M701F4联合循环机组高压给水泵变频改造可行性分析

M701F4联合循环机组高压给水泵变频改造可行性分析
发表时间：2018-05-31T10:34:59.717Z 来源：《电力设备》2018年第1期作者：薛涛[导读] 摘要：文章针对M701F4联合循环机组具有高效、节能的优势，分析大功率辅机如何更有效节能优化的方案，提出了改造可行性研究分析。

（华能重庆两江燃机发电有限责任公司重庆 400714）摘要：文章针对M701F4联合循环机组具有高效、节能的优势，分析大功率辅机如何更有效节能优化的方案，提出了改造可行性研究分析。

提出M701F4联合循环机组高压给水泵变频改造。

为此，进行了不同调速方式下给水泵的效率对比；变频调速和液力耦合器调速给水泵的能耗对比，最后得出高压变频技术比液力耦合器在节能方面更具优势的结果。

关键词：M701F4；高压给水泵；高压变频；经济分析；
引言
燃气－蒸汽联合循环电厂具有热效率高、排污指标低、启停速度快的特点，目前已成为重庆电网调峰的优先选择，我厂机组为三菱M701F4型燃气-蒸汽联合循环供热机组，全厂一次规划五台机组，一期建设两台机组；每套机组的配置由一台燃气轮机、一台余热锅炉、一台蒸汽轮机和一台发电机组成单轴联合循环机组。

机侧按燃气轮机、蒸汽轮机、盘车装置、发电机的顺序排列，从发电机端看，机组转向为顺时针方向，功率输出方式为冷端输出。

每台余热锅炉系统应配置各2×100%容量的高、中压给水泵、凝结水加热器再循环泵，保证高、中压汽包水位在正常范围内。

高旁减温水由高压给水泵中间抽头供给，中旁、低旁减温水由凝结水供给。

1给水泵主要技术参数及运行方式给水泵轴功率（设计工况点）2105ｋＷ；给水泵出口压力16.7ＭＰａ；给水泵出口流量375ｔ／ｈ；给水泵转速2885／ｍｉｎ；给水泵电动机容量2420ｋＷ；电动机额定电压６ｋＶ；电动机额定电流210 Ａ；电动机效率８2％；给水泵数量２台给水泵采用1运1备、母管制的运行方式，通过高压给水液力偶合器调整高压给水泵转速及出口压力、锅炉给水调节门调节进入锅炉水量。

2液力偶合调速与高压变频调速效率对比给水泵采用液力耦合器调速，通过勺管调节循环油，改变耦合器内的充油量，从而调节涡轮转速，这样虽然能达到锅炉给水调节的功能但是存在以下问题：调速范围有限，转速不稳定，响应慢，液力耦合器容易卡涩。

变频器具有调速范围宽，响应迅速，可实现真正软启动，减少电动机启动冲击，增加设备使用寿命，故障率低，平时维护工作量少等优点。

可见，对原有液力耦合器调速进行高压变频器调速改造是一种比较理想的选者。

3技术应用原理
高压变频调速系统是由多个功率模块串联而成，通过将多个低压功率模块的输出叠加得到高压输出。

该系统具有：（1）输入波形接近正弦波，对电网谐波污染小，无需考虑谐波抑制。

（2）输入功率因数高，在20%～100%的负载范围内，功率因数≥0.96，无需功率因数补偿装置。

（3）提供正弦波输出波形，不需输出滤波器，对电机应无特殊要求。

4应用方案内容
本次变频应用将DCS通过液力耦合器来控制流量，通过变频改造后为DCS通过控制变频器调节电机转速来调节流量。

考虑到两台高压给水泵，正常运行时“一运一备”变频系统采用一台变频器同时带两台给水泵电机，即“一拖二”的模式，变频器根据DCS指令调节流量。

变频系统设置自动旁路装置，变频器故障时，变频系统给出自动旁路允许信号，由DCS给出自动旁路命令。

5变频器通风散热在正常的运行过程中变频器中的电力电子功率器件会发热，而这些热量都散失在柜体内，由于电力电子功率器件正常工作时的壳体温度不能超过85℃。

温度过高，变频器就会过热保护，自动跳闸。

为了保证高压变频设备处于正常、稳定的工作状态下，柜体内部温度需在65℃以下，变频器室需利用电厂现有中央空调作为冷却媒介。

6控制流程
变频调速系统通过DCS对变频器进行启动、停机、调速等控制，并可在DCS上显示变频器的运行数据和当前状态，实时监控系统运行。

为了保证锅炉给水系统的可靠性，变频器装置具有工频自动旁路装置，当变频器发生故障时，在保证锅炉的供水要求，提高了整个系统的安全稳定性前提下，通过DCS自动联启备用给水泵下运行。

