高中压给水系统变频改造节能优化改造

广东惠州天然气发电有限公司的研究人员李俊、龙涛，在2015年第5期《电气技术》杂志上撰文，我厂使用的高中压给水泵是采用高中压合泵、卧式、定速运行，设置中压抽头，在两班制调峰运行情况下，高中压给水系统压力完全靠调节阀进行减压来满足安全运行要求，不仅带来巨大节流损失，对机组也带来安全隐患。为扭转此不利形势，通过大量调研、分析，我们决定采用高中压分泵，并变频调节的方式来实现节能改造。给水系统改造后在实际运行过程中出现了一些问题，在解决问题的过程中我们积累了许多宝贵的经验，可给类似项目提供参考。1 给水系统概况和存在问题1.1 系统概况广东惠州天然气发电有限公司一期发电项目现有三台3×390MW三菱M701F燃气蒸汽联合循环机组，其中余热锅炉厂家为杭州锅炉厂，余热锅炉型式为卧式、三压、再热、自然循环锅炉。每台机组配备了两台100%容量的高中压电动给水泵，机组正常运行时给水泵一用一备，并且每台泵都具有10%的裕量。给水泵及配套电机参数见下表1所示。表1 高中压电动给水泵组参数表泵体参数电机参数泵型号HGC5/10型号AMA 500L 2ABSH型式卧式、多级、离心泵功率/kW2200泵入口流量/（t/h）368电压/V6000中压抽头流量/(t/h)50电流/A210A扬程/(mH2O)1618接线Y高压出口压力/Mpa15.1厂家德国ABB中压出口压力/Mpa6.06变频否设计介质温度/℃200转速/(r/min)2900泵效率/%80.2-81.3轴功率/kW1875厂家上海KSB1.2 我厂给水系统原设计中存在的不足和问题我厂的高中压给水系统原设计为泵额定转速运行，依靠泵出口调节阀来节能调节给水流量，在机组实际运行中发现这种调节方式带来了多种不足和弊端。1）给水泵出口节流损失严重，不经济项目实施前我厂委托电科院对给水系统进行了实验测试（具体见下表2）以评估本技改项目的节能潜力。试验发现高、中压给水调门压损情况非常严重，尤其在低负荷工况下给水系统存在着较大的节能损失。在满负荷时，高压调阀前后压损达到了2.19Mpa，阀门开度仅为61%；中压调阀前后压损达到了1.29Mpa，阀门开度为85.73%，以上数据表明高压给水系统存在着较大的节流损失，中压系统相比较节能损失小了很多。而在部分负荷条件下，高、中压调阀前后压损要更加严重，在240MW最低稳定负荷工况点时，高压调阀前后压损达到了6.83Mpa，调阀的开度仅有43.47%；中压调阀前后压损达到了2.94MW，调阀的开度仅有66.07%。表2 高、中压给水系统改造前试验数据表机组负荷/MW240300330380高压给水调节阀前压力/MPa15.4114.9614.7414.2高压给水调节阀后压力/Mpa8.589.910.5512.01高压给水调门开度/%43.4748.1551.661高压调阀前后压损/Mpa6.835.064.192.19中压给水调节阀前压力/MPa5.955.775.695.47中压给水调节阀后压力/Mpa3.013.463.714.18中压给水调门开度/%66.0773.4277.5785.73高压调阀前后压损/Mpa2.942.311.981.292）给水系统原设计存在不合理之处，容易造成系统设备损坏，从而影响了整个机组的安全和可靠性。我厂的M701F机组设计为两班制起停机组，机组起停非常频繁，并且在运行过程中变负荷的工况很多。在高中给水泵起动时，由于泵的转速瞬间达到3000r/min，对给水系统的管路、阀门冲击很大，经常出现较大的振动和异响，给水系统存在着极大的安全隐患。同时，在机组起停和低负荷运行时，高、中压给水调节阀前后压差过高，阀门极易损坏，在投产初期我厂多次发生过给水阀门损坏导致机组跳机的事件。