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凝结水泵变频改造
近年来随着电力行业竞争愈演愈烈,电力生产节能降耗也成为各个电厂重点关注的问题。
在保证完成发电量任务的前提下,降低厂用电率,减少厂用设备单耗成为重中之重。
而在没有加装变频器时,凝结水泵(简称凝泵)电耗不会随负荷的改变而发生改变,始终在额定状态下工作。
针对该问题,对国华台山发电厂在用的一期工程2×600MW的凝结水系统进行了升级改造。
国华台山发电厂凝结水系统采用了两台凝泵的配置,一台用于工作,一台处于备用状态,单台凝泵即可满足机组满负荷出力。
但由于凝结水系统中除氧器水位调整阀截流损失严重,同时低负荷下凝结水泵用电消耗较大,导致系统经济性较差,机组厂用电率高。
针对耗能大和经济性差的问题,台山发电厂开展凝泵变频调节的方法,选用一拖二的手动进行工频转变到变频切换的改造方案,在负荷变化的同时,系统根据流量改变凝泵的电机转速。
改造内容主要包括凝泵的变频、凝结水的操作员画面及凝泵的变频逻辑改造等等。
改造后,凝结水泵的出力仅是满负荷时的三分之一,凝结水泵的单耗总体上降低了60%以上,单台机组厂用电率降低了0.5%左右。
另外,变频调节使低转速下凝泵电机轴承温度、泵体轴承温度、电机线圈温度下降很多,从而延长了电机的使用寿命,为设备长时间安全稳定运行奠定了基础。
关键词:
凝结水系统,变频调节,节能
Abstract
Inrecentyears,alongwiththeelectricpowerindustrycompetitionintensified,powerproductionfocusonsavingenergyandreducingconsumptionhasbecomethefactoryTheproblem.
Onthepremiseofguaranteepowergenerationtask,decreasetherateofauxiliarypower,reducespecificauxiliaryequipment,becomeatoppriority.Aimingatthisproblem,thefirstphaseofguohuataishanpowerplant2x600MWofthecondensatesystemisreformed.Guohuataishanpowerplant,thecondensatesystemadoptedtwocondensatepumpconfiguration,arun,abackup,asinglepumpcanmeetthefulloutputunit.
Butduetothecondensatesystemofdeaeratorwaterleveladjustmentvalveclosurelossserious,electricityconsumptionofthecondensatepumpunderlowloadatthesametime,thepooreconomysystem,auxiliarypowerunitrateishigh.Aimingattheproblemofenergyconsumptionandeconomicalefficiencyof,Iintaishanpowerplantdecidedtoadoptthemethodofcondensatepumpfrequencyconversionadjustmentdesign,selectionofyituosecond-handconstruction/frequencyswitchingretrofitscheme,atthesametimeofloadchange,systemaccordingtotheflowratechangeofcondensationwaterpumpmotorspeed.Thismodifiedunderlowload,theoutputofthecondensatepumpisonlyfullwhenathirdofthepowerconsumptionalsodeclinedsignificantly.Andwhennoequippedwithfrequencyconverter,powerconsumptionofthecondensatepumpchangesoverload,alwaysrunningunderthebearingtemperature,coiltemperaturedropalot,whichlaidafoundationforthesafeandstableoperationofequipmentforalongtime.Keywords:
