摘要：本文針對(duì)100MW機(jī)組給水系統(tǒng)中存在的問題和運(yùn)行工況，提出了完整的系統(tǒng)解決方案。對(duì)方案的可行性進(jìn)行分析論證后認(rèn)為，在給水系統(tǒng)中采用高壓變頻調(diào)速" title="變頻調(diào)速">變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行改造能夠解決系統(tǒng)中存在的問題，并且取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：給水系統(tǒng) 變頻 改造方案
一、概況：
北京京豐熱電有限公司100MW機(jī)組鍋爐給水系統(tǒng)主要由三臺(tái)6kV/1600kW給水泵和給水泵母管高、低負(fù)荷調(diào)節(jié)閥門、高壓加熱器等設(shè)備組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖所示。系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，給水泵采用兩用一備方式運(yùn)行。給水泵將除氧器的水通過高壓加熱器后輸送至高加、省煤器二次加熱最終進(jìn)入汽包，參與汽機(jī)、鍋爐的運(yùn)行循環(huán)。通常，系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組負(fù)荷高低，控制主給水調(diào)整門和低負(fù)荷調(diào)整門的開度，調(diào)節(jié)主給水流量，從而達(dá)到穩(wěn)定汽包水位的目的。在這種調(diào)節(jié)方式下，系統(tǒng)主要存在以下幾個(gè)問題：
1、采用給水泵定速運(yùn)行，閥門調(diào)整節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率" title="系統(tǒng)效率">系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費(fèi)。
2、當(dāng)流量降低閥位開度減小時(shí)，調(diào)整閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴(yán)重，造成能耗增加。
3、長(zhǎng)期的40～70％閥門開度，加速閥體自身磨損，導(dǎo)致閥門控制特性變差。
4、管網(wǎng)壓力過高威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致閥門泄漏，不能關(guān)嚴(yán)等情況發(fā)生。
5、設(shè)備使用壽命短、日常維護(hù)量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費(fèi)。
解決上述問題的重要手段之一是采用變頻調(diào)速控制技術(shù)。利用高壓變頻器對(duì)給水泵電機(jī)進(jìn)行變頻控制，實(shí)現(xiàn)給水流量的變負(fù)荷調(diào)節(jié)。這樣，不僅解決了控制閥調(diào)節(jié)線性度差、純滯延大等難以控制的缺點(diǎn)，而且提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；更重要的是減小了因調(diào)節(jié)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(tǒng)對(duì)管路密封性能的破壞，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，維護(hù)量減小，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約能源，為降低電廠廠用電率提供了良好的途徑。
二、系統(tǒng)方案的選擇
由于系統(tǒng)采用兩用一備方式運(yùn)行，因此考慮采用一工一變運(yùn)行方案或兩變運(yùn)行方案。原給水系統(tǒng)采用閥門調(diào)整的H-Q特性曲線可見圖1，兩臺(tái)工頻泵的特性曲線合成為n。在100MW負(fù)荷時(shí)，管網(wǎng)特性為rA‘，閥門全開情況下的泵工作點(diǎn)為A，采用閥門調(diào)節(jié)，開度減小后系統(tǒng)的有效工作點(diǎn)為A‘。也就是說，100MW負(fù)荷情況下鍋爐系統(tǒng)只需要的壓力11.0Mpa,流量385m3/h的給水工況。兩臺(tái)泵的有效功率PA‘ 是與 “A‘-385-0-11.0”圍成的面積相對(duì)應(yīng)部分，而“A- A‘-11.0-14.0”圍成的面積對(duì)應(yīng)的功率PAA‘ 被閥門節(jié)流消耗掉了。 90MW負(fù)荷，70MW負(fù)荷的工況與100MW相類似。從圖1中可以看出，機(jī)組負(fù)荷對(duì)流量的需求越低，截流功耗也越大、系統(tǒng)效率降低越多。