2 项目实施和系统优化2.1 项目实施通过调研和分析，我司采用了电机改变频的方案对全厂三台机组的给水泵进行改造，本方案尽管有投资高，占地面积大、后续维护成本高等缺点，但其优点则更加显著，可很好的解决本厂高中压给水系统存在的问题。我厂原设计的高、中压给水泵为合泵带抽头运行，在这种条件下高压给水和中压给水同时采用一个变频调节的实现难度很大，另外中压给水节能潜力相对较小，如果中压、高压在一起变频调节会压缩高压给水的节能空间。因而，我厂最终决定再增设一台中压泵，并分别对高、中压泵的电机进行变频改造，具体措施如下：1）新增加两台一用一备的中压给水泵代替原高­-中压给水泵的中压抽头，中压给水泵选用了水平、多级离心泵。中压给水泵的设计容量满足机组正常运行时和事故状态下的中压给水、再热器减温水和高旁减温水的流量的总和。中压给水泵的再循环回水接至低压汽包，中压进水管从给水泵的进水总管引出，管道的引起位置也充分考虑过两条管道的压损，防止发生高­-中压给水泵出现“抢水”现象，保证中压泵的进口管路的不会出现汽化问题。2）中压给水泵电机的变频改造的方式均为两台泵均变频“一拖一带旁路”，即每台泵电机都加装一台变频器和设置旁路。3）中压给水主调节阀重新选型，匹配中压给水泵变频调节。中压给水系统调节方式为中压给水泵最低转速设定为1800r/min，阀门全开后采用变频器频率调节水位。4）原高­-中压给水泵中压抽头用堵板堵住，单单作为高压给水泵使用，高压过热器减温水调节阀重新选型，匹配高压给水泵变频调节方式。高压给水泵变频改造选用的是北京利德华福电气技术有限公司的HARSVERT高压变频器，泵电机变频改造的方式为：“一拖二加旁路”，即一台机组的两台高压泵电机共用一台高压变频器控制。这种方式可以相对节省投资，两台泵都可变频运行，并可定期切换、互为备用。5）高压给水的主管路利用了原有的给水调节阀，将给水旁路的调节阀管段由原来的50%流量改成100%的电动管段阀旁路。机组起停阶段时采用主管路调节阀进行流量调节，而在机组带负荷后自动切换至给水旁路，此时电动阀旁路全开，通过变频调节泵的转速来控制汽包水位。由于旁路的电动关断阀的压损小，可最大程度的挖掘给水系统的节能潜力。2.2 高中压给水系统优化及其逻辑控制的创新高中压给水系统改造项目在实施工程中，我厂根据以往的运行经验及设备特性，对系统管路本身和逻辑控制等方面进行了优化和创新，也进一步提高了给水系统的安全和稳定性，最大程度的挖掘了系统的节能潜力。1）水泵变频运行过程中存在发生跳泵而切换至工频运行的风险，由于当时给水调阀处于全开状态会导致高压给水流量剧增，极有可能导致高压汽包液位高跳机。为防止此类事件发生，高压给水调门设计了快关功能，保证事故切换泵的情况下汽包的水位保持平稳。2）大程度的释放给水系统的节能潜力，我厂设计了变频器跟踪给水调节阀开度控制方式，基本原则为：在增加给水流量时，优先调节阀门的开度，然后在考虑调节变频器频率；反之在减小给水流量时，优先降低变频器频率，然后在考虑减少阀门的开度。3）压汽包的水位出现较大偏差时，高压变频器立即停止对给水调阀指令的跟踪，直接进行水位跟踪控制，在这种情况下，变频器和给水调阀被控对象一致，动作方向也保持一致，能够尽快的消除汽包的水位偏差，具体如下图1所示。图1 频器快速水位控制调节图

3 给水系统改造后的节能效果和收益为了检查高中压给水系统改造后的实际节能效果，我厂对改造后的高中压给水系统进行了效率测试。测试的结果表明系统改造后节能效果非常明显，机组在低负荷工况下运行时节能效果更加显著，给水泵的流量与效率的特性关系具体见图2所示。我厂先后对全厂全部三台机组进行了改造，改造完成后每年节约厂用电约675万千瓦时，节约电费为360万元，项目改造后两年左右就可以收回投资，收益十分可观。图2 泵流量Q与效率η特性曲线

