【摘要】超超臨界燃煤發電機組具有煤耗低、技術含量高、環保性能好、節約資源的特點，必將是今后我國火電機組的發展方向。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超超臨界機組凝結水泵變頻節能增效情況。結果表明，采用HARSVERT—A多電平型高壓變頻器對凝結水泵進行調速節能改造，具有投資省、見效快等特點，并能取得較好的節能效果。

      1、引言
      大唐烏沙山電廠位于象山縣西周鎮，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廠四臺600MW超超臨界燃煤發電機組，于2006年4月至6日相繼投入商業運行。自投產以來，機組各項運行指標良好。
      2#機組600MW汽輪機配置2臺100%容量的多級離心式凝泵，由定速電動機驅動。運行方式為一臺運行，一臺備用。采用凝結泵定速運行，系統存在以下問題：
      閥門調整節流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統效率低，造成能源的浪費。
      當流量降低閥位開度減小時，調整閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴重，造成能耗增加。
      長期10～40％低閥門開度，加速閥體自身磨損，導致閥門控制特性變差，并造成凝結水附近管道震動較大，對安全生產有極大影響。
      管網壓力過高威脅系統設備密封性能，嚴重時導致閥門泄漏，不能關嚴，凝結泵出口精處理器泄露等情況發生。
      設備使用壽命短、日常維護量大，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速控制技術。利用高壓變頻器對凝結泵電機進行變頻控制，實現除氧器水流量的變負荷調節。這樣，不僅解決了控制閥調節線性度差、純滯延大等難以控制的缺點，而且提高了系統運行的可靠性；更重要的是減小了因調節閥門孔口變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了系統對管路密封性能的破壞，延長了設備使用壽命，維護量減小，改善了系統的經濟性，節約能源，為降低廠用電率提供了良好的途徑。
      國家將能源利用效率列為重中之重，主要目標是到2010年單位GDP的能源消耗減少20％。其中，每1萬元GDP標準煤消耗量應減少到0.98噸；單位GDP的能耗每年必需減至4．4％；單位工業附加值的水資源消耗必需減少30％；主要污染物排放應減少10％。為此，國家制定并實施了《節能中長期專項規劃》，確定了“十一五”期間能耗降低目標。國資委和原國家環保總局就節能減排指標還分別與國內五大發電集團公司簽訂了責任狀，將能源消耗納入企業綜合評價和年度考核，按照“一票否決”制，實施節能目標責任制和問責制。
      大唐烏沙山電廠作為大唐集團的代表性企業，積極響應國家節能減排、建設節約型社會的重要政策，結合我廠節能改造活動，隨著國產高壓變頻技術的日益成熟，而其改造成本的大幅降低使將凝結水泵由工頻運行改為變頻控制的趨勢成為必然。

      凝泵規范，如表1所示：

      2、動力系統方案
      結合我廠實際情況，最終確定我廠凝結水系統變頻改造采用一拖二手動旁路方案。即配備一臺高壓變頻器，通過切換高壓隔離開關把高壓變頻器切換到要運行的凝結水泵上去。高壓變頻器可以拖動A凝結泵電動機實現變頻運行，也可以通過切換拖動B凝結泵電動機實現變頻運行。兩側凝結泵電動機均具備工頻旁路功能，可實現任意一臺電動機的變頻運行，另外一臺處于工頻備用，當高壓變頻器故障時，系統可聯鎖另一臺工頻電機運行。

 
原理示意圖

      基本原理：它是由六個高壓隔離開關QS1～QS6組成（見上圖）。其中QS1和QS4,QS2和QS5有電氣互鎖；QS3和QS2,QS6和QS5安裝機械互鎖裝置。如果兩路電源同時供電，A凝泵工作在變頻狀態，B凝泵工作在工頻狀態時，QS3和QS4、QS5分閘，QS1、QS2和QS6處于合閘狀態；B凝泵工作在變頻狀態，A凝泵工作在工頻狀態時，QS1和QS2、QS6分閘，QS3、QS4和QS5處于合閘狀態；如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于合閘狀態，其它隔離開關都分閘，兩臺負載可以同時工頻運行；當一路電源檢修時，可以通過分合隔離開關使任一電機變頻運行。
      當A凝結泵變頻運行故障跳閘時，系統聯鎖起動B凝結泵QF2開關工頻運行。當B凝結泵變頻運行故障跳閘時，系統聯鎖起動A凝結泵QF1開關工頻運行。