操作方面有远程控制和本地控制两种控制的方式。

调节采用原调节方式进行。

这两种控制方式可提高系统的安全性能。

DCS做好闭环控制，DCS根据机组的负荷情况，按设定程序检测母管压力情况，运算后给变频器一个合适的频率值，从而实现对锅炉给水泵电机转速的自动控制，保证母管压力的稳定。

当母管压力低于设定值时，便将备用的给水泵自动投入运行。

7改造思路
7.1变频技术选定
目前发电厂变频改造主要采用液力偶合器调速和交流变频调速两种方式；后者是被公认为效果很佳的调速方式。

另外，从电厂场地受限制等情况综合考虑，改造采用了高压交流变频调速技术。

7.2运行方式确定
电厂给水泵为一运一备用，母管制运行方式难以更改，因此变频改造主要是通过降低给水泵转速，从而降低给水母管压力（但稍大于进入锅炉给水压力），达到节能的目的。

改造后仍采用锅炉给水门调整进入锅炉的给水量，这样虽不能最大程度地挖掘节能潜力，但从改造工作量和投资情况综合考虑，是一种比较务实的改造方案。

7.3设备选型及改造投资
因给水泵一般采用工频备用方式，同时受改造投资额的限制，本次改造仅增加一台交流变频器，设置2个刀闸手动旁路，通过刀闸切换，达到1台给水泵均可投入变频运行的目的。

8节能效果计算分析
根裾某厂机组平均发电量、负荷率、运行小时数、转速比、给水泵电动机电流，进行节能效果的计算。

机组不同负荷工况下主要运行
参数如表1所示。

（1）改造前工频功率计算公式：其中，U为电机电压；I为电机电流；P1为单一负荷下工频运行功率；
cosΦ为单一负荷下运行功率因数，小于额定功率因数；η为电机效率，一般为0.95。

改造前功率由公式计算得：10万负荷下变频改造前：2303kW；12万负荷下变频改造前：2464kW；13万负荷下变频改造前：2544kW；15万负荷下变频改造前：2846kW。

（2）改造后功率计算公式：其中：P2为改造后单一负荷下的变频运行功率；Q为单一负荷的运行流量；H为单一负荷的压力；η2为水泵效率，改造后取效率最高值，一般为0.76～0.86，此处取0.86；η3为变频装置效率，一般为0.90～0.97，此处取0.95；η1为液耦装置效率，一般为0.97；ρ为流体密度（最低母管压力限制取值为14.71MPa）。

变频改造后，10万负荷下：1814kW；12万负荷下：1869kW；13万负荷下：2107kW；15万负荷下：2369kW。

（3）改造前后的节电率如下。

10万负荷下：21.2%；12万负荷下：24.1%；13万负荷下：17.1%；15万负荷下：16.7%；加装变频系统后，节电效果明显，电机噪声明显减小，实现了电机软启动。

同时，在故障跳闸情况下，备用泵能够快速启动，保证所带负荷可靠运行，能保证机组安全运行。

9给水泵变频改造中的其他问题
改造后，给水泵保持1运1备、母管制运行方式。

若备用泵采用变频方式备用，从联动至到达设定出力，无法满足安全性的要求；另外，从节约投资方面考虑，决定备用泵采用工频备用方式，不经过交流变频，变频器设置2个隔离开关旁路，通过隔离开关切换，达到1台给水泵均能投入变频运行的目的，但切换的操作比较繁琐。

给水泵的变频改造除了可以直接实现节能效益外，还有其他好处，主要包括：提高了功率因数，大大降低了对系统无功需求；实现了电动机软启动，消除启动时电流过大的问题，减少了启动力矩突变对电动机电气和机械的损伤，延长了电动机的使用寿命；减少了对轴承的摩擦，降低了轴承的振动；减少了工质对阀门和管道的冲刷，减少了维护工作量。

结语
给水泵变频改造投资小，效益明显，而且采用高压变频技术，运行稳定，避免了机械故障等的发生，能够消除高压调阀的节流损失，应该是一种可取的节能方式。

但在具体参数上设置上需要考虑高压给水泵出口压力低限对调整变频限制，结合实际情况及燃机辅助系统，不断摸索，以防不安全事件发生。

参考文献：
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[3]徐甫荣.发电厂锅炉给水泵变频改造方案分析（上）[J].变频器世界，2014（5）：71-73.。