thecondensatesystem,frequencyconversionadjustment,energysaving.第一章绪论
1.1课题的背景和意义
电是人们日常生活中不可缺少的一种能源,随着科学的进步和社会发展,人类对电的需求在日益不断的增加,经常会有供电量不足的情况发生。
为了缓解我国部门地区电量不足的情况,我国开展了西电东送的大工程,是继我国南水北调之后的又一项能源转移大工程。
由于发电燃料的分布不均,在西部一些不发达城市,充足的燃料使得电厂如同雨后春笋一般,一个个拔地而起。
由于电网建设缓慢,网络覆盖面窄,电网输电有限,导致这些电厂均面临电能输送的问题。
电力企业在今年的工作中要落实重点,把降低发电成本、减少能源损耗放在首位。
当前,各个发电企公司已经利用开展节能管理工作的细化、节能改造的推进、设备工作的优化,进行降低耗能的持续前进。
电力企业要如何充份做到这一点,如何做好减排工作,已经是各企业面临的重头戏,首先火电机组优化节能、各大集团的规模扩容,其次国家调整能源战略部署,深化能源结构,面对如此巨大的竞争压力,各个集团公司旗下的火力发电在争取最大负荷率的同时,想尽一切办法降低发电成本。
在火力发电厂热力系统中,凝结水系统是一个十分重要的环节,它关系到热力系统供水的持续性,它的安全持续性关系到机组的安全稳定运行。
凝结水系统的主要设备是由凝结水泵组成,其保证除氧器水位在规定范围内,进而保证了给水泵不间断的把除氧器内的水打至锅炉。
而从当前的实际情况来看,发电厂要减少能源的损耗就要从凝结水系统节能做起,这也是一个重要的判断标准之一。
国华台电的一期工程于2003年3月开始建设,是2×600MW的国产亚临界燃煤机组,同时,该机组在2005年12月正式开始投入发电使用。
该机组自生产运行以来,一直顶着巨大的竞争压力,想尽一切办法,提高生产效益,但其凝结水系统存在以下不足:
(1)凝泵电机每次需要维护的费用高,且周期短,所需的电耗高。
(2)除氧器液位调节门开启不到位,有明显的截流损失。
(3)由于水泵一直在高效率区域运行,但是这个区域偏离设计区域,因此机组的经济运行受到了影响。
上述凝结系统具有的众多不足之处限制了其作用的发挥,因此,为了更好的促进该系统的工作效率的提高,就需要对其展开相应的改造和完善。
1.2变频技术的发展现状
当前,在工业现场中的众多领域,各式各样的高压变频调速产品获得了广泛的使用。
其中国外厂家主要有西门子、ABB、ROCKWELL、ROBICON等公司;当前国内也有着许多企业参与高压变频调速产品的研究工作,比如冶金自动化院、利德华福、成都佳灵等等。
在变换的形式方面,高压变频调速的系统主要以“高-高”为主,结构多是单元串联的多平拓扑结构,由多个功率模块组进行串联而成,通过各个摩扩低压累加来产生所需求的高压进行输出。
这一种变换方式本身就具有很多的优点,其优点主要都表现在谐波控制方面,分别表现在以下这些方面:
首先这一变换方式的输入功率因数相对较高,特别是符合了IEEE519-1992的谐波抑制标准,输入电压谐波畸变、输入电流谐波畸变值都比较小,其中电网输入电压谐波畸变率小于2%,输入电流谐波畸变值小于4%,正是因为有了这些优势,因此就不需要采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置了,而且也不存在由于谐波而引起的电机附加发热和噪音、转矩脉动、输出dv/dt、共模电压等方面的问题,能够使用异步电机,而且不需要另外使用输出滤波器。
其次,这一种变换方式能够降低输入谐波电流。
通过输入变压器的一组副边给功率单元供电,变压器二次绕组、每个功率单元之间是相互绝缘的,并且二次绕组采用的延边三角形接法,能够实现多重化从而降低了输入谐波的电流。
对于次变频技术的方案主要有两种,分别是多电平电压型逆变器、电流型逆反变器。
电流型逆变器的高压变频调速具有一系列的优点,如四象限运行、功率器件少等方面的优势, 但是不可否认的是这一方案也存在着诸多的缺点,比如说功率因数相对较低,而且在工作中对电网也会产生很大的污染,甚至有可能出现没办法通用等问题,虽然说有两种方案可以选择,但是基于电流型逆变器的特点,因此这一方案的应用相对较少。