系統(tǒng)如果采用一工一變運(yùn)行方案，此時(shí)管網(wǎng)閥門全開、一臺(tái)變頻泵調(diào)速運(yùn)行時(shí)的給水系統(tǒng)H-Q特性曲線如下圖右所示的n0 。在100MW負(fù)荷時(shí)，管網(wǎng)特性為rA‘，工頻泵的特性曲線為n0，實(shí)際所需壓力為11.0Mpa，工頻泵的有效排量為270m3/h與O點(diǎn)對(duì)應(yīng)。另一臺(tái)泵變頻運(yùn)行后，泵轉(zhuǎn)速降低，其特性曲線為由額定曲線降為nA ‘ ，其有效工作點(diǎn)即為A‘ ，泵有效功率PA‘為“A‘-385-0-11.0”圍成的面積對(duì)應(yīng)功率值，系統(tǒng)不再有截流損耗。但是系統(tǒng)在機(jī)組負(fù)荷70MW時(shí)，給水流量260 m3/h小于單臺(tái)泵的額定排量270m3/h。變頻泵的調(diào)節(jié)已無法滿足系統(tǒng)控制的需要，此時(shí)可以停止工頻泵運(yùn)行由變頻泵滿足系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)要求，但是一臺(tái)變頻泵的運(yùn)行將大大降低系統(tǒng)運(yùn)行安全性能，是不可取的。
如果在變頻泵和工頻泵同時(shí)運(yùn)行的情況下，滿足系統(tǒng)負(fù)荷要求，則必須在負(fù)荷降低后采用閥門調(diào)節(jié)流量。而此時(shí)，變頻泵需維持泵出口壓力與管網(wǎng)壓力相等，輸出流量降為“零”（實(shí)際上是出口流量接近于零），運(yùn)行特性曲線為nC‘。變頻泵在零排量功耗增加了系統(tǒng)低負(fù)荷下的給水泵系統(tǒng)" title="泵系統(tǒng)">泵系統(tǒng)功耗，整體效率降低；而且一工一變運(yùn)行方式下的給水系統(tǒng)控制方案的復(fù)雜性提高不利于調(diào)峰機(jī)組的頻繁調(diào)節(jié)工況。一臺(tái)泵長(zhǎng)期運(yùn)行于滿負(fù)荷狀態(tài)將影響設(shè)備的使用壽命。
因此，采用一工一變的運(yùn)行方案不適合于調(diào)峰機(jī)組的鍋爐給水泵系統(tǒng)。
鑒于上述情況，提出系統(tǒng)采用兩臺(tái)給水泵同時(shí)變頻調(diào)節(jié)的控制方案。該方案可以保證兩臺(tái)泵的工作點(diǎn)一致，系統(tǒng)響應(yīng)范圍寬可以滿足機(jī)組負(fù)荷變化的不同需求。采用兩臺(tái)變頻運(yùn)行的方案，管網(wǎng)閥門全開，兩臺(tái)變頻泵調(diào)速運(yùn)行時(shí)的給水系統(tǒng)H-Q特性曲線如圖3所示。兩臺(tái)變頻泵的特性曲線合成為n，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，給水泵轉(zhuǎn)速降低，其工作點(diǎn)與系統(tǒng)有效工作點(diǎn)一致，大大提高了系統(tǒng)效率，而且采用變頻調(diào)節(jié)后系統(tǒng)響應(yīng)快、線性度好、易于汽包水位自動(dòng)的投入。在100MW負(fù)荷時(shí)，管網(wǎng)特性為rA‘，實(shí)際所需壓力為11.0Mpa工況下，兩臺(tái)變頻泵的合成特性曲線為nA‘。 兩臺(tái)變頻泵的有效功率PA‘與 “A‘-385-0-11.0”圍成的面積對(duì)應(yīng)，而“A- A‘-11.0-14.0”圍成的面積對(duì)應(yīng)的功率PAA‘ 則是系統(tǒng)采用變頻泵調(diào)節(jié)較工頻泵閥門調(diào)節(jié)時(shí)節(jié)約的功率部分。 在70MW負(fù)荷時(shí)，管網(wǎng)特性為rC‘，實(shí)際所需壓力為11.0Mpa工況下，兩臺(tái)變頻泵的合成特性曲線為nC‘。 兩臺(tái)變頻泵的有效功率PC‘與“C‘-260-0-11.0”圍成的面積對(duì)應(yīng)，而“C- C‘-11.0-15.2”圍成的面積對(duì)應(yīng)的功率PCC‘ ，則是系統(tǒng)采用變頻泵調(diào)節(jié)較工頻泵閥門調(diào)節(jié)時(shí)節(jié)約的功率部分。給水系統(tǒng)采用兩臺(tái)變頻泵調(diào)節(jié)，可以完全響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷的變化。
因此，100MW調(diào)峰機(jī)組的給水系統(tǒng)宜采用兩臺(tái)變頻泵的運(yùn)行方案。
三、系統(tǒng)方案
