通過切換可以分別實現(xiàn)三臺泵中任意一臺泵的軟啟動和變頻調(diào)速運(yùn)行,提高了變頻器的利用率。既實現(xiàn)了給水泵的軟啟動,又實現(xiàn)了給水泵的變頻調(diào)速。這一方案的運(yùn)行方式是鍋爐機(jī)組滑啟和50%額定負(fù)荷以下時，一臺給水泵變頻調(diào)速運(yùn)行；50%額定負(fù)荷到100%額定負(fù)荷時,為兩臺給水泵一工一變運(yùn)行（即一臺工頻運(yùn)行，一臺變頻運(yùn)行）,工頻泵帶固定流量其揚(yáng)程由鍋爐機(jī)組運(yùn)行參數(shù)（汽包壓力加汽包水位到給水泵水柱高加管道阻力之和）決定。變頻泵調(diào)節(jié)給水流量,保持鍋爐水位。

4.2工、變頻同步切換是循環(huán)軟啟動的關(guān)鍵

利用一臺變頻器實現(xiàn)循環(huán)軟啟動變頻調(diào)速的關(guān)鍵是工頻與變頻同步切換技術(shù)。這是因為鍋爐機(jī)組運(yùn)行中一刻都不能間斷供水。有鑒于此，變頻調(diào)速運(yùn)行中的給水泵切換到工頻運(yùn)行，不能瞬間斷電，即不能先斷開變頻開關(guān)，再合上工頻開關(guān)，只能是在變頻調(diào)速運(yùn)行中的（#1）給水泵與#1給水泵工頻電源開關(guān)進(jìn)行同步并列，合#1給水泵工頻電源開關(guān)后，再斷開#1泵變頻開關(guān)。實現(xiàn)給水泵從變頻運(yùn)行到工頻運(yùn)行的同步平穩(wěn)過渡和切換。

實現(xiàn)同步切換的關(guān)鍵是同步切換軟件系統(tǒng)和plc控制系統(tǒng)。同步切換軟件系統(tǒng)的主要功能是通過運(yùn)行中的變頻調(diào)速系統(tǒng)與工頻電網(wǎng)進(jìn)行自動準(zhǔn)同期調(diào)整,做到相序一致（這是接線時已經(jīng)確定了的）,電壓相等（同步切換軟件系統(tǒng)完成）,頻率差小于0.5hz,直至相位誤差小于設(shè)定值（同步切換軟件系統(tǒng)完成）,plc發(fā)出指令,工頻電源開關(guān)同步合閘。經(jīng)檢定同步合閘正常后,斷開變頻開關(guān)。

4.3一定一變并列運(yùn)行原理

兩臺定速泵并列運(yùn)行和兩臺變速泵并列運(yùn)行人們是熟悉的。一定一變并列運(yùn)行只要保持揚(yáng)程相同也是可行的。300ｍｗ機(jī)組主給水泵的調(diào)節(jié)功能（手動和自動）是在汽包壓力一定、主給水調(diào)節(jié)門全開的條件下，通過改變給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)給水流量，保持鍋爐汽包水位。鍋爐啟動過程中和50%額定負(fù)荷以下一臺泵（1號）變頻運(yùn)行；鍋爐負(fù)荷超過50%額定負(fù)荷時，一臺泵（1號）的流量滿足不了需要，需要啟動另一臺泵（2號）并列運(yùn)行，此時將運(yùn)行中的變頻泵（1號）切換到工頻定速運(yùn)行。帶固定流量其揚(yáng)程由汽包壓力加汽包水位到給水泵水柱高加管道阻力之和決定，用變頻器軟啟動另一臺（2號）泵變頻調(diào)速運(yùn)行，根據(jù)需要調(diào)節(jié)流量，保持鍋爐水位。工頻定速泵（1號）對應(yīng)最佳工作點(diǎn)帶固定流量，變頻調(diào)速泵（2號）對應(yīng)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)流量。工頻定速泵特性曲線與運(yùn)行揚(yáng)程的交點(diǎn)即是工頻定速泵的工作點(diǎn)，其對應(yīng)流量即為工頻定速泵的流量。對應(yīng)變頻調(diào)速泵特性曲線與運(yùn)行揚(yáng)程的交點(diǎn)為變頻泵的工作點(diǎn)，其對應(yīng)的流量即為變速泵的流量。工頻定速泵與變頻調(diào)速泵流量之和即為總流量。