相反的,多电平电压型逆变器不仅具有电流型逆变器的优势,同时其还具有模块化结构、不用滤波器就可运行等特点,而且更为重要的是在正常的运行之中产生的输入谐波含量相对较少,输入功率因数又高,可以说无论从哪一方面来说都具有很大的优势,基于这几点,本文主要应用了IGBT的单元串联多电平电压型逆变器,ROBICON的PerfectHarmony系列变频器进行改造。
1.3论文的目标
本课题来源台山发电有限公司,目标是利用变频技术对凝结水系统凝泵电机变频进行改造,来实现凝结水泵在用电方面的节能降耗。
主要研究内容包括:
(1)对待改造的凝结水泵系统通过可行性分析和系统原理分析,提出改造方案。
(2)实施凝结水泵改造方案后,凝结水泵经常处于低负荷状态,并且启动电流小,并且是能够实现在最佳运转速度运转,达到高效调速泵的目标。
(3)设备的安装和调试。
因此,对台山发电厂一期600MW火电机组凝结水泵进行改造为主要研究内容,通过可行性研究,
首先进行了系统的分析与设计,然后到设备的安装、调试运行,最后达到预期的节能效果。
1.4论文的组织
第一章绪论介绍,面对国家调整能源战略部署,深化能源结构的体制,企业怎样做才能可持续优化节能减排工作。
从而引出了本次对国华台电一期凝结水泵改造课题研究方向和研究内容,以及对国内外凝结水泵变频器技术的发展现状介绍。
第二章介绍了对凝结水泵变频改造分析及总体改造方案的设计,包括变频器的改造原理,和凝结水泵的可行性分析。
第三章凝结水系统改造具体实施,包括变频器的选型布置,除氧器控制系统改动,和逻辑的修改与设计。
第四章介绍了凝结水泵进行变频调试的方案与具体的运行结果。
第五章对本研究的工作展开总结,并指出不足和进一步改进。
第二章凝结水泵变频改造分析及总体改造方案设计
2.1凝结水系统分析
国华台山发电厂亚临界燃煤机组2×600MW一期工程中,两台机组各配置两台凝结水泵。
在机组进行正常运行的时候,采取的是一台机组运行而另外一台机组备用的模式。
凝结水系统工作流程如图2-1所示。
图2-1凝结水系统流程图
Figure .2-1condensation watersystem flowchart
不可否认的是在火力发电厂整个汽水流程中,凝结水系统是不可缺少的一个系统、环节。
在凝结水系统中,首先把汽轮机排气排到凝汽器热井中,进一步凝结成水,接下来这些凝结水再通过水泵将其注入到低压加热器里面,然后再送至除氧器里面,从而来维持维护除氧器处于正常水位,确保锅炉不会出现断水情况的发生。
而在整个凝结水系统中,主要有两个阀门,其分别是凝结水再循环门、除氧器上水调整门,其中,凝结水再循环门发挥着两个重要的作用,一方面是对于凝泵出口处的水流量和压力展开调整,使得锅炉在低负荷运行的时候不需要过多的用水量;另一个作用是保证凝结水热井水位,保证凝泵的入口压力得到满足。
两个阀门间的协作使用,对除氧器进水的水流量随时进行密切的调整。
除氧器的上水调整门在整个凝结水系统里面主要起到如下几个作用:
因为凝结水泵在运行过程中是定速运行的,而由于机组的变负荷运行时,除氧器水位、热井水位的波动的变化很大。
靠除氧器上水位调整门(如图2-1所示)的节流控制,节流量大,在负荷快速降低时,而如果将除氧器上面的水位调整门快速关小的话,就很有可能会引起凝结水泵的出口处的压力发生变高等情况。
过高的压力会造成凝结水系统管道和阀门的损坏、疏水管道泄露和震动等故障。
同时,凝泵长期低负荷运行,阀门的节流损耗很大,在长时间的水流冲刷后,阀门也存在磨损,造成关闭不严等问题。
另外,结构为立式泵的凝结水泵,由于长时间的低负荷憋压运行的原因,就会引起轴向串动变大,从而使轴承的温度变高,长久下去就会影响到油脂的质量,最终导致轴承损坏,这样不但会造成凝结水泵的维护成本的增加,还给机组的平稳工作、运转带来很大的安全隐患。
尽管凝结水的再循环门可以起到减小凝结水泵出口处压力的作用,并且能保证凝汽器热井水位和防止泵汽蚀。
但是这样一来又势必造成凝结水泵出口流量增大,使得泵出力增大,造成了不必要的电能损失,同时又增加了凝结水系统的维护工作。
总之,为了进一步提高凝结水系统的性能,为了进一步确保整个系统的稳定、安全、经济的运行,
因此就必须对其进行改造,使凝结水泵达到根据负荷的变化能够自动变速运行的目标。
2.2变频改造原理
2.2.1变频调速的节能原理
电机类负载设备的工作特性如图2-2所示。
图2-2电机类负载设备的工作特性图
Figure2-2motorclassloadequipmentperformancechart
曲线①代表的是负载(转速为N1)时的工作特性。
曲线②为负载(转速为N2)时的特性曲线,③④为管网的阻力特性曲线。