      3、控制系統方案
      3.1改造原則
      凝結水泵變頻改造要在保證除氧器水位調節品質不變，并可以在工作泵跳閘、低水壓等特殊工況發生時保證機組正常運行前提下進行變頻改造。改造利用現有的設備與系統，原來兩個水位調節門全開以減小節流損失，當高壓變頻器跳閘后，備用凝結水泵以工頻方式立即啟動，將凝結水打至出口母管，以保證在變頻器跳閘時除氧器水位的穩定。兩個調整門的開度由當前實際負荷計算得出，而且在10秒鐘時間內迅速關到指定位置，最低程度減小系統擾動，維持除氧器水位在正常范圍內，保證機組運行。
      3.2實際改造實施情況
      變頻器的啟停通過閉合、斷開變頻方式下的凝結水泵的6kV開關來自動完成，也就是說運行人員在凝泵操作面板上按下凝泵操作面板的“啟動”和“停止”按鈕即可完成6kV開關的閉合、斷開及變頻器的啟停控制。由于是一臺變頻器控制兩臺凝泵，所以同時只能有一臺泵在變頻方式下，另一臺泵在工頻方式，在邏輯中設計了凝泵的變頻運行方式和工頻運行方式，同時在原系統中分別增加了一套保護和一套聯鎖，即變頻器重故障凝結水泵跳閘保護，變頻器重故障備用泵聯鎖啟動。
      正常運行時一臺凝結水泵變頻運行，另外一臺凝結水泵工頻備用，運行人員可根據實際情況控制除氧器水位調節門開度，變頻運行且投入自動，變頻器通過輸出頻率的改變來調整凝結水泵的轉速，從而通過控制凝結水泵到除氧器的上水量，保證除氧器水位穩定在運行人員的設定值范圍內。當水位發生波動時，通過DCS組態中以凝結水流量、省煤器出口流量、除氧器水位三個參數構成的串級回路，輸出轉速指令至變頻器，調整凝結水泵的上水量，以穩定除氧器水位。
      當就地設備發生故障，例如變頻器發“重故障報警”或者凝結水泵突然跳閘等故障發生時，當前凝結水泵的高壓合閘開關斷開，并閉合另外一臺工頻備用凝結水泵高壓合閘開關，備用泵工頻啟動。變頻器自動切換到“手動”方式，兩個調節門自動切換到“自動”方式，當工頻泵啟動的瞬間，除氧器上水調整門開度仍然在較大開度，凝結水上水量會因此猛增，為防止除氧器水位超過規定值，兩個調節門必須在最短的時間內關到合適的位置，所以邏輯設計了一旦變頻器由于故障原因由自動切手動，調門在10秒鐘時間內強制關到當前負荷要求的開度且投入到“自動”方式運行。這個開度也是工頻正常運行時調整門的理想開度值。當調整門關到負荷計算值位置并且穩定后，從而完成整個凝結水變頻故障的無擾切換。

      4、冷卻系統方案
      由于變頻器本體在運行過程中有一定的熱量散失，為保證變頻器具有良好的運行環境，需要為變頻器配備獨立的冷卻系統。根據現場的實際情況，綜合冷卻系統的投資和運營成本、設備維護量、無故障運行時間，針對實際安裝位置、發熱總量、運營成本、施工費用等因素，此次變頻改造采用了強制密閉式冷卻方案。
      為保障變頻設備處于安全運行，避免環境溫度和粉塵對設備的不利影響，在變頻器功率柜側獨立增加密閉式強制冷卻系統。該系統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℃運行環境，大幅度延長濾網更換周期減少現場維護量。不需要為變頻器再獨立建筑房屋，變壓器柜采用開放式冷卻。強制冷卻裝置與變頻器功率柜一體化設計，附著于功率柜頂部。制冷壓縮機組安裝于變頻器柜附近。
      強制密閉式冷卻系統如下圖所示：

      通過實際運行，強制密閉冷卻裝置能夠滿足高壓變頻器運行過程中的散熱需要，設備安裝簡便、快捷，熱交換效率高。

      5、節能效果分析
      凝結水系統改造前、后在不同工況下凝結水泵及電機的實際運行參數如下：

      以#2機組09年7月平均發電情況來測算: 機組月運行小時數為720小時,發電量為3.6億千瓦時,平均負荷為500MW, 負荷率為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月份節電率為：

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

= 55.2%

      按上網電價0.43元/kW•h, 每小時節約合人民幣為：

￥′=789.8 kW×0.43元/kW•h=339.6元/h

      7月份每臺機組節約電費為：

￥=339.6元/h×720 h=24.45萬元

      同理，按年運行時間8000小時計算，全年80%時間負荷為500MW，20%時間負荷為300MW，計算出每臺機組全年節約電費667.75萬元。
根據上表中數據可以看出，機組負荷越小，采用變頻調速后，凝結水泵電機電流的值越小，節能效果越顯著。

      6、結論
      此次，600MW超超臨界機組凝結水系統高壓變頻改造，新增變頻設備安裝布置在凝結水泵就近位置，節省了高壓電纜和土建費用；冷卻系統均采用強制密閉冷卻結構設計，風路循環使用，粉塵小、環境穩定，受外界環境因素影響小，大大減低維修維護人員的工作強度。凝結水系統投入運行后各項測試性能指標良好：兩個調整門截流噪音及震動明顯減小，機組在300MW運行時，凝結水泵電機電流由原來的154A 最低降低到32A左右，節電率最大，可達79%，全年平均節電率為57%，節能效果十分明顯，改造非常成功。