4.4一拖三循環(huán)軟啟動變頻調(diào)速給水泵特點(diǎn)

應(yīng)用變頻器實現(xiàn)電動給水泵循環(huán)軟啟動和調(diào)速運(yùn)行是主給水系統(tǒng)電動給水泵啟動和調(diào)節(jié)方式的一場變革。這一方式從根本上解決了液力耦合器調(diào)速的所有弊端。其主要特征是：

（1）實現(xiàn)了給水泵的軟啟動，減少定壓下啟動的沖擊電流，縮短了啟動時間，減少了啟動過程中的鐵損、銅損和對主絕緣的損傷。

（2）實現(xiàn)了給水泵的無級調(diào)速,調(diào)速精度高（0.01hz）解決了液力耦合器丟轉(zhuǎn)問題。

（3）高效率（變頻器效率可達(dá)到98%）、高功率因數(shù)（變頻器工率因數(shù)可達(dá)到0.98）、高節(jié)電率（節(jié)電率在相同條件下高于液力耦合器15%以上）。

（4）具有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及通訊接口，可以方便地實現(xiàn)dcs的啟動、停止、聯(lián)鎖、閉鎖、開環(huán)、閉環(huán)、手動、自動控制。
（5）保護(hù)功能齊全，具有過流、輸出電壓異常、過載、電機(jī)過熱、冷卻風(fēng)機(jī)異常等、停電檢測、接地檢測等功能。
（6）維護(hù)量小、故障率低、使用壽命長，一般可以達(dá)到80000h無故障。

（7）年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液力耦合器。

5、二拖三軟啟動變頻調(diào)速給水泵方案也是可行的

一拖三軟啟動變頻調(diào)速給水泵理論上是可行的，但尚無運(yùn)行實踐，人們不免擔(dān)心，萬一變頻器故障怎么辦，其實這很簡單，增加一臺變頻器問題就解決了。

這一方案在鍋爐機(jī)組啟動時可以用#2（#3）給水泵變頻啟動帶負(fù)荷至50%額定容量時，啟動#1給水泵，運(yùn)行正常后可將#2（#3）給水泵切換到工頻運(yùn)行，以#1給水泵變頻調(diào)速運(yùn)行，保持鍋爐水位。#3（或#2）變頻給水泵做備用。
這一方案盡管增加了一臺變頻器，其初投資也不高于汽動給水泵，其綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較是可取的。

6、結(jié)束語

變頻調(diào)速是當(dāng)代最先進(jìn)、最可靠、最高效的調(diào)速技術(shù)。低壓變頻器在火電廠已得到了廣泛應(yīng)用，在實現(xiàn)自動控制和節(jié)能降耗上收到了良好效果，已被社會所公認(rèn)。高壓變頻器在火電廠的送、引風(fēng)機(jī)、排粉機(jī)、灰渣泵、循環(huán)水泵、汽機(jī)凝結(jié)水泵、母管制給水泵等技術(shù)改造、新建、擴(kuò)建機(jī)組中，已經(jīng)和正在廣泛得到應(yīng)用。高壓變頻器在電廠的應(yīng)用，已經(jīng)和正在得到人們的普遍重視。

節(jié)能降耗是基本國策，也是長遠(yuǎn)方針，對待節(jié)能降耗要像對待環(huán)保那樣應(yīng)從根本上加以重視。主給水泵是必須進(jìn)行調(diào)節(jié)的主要輔機(jī)，也是火電廠單機(jī)耗電量最大的輔機(jī)，應(yīng)用變頻器進(jìn)行一拖三循環(huán)軟啟動變頻調(diào)速或二拖三變頻調(diào)速運(yùn)行是主給水泵調(diào)速的最佳選擇。

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