第一种工况运行时,负载的工作点是A点,此时的流量为Q1、压力为H1。
如果负载依然按N1的速度定速运行,当用挡板将流量调节为Q2时,压力将上升到H3,负载工作点就会移到B点。
此时通过阀门的截流作用,管网阻力特性曲线就会由③变为④。
在A、B两点,设负载功率分别为PA=H1×Q1,PB=H3×Q2,虽然两点的流量Q2[Q1,但是两点的压力相比却是H3]H1,所以,此时实际减小的功率非常有限。
如果不采用阀门挡板调节,这时管网阻力特性保持曲线③不变,改用调节负载速度来减小流量,负载改按速度N2运行,
工作特性曲线为②,负载工作在C点,流量仍然为Q2,但压力却为H2。
把B、C两点进行一下比较,负载减少的轴功率为:
ΔP=PB-PC=(H3–H2)×Q2⑴在流量阻力特性不变的情况下,根据相似定理,流量Q、压力H、轴功率P和转速N之间满足如下的关系(参考文献电机功率相似定律):
Q∝N,H∝N2,P∝N3⑵
所以由公式⑵得:
由公式(3)可知,电机流量是会随着调速的情况发生变化的,因此在不考虑效率的前提下,在流量出现下降的时候,电机轴的功率也会跟着降低,当电机的流量下降50%的时候,电机的轴功率就会降低87.5%。
也正是因为具有这方面的特点,因变频调速可以在这一领域中得到最为广泛、普遍的推广应用。
另外一方面,如果直接启动工频50HZ电网的话,会对电网产生很大的机械冲击,这样一来,就会产生很大的声响。
再者由于水泵类负载平方转短的特性,跟异步电动机在起动机械的时候表现的机械特性曲线呈现部分相似性,因此在正常运行情况下,其对变频的损害是相对较小的,因此从经济的角度上说,这样就可以节省大量的费用。
而如果在调速的时候使用变频的话,50HZ满载的时候电机的功率因数大概为1,而这个时候电机具有的额定电流则会比电机的实际工作电流高很多,
因此从省电方面来说,采用这一种变频装置就可大大的节省其用电量,大约为电网节约容量20%左右,主要是由于变频装置里面具有的内滤波器电容存在着改善功率因数的功能。
2.3变频调速的方法
交流异步电动机的输出转速表达式为:
n=60f(1—S)/p
(1)
在上面的公式中,
n——电动机的输出转速;
f——输入的电源频率;
S——电动机的转差率;
p——电机的极对数。
从公式
(1)可以分析得出,变频调速即是用来调节交流电动机输出的转速的,而其所应用的方式即是利用对输入到交流电机中的电源频率的改变。
工频为50Hz的交流电从电网里面接入电机以后,然后再通过交-直-交的变频方式,从而完成变频调速系统的运行。
这种变频转换方式的是通过以下的具体过程得以实现的:
把电动机的输入交流电转换成频率与幅值均能够实施调节的交流电,然后输出到电动机,从而完成交流电动机的变速运行。
2.4凝结水泵改造的可行性分析
二期工程所采用的凝结水泵的生产厂家是上海水泵制造厂,为双层结构布置,设计流量为1782m3/h, 扬程为300m,转速为1480rpm,保证效率为82%,轴承冷却水为40℃,密封水压力为0.2~0.3Mpa,轴功率为1706kW。
电动机的功率是2200kW,电压是6kV,电流是241.9A,转速是1496rpm。
凝结水泵改造实施以前,其工频下运行功率的计算公式如下所示:
其中公式⑴中:
—电机电压(kV)
—电机电流,(A)
—单一负荷下运行功率因数。
凝结水泵进行改造前的总耗电量为:
⑵式中:
—全年平均运行时间()—单一负荷下的运行功率()
—改造前总耗电量()。
凝结水泵进行改造前其在工频下运行的功率为:
功率因数取值为0.86,因为电机的工作点不是额定工作点,并且现场没有就地功率补偿装置。
凝泵改造后,由变频现场运行凝泵运行流量可知:
其中为额定流量;
为工频运行下的流量。
根据凝泵工艺保证流量的控制要求,改造前后流量不变原则,有=,其中为改造后的流量。
所以变频改造后泵平均功率为:
其中,变频装置的效率选取保守值为0.96。
通过以上计算可得表2-2,凝结水泵在满负荷状态下节电率大概在13.7%。
可见即使在机组满负荷状态下还是存在一定的节能空间,因此如果机组在较低负荷下运行时节能空间将更加明显。
主要节能空间来自凝泵出口阀和主副调节阀开度过小,造成节流损耗过大,管网压力过大。
变频改造后阀门完全打开后在满足我们机组运行流量需求的条件下明显减少了管网的压力,对机组的安全运行带来很大的好处。
改造前改造后
电机电压6kV0~6kV
平均功率1649kW1422kW
节电率13.7%
负荷600MW
表2-2凝泵改造前后数据统计