通過對(duì)原系統(tǒng)的研究、分析，綜合其中存在的問題，以“先保證系統(tǒng)安全可靠，結(jié)構(gòu)合理，然后提供最佳性價(jià)比方案”的原則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造方案設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)采用一拖一工／變頻方案，3＃、4＃給水泵分別安裝一套高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，5＃給水泵工頻備用。系統(tǒng)主電氣原理如圖4所示，其中QF表示高壓開關(guān)、QS表示隔離開關(guān)、U表示高壓變頻器、M表示給水泵電動(dòng)機(jī)；QF為現(xiàn)場(chǎng)原有設(shè)備，QS32和QS33之間、QS42和QS43之間均存在機(jī)械互鎖關(guān)系，防止變頻器輸出與6kV電源側(cè)短路。正常運(yùn)行時(shí)，斷開QS33、閉合QS32、QS31隔離開關(guān)，3＃泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)；斷開QS43、閉合 QS42、QS41隔離開關(guān)，4＃泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)3＃（或4＃）變頻器故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)鎖啟動(dòng)5＃給水泵運(yùn)行。斷開QS32、QS31 （或 QS42、QS41）、閉合QS33（或QS43），3＃（或4＃）給水泵可以恢復(fù)原工頻系統(tǒng)備用，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全。
給水泵變頻運(yùn)行方式分為手動(dòng)控制及汽包水位PID調(diào)節(jié)自動(dòng)控制兩種。正常情況下， 3＃、4＃變頻泵作為運(yùn)行泵長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)器發(fā)出調(diào)整門全開指令，主給水調(diào)整門和低負(fù)荷調(diào)整門處于100％全開狀態(tài)；由變頻器接受遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)器的自動(dòng)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)調(diào)節(jié)給水泵流量滿足不同負(fù)荷的需求。當(dāng)單臺(tái)變頻器故障跳閘時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)鎖啟動(dòng)5＃給水泵工頻運(yùn)行。由于工頻泵的啟動(dòng)時(shí)間＜10S，而且在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后處于滿載運(yùn)行狀態(tài)，其工作點(diǎn)高于變頻泵運(yùn)行的工作點(diǎn)，同時(shí)會(huì)減低變頻運(yùn)行泵的排量，系統(tǒng)給水量偏于正常控制點(diǎn)。因此，在不同的機(jī)組負(fù)荷情況下，其擾動(dòng)量會(huì)對(duì)汽包水位產(chǎn)生影響。為降低工／變頻切換過程中給水量對(duì)負(fù)荷的影響，調(diào)節(jié)器內(nèi)置機(jī)組負(fù)荷—調(diào)整閥位特性表，系統(tǒng)將在一臺(tái)變頻故障情況下關(guān)小主給水調(diào)整門至50～70％，同時(shí)提升變頻器的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。從而降低汽包給水系統(tǒng)對(duì)變頻調(diào)節(jié)的依賴作用，防止事故情況下變頻跳閘、工頻泵聯(lián)起后閥門響應(yīng)速度慢汽包水位變化大危及系統(tǒng)安全的情況發(fā)生。在減低節(jié)能空間的情況下保證機(jī)組安全，提高一工一變運(yùn)行方式下的系統(tǒng)安全可靠性，加快變頻完全掉失情況下的系統(tǒng)反映能力是系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)當(dāng)中的一個(gè)重要問題。
當(dāng)給水泵變頻器跳閘后，可以通過旁路柜將變頻器完全退出主電氣回路，給水泵切換至工頻備用狀態(tài)，系統(tǒng)仍然處于兩用一備運(yùn)行狀態(tài)。在變頻器維修完畢可以投入時(shí)，系統(tǒng)將變頻器直接啟動(dòng)至50Hz工頻運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，強(qiáng)制開閥指令，調(diào)節(jié)器自動(dòng)降低變頻轉(zhuǎn)速。從而，完成工頻至變頻運(yùn)行方式的投入。
四、經(jīng)濟(jì)效益分析
1、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)
1） 發(fā)電機(jī)組容量：100MW
2） 配置給水泵數(shù)量：3臺(tái)（兩用一備）
3） 給水泵參數(shù)：
4）配套電機(jī)參數(shù)：
5）發(fā)電機(jī)組不同負(fù)荷下給水泵運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)
6）成本電價(jià)：0.232元/kW？h
7）發(fā)電機(jī)全年工作時(shí)間：8061h （2004年運(yùn)行統(tǒng)計(jì)）
2、工頻狀態(tài)下的年耗電量計(jì)算：