另外，给水系统改造完成后也彻底解决了改造前出现的起停时对管路、阀门冲击大，调节阀门易损坏等多项问题。给水泵改变频调节后真正实现了软起动，泵出口调节阀前后压差减小运行工况得到改善，阀门的寿命延长及故障率明显降低，极大的提升了整个机组的安全和可靠性，达到了本项目改造的最初目的。4 实际运行中出现的问题和改进给水系统改造后，总体运行情况良好，但也出现了一些问题，绝大部分问题都得到了解决，这些经验值得我们总结和改进。1）系统改造完成后，机组出现过在某特定负荷维持不变时，变频器输出发生摆动，汽包水位波动较大的问题，将变频器控制切换至手动调节后汽包水位才能稳定。针对这个问题，我厂将变频器转速控制和给水调阀开度控制重新匹配和优化，目前变频器输出摆动的问题基本已解决。2）高负荷时，由于中压给水泵出口压力较低，无法满足再热器减温水流量要求。为了解决减温水流量低问题，目前我厂减温水投用时，采用了提高中压给水泵转速，中压给水调节阀调节中压汽包水位的方式，但是这种方式有一定的风险，对运行要求要高，同时也牺牲了一定的节能效果。为了彻底解决这个问题，我厂考虑将再热器减温水管路用原高­-中压给水泵的中压抽头来供，高负荷下满足减温水的流量。3）时电气接线错误导致高压给水泵发生反转造成泵轴和叶轮损坏。我厂对本次事故进行了认真总结和反思，完善了检修质量验收标准、设备试运程序等多个方面，避免类似的事故再次发生。4）中压给水泵出口逆止阀发生泄漏，导致备用泵发生反转，经处理及时未造成损失。目前我厂正考虑对逆止阀进行改型。5 结论我厂的高中压给水系统改造项目实施完成后，节能效果非常显著，获得了丰厚的效益。同时，本项目也提高了给水系统的安全和可靠性，解决了原系统存在的耗能高、起动和变负荷工况时给水管路和阀门受冲击大、设备易损坏等多项问题。在项目实施过程中，我厂根据以往实际运行经验和设备具体特性，对给水系统管路本身及其控制逻辑进行了多项的优化和改进，取得了不错的效果，是一项有益的探索和尝试。系统改造后在实际运行过程中也出现了一些新的问题，值得我厂认真总结和改进，相关经验和教训也可给其它类似项目提供借鉴。★★★广而告之①★★★各位读者：2015第四届分布式发电与微电网技术大会的主讲报告PPT文字精要版已在微信订阅号（dggrid）上陆续发表，请感兴趣的读者扫描下方的二维码前往阅读。主讲人及主讲题目中国电力科学研究院配电研究所所长盛万兴：主动配电网关键技术及其发展展望清华大学电机系教授赵争鸣：现代电网中的电力电子装置与系统内蒙古电力集团原副总工程师岳建华：利用可再生能源电解水制氢实现大规模储能与氢能综合利用天津大学电气与自动化工程学院教授贾宏杰：智能电网及能源互联网关键技术内蒙古电力集团调通中心副主任侯佑华：大规模新能源电站并网技术中国电力科学研究院配电研究所博士吴鸣：中国智能微电网的近期发展情况与展望清华大学电机系博士薛小代：非补燃压缩空气储能技术研究北京北变微电网技术有限公司技术总监刘世民：能源互联网环境下的微电网深圳市禾望电气股份有限公司太阳能开发部总经理曾建友：集散式逆变器及其系统设计应用阳光电源股份有限公司储能事业部总监余勇：阳光电源微电网系统解决方案常熟开关制造有限公司副总工程师俞晓峰：分布式电源中的设备应用研究北京人民电器厂有限公司营销技术部部长张书瑞：满足25年寿命使用期的光伏汇流箱的发展现状、问题与解决方案福禄克测试仪器（上海）有限公司产品应用总工程师钱峰：福禄克微电网领域测试解决方案上海良信电器股份有限公司总工程师卜浩民：光伏系统中的低压侧解决方案上海金友金弘电线电缆股份有限公司副总经理管同平：一体化光伏智能变电站的特点及应用★★★广而告之②★★★各位读者：为更好地服务新能源从业者之间的交流和学习，及时传递业内新闻、技术动态及工程项目等信息，《电气技术》杂志社特开设了QQ群“分布式发电与微电网”（QQ群号为245059743）。本群需要实名认证，申请加群时请报单位及姓名，进群后请将本人昵称改为“单位简称+名字”请搜索群号或扫描下方二维码进入！