2.4.1凝结水泵变频改造的配置预算
结合国华电厂的实际情况,我们知道在其凝结水系统配置中,凝结水泵一共有两台,所以,可以有两种配置的方法进行选择变频器。
第一种方法是,让国华电厂中机组中的每台凝结水泵都能拥有一台变频器;第二种方法,则是让机组的两台凝结水泵就只是合用一台变频器就可以了,然后在具体操作的过程中,可以充分利用自动切换、手动切换等方式实现变频的转换。
两种方法相比于来说,第一种方法的最大优势就在于,可以同时启动两台凝结水泵,而第二种方法则不行。
当然了在选择要应用这两种方法的哪一种方法时,我们要考虑到方方面面的问题,比如说费用的问题,安装两台变频器需要多少投资、运行维护零部件费用等问题。
安装两台变频器的优点是日后的运行操作快捷方便,尤其在电气操作上不容易引起误操作。
安装一台变频器,改造投资较少,运行维护量小,建设期短,但是日后的运行操作比较繁琐。
考虑到费用,投资成本等方面的问题,也考虑到如果同时安装两台变频器的话,那么无论什么情况都会有一台是要空闲下来的,因此很有可能会造成资源的浪费。
因此在本文中我们选择了第二种方案,也就是变频器只安装一台,在运行过程中主要通过电气回路的切换对凝结水泵进行控制。
2.5凝结水泵变频改造过程中需要解决的问题
针对二期工程现有的问题,本文对凝泵的改造思路包括以下几个方面:
(1)首先,采取一套变频装置,明确了两台凝结水泵是不能同时处于同一个状态的,只能是一台处于变频运行,而另外一台则是工频备用。
(2)凝结水泵变频装置相关信号接入DCS控制系统,信号接线的核对与调试。
(3)在原来的逻辑基础上,增加变频器启动、停运逻辑,修改顺控中相应逻辑。
增改两台泵变频运行方式下的联锁、保护逻辑。
(4)凝结水泵DCS操作画面的增设与修改。
2.6变频改造总体方案设计
2.6.1变频改造方案的选择
经过调研,国华电厂可采用的凝结水泵电机变频改造方案制定了一拖一运行、一拖二运行两种方案,这两种方案的原理如图所示。
图2-3一拖一运行方案电气主回路原理图
Figure2-3:
one operationschemeof mainelectrical circuitdiagram图2-4一拖二运行方案电气主回路原理图
Figure2-4:
two operation oneofmainelectrical circuitdiagram
对以上两种方案展开对比,对比情况如下:
(1)投资方面:
总得来说这两种方案所需要的投资偏差并不大,第二个方案的费用要明显多一些,这是因为其中多增加了6KV开关间隔和三个开关等,这些零部件都会增加相关的费用的。
(2)系统安全可靠性:
总得来说,这两套方案的安全性可靠性还是有一定的差别的,首先方案一,最大的特点就是可以方便切换、控制逻辑相对较为简单,总体上说可靠性会相对有保障一点,而相对于方案一来说,方案二最大的特点就是安全性、可靠性各方面都比较低,而且整个控制系统都显得相对比较复杂;但第二个方案的最大特点就是操作方便,而且如果系统有需要的话,可以使泵轮轮换运行。
(3)操作便捷性比较:
在方案一中大部分情况下,都是A泵用来长期使用的,而B泵一般情况下是不用的,因此施工单位要定期对其试验检查,以备不时之需;比如说当发生某些事故时,B泵的工频就可自动切换用以替代A泵,等到A泵恢复正常的运行功能之后,又可自动的进行切换,这样一来就可以在不影响系统的正常运行的情况下,起到节能的作用。
方案二中,在一般情况下,两台凝结水泵是可以进行倒换操作的,也就是说当一台水泵在进行运行的过程中,剩下的那一台就是备用的。
轮换操作过程:
A凝结水泵运行→手动启B凝结水泵工频运行→停止A凝结水泵运行并人工退出A凝结水泵变频器→启动A凝结水泵工频运行→停止B凝结水泵并将变频器投入B凝结水泵→启动B凝结水泵变频运行;事故时,A凝结水凝结水泵跳闸,B凝结水泵工频自动投入,正常运行时不能连锁B凝结水泵变频运行。
对于方案二,应该说是综合了方案一与方案二的所有优势,一方面可以保证整个系统的简单操作,一方面又可以方便设备的倒换。
也正是因为这样的原因,所以此方案获得了最为广泛的推广和应用。
尽管上述两种方案只要将操作规程写好,五防闭锁做好,运行人员按规程操作,从运行的角度而言是没有任何问题的。
但相比之下方案二是略有长处的,如果嫌方案二的操作繁琐,可以按方案一去运行,每半年或一年轮换一次;因此可以说不同的方案都具有不同的优点,比如说你觉得方案一过于
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