Pd：電動(dòng)機(jī)功率； d：電動(dòng)機(jī)效率；U：電動(dòng)機(jī)輸入電壓；cosφ：功率因數(shù)。
計(jì)算公式：Pd = ×U×I×cosφ… ①
將電動(dòng)機(jī)銘牌參數(shù)帶入公式①可得，cosφ=0.87。
平均運(yùn)行時(shí)間百分比＝平均運(yùn)行時(shí)間／24
由于兩臺(tái)給水泵的運(yùn)行工況一致，因此電動(dòng)機(jī)在工頻狀態(tài)下，可以將兩臺(tái)泵的電流之和帶入公式
①進(jìn)行計(jì)算。各負(fù)荷電動(dòng)機(jī)實(shí)際功耗計(jì)算值見下表。
Cd：年耗電量值 ；T：年運(yùn)行時(shí)間 ；δ：?jiǎn)呜?fù)荷運(yùn)行時(shí)間百分比 。
累計(jì)年耗電量公式：Cd= T×∑（Pd×δ） …②
Cd =8061×（2712.31×25%＋2531.49×41.7%＋2441.08×33.3%）=20527817 kW？h
因此，采用工頻運(yùn)行時(shí)，每年兩臺(tái)給水泵的耗電總量約為2052.8萬(wàn)度電。
3、變頻狀態(tài)下的年耗電量計(jì)算：
（1） 給水泵在變頻情況下的壓力計(jì)算：
管網(wǎng)阻力＝給水泵出口壓力—調(diào)整門入口壓力
閥門全開所需泵口壓力＝調(diào)整門出口壓力＋管網(wǎng)阻力
給水泵工作壓力=閥門全開所需泵口壓力—給水泵入口壓力
根據(jù)上述公式，將各負(fù)荷情況下的數(shù)據(jù)帶入后可依次求得給水泵工作壓力值。
（2） 給水泵在不同負(fù)荷下的泵特性系數(shù)計(jì)算：
由于給水泵系統(tǒng)在不同負(fù)荷下的管網(wǎng)特性不同，因此，必須將負(fù)荷對(duì)應(yīng)的H、Q值帶入公式④求得λ。
（3） 給水泵在變頻情況下的功耗計(jì)算：
Pd‘：電動(dòng)機(jī)軸功率 ； P：泵軸功率 ； ：電動(dòng)機(jī)效率 ； f：變頻器實(shí)際效率 ； ：泵效率 ；Q：泵出口流量 ；H：泵壓力 ；λ：泵特性系數(shù)。
由于泵與電動(dòng)機(jī)軸直接連接，則傳動(dòng)效率為1； Pd‘= P …③
電動(dòng)機(jī)效率 與電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率β之間的關(guān)系如圖5所示。
泵軸功率：
…④ 電動(dòng)機(jī)功率：
…⑤
由上述公式③④⑤可推理得出：
…⑥
將各負(fù)荷情況下求得的H、λ‘以及Q帶入公式⑥計(jì)算變頻狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)總功耗數(shù)值見下表。
網(wǎng)側(cè)功耗 
。 由圖6查得。
Cb=8061×（2340.38×25%+2097.76×41.7%+1938.78×33.3%）= 16972241kW？h
因此，采用變頻運(yùn)行時(shí)，每年凝結(jié)泵耗電量約為1697.2萬(wàn)度電。
4、節(jié)能計(jì)算：
年節(jié)電量：ΔC= Cd－Cb = 2052.8－ 1697.2=355.6 萬(wàn)kW？h
節(jié)電率：（ΔC/Cd）×100% =（355.6/ 2052.8）×100% =17.3%
節(jié)約電量若以發(fā)電成本計(jì)算，則每年可節(jié)約發(fā)電成本：355.6×0.232=82.50萬(wàn)元。
經(jīng)改造后的給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與改造前的控制閥門開度調(diào)節(jié)相比，除了上述直接經(jīng)濟(jì)效益外，還有許多間接經(jīng)濟(jì)效益：
（1）采用變頻調(diào)速，消除了大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)影響。
（2）采用變頻調(diào)速，消除了大電動(dòng)機(jī)大電流啟動(dòng)時(shí)的沖擊力矩對(duì)電機(jī)損壞。
（3）采用變頻調(diào)速，延長(zhǎng)了電機(jī)、管網(wǎng)和閥門的使用壽命，減輕了維修人員的工作量，降低了維修費(fèi)用。
（4）提高了系統(tǒng)自動(dòng)裝置的穩(wěn)定性，為系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行提供了可靠保證；系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)得到改善，提高系統(tǒng)效率。
五、結(jié)論
通過對(duì)北京京豐熱電有限公司100MW機(jī)組給水泵系統(tǒng)的分析論證：采用高壓變頻器對(duì)兩臺(tái)給水泵進(jìn)行變頻改造，改閥門開度為水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是切實(shí)可行的；能夠起到降低廠用電率的目的。而且，在系統(tǒng)的安全可靠性、設(shè)備維護(hù)量等方面具有良好的收益。