高压变频器在西固电厂循环水系统中的应用

1 引言
成立于2000年6月的兰州西固热电有限责任公司，其前身西固热电厂是国家“一·五”期间156个重点建设项目之一。该电厂于1957年投产发电，是全国最大的热电联产企业之一。现管理运行4×50MW、2×142MW共10炉6机，总装机容量484MW。担负着向周边兰化、兰炼等大中型企业提供电力、热能的重大任务。
受设计和制造技术条件的影响，电厂主要用电设备如送风机、引风机、给水泵、循环水泵等高能耗设备，其输出功率不能随机组负荷变化而变化，只有通过改变档板或阀门的开度来调整，造成很大部分能量消耗在节流损失中。为此,兰州西固热电有限责任公司把挖潜节能降耗的工作提到议事日程中，从技术改造着手，寻求节能降耗的途径和办法。
针对以上能源浪费的现象，采用高压变频调速技术对电厂重要用电设备的驱动电源进行技术改造，是电厂节能降耗提高竞价上网竞争能力的有效途径。
   2 再循环水系统变频改造问题的提出
   2001年西固电厂一厂循环水系统在自然通风冷却塔的改建过程中，使机组循环冷却水量（一次水量）由原来的年平均10000t/h减少到 5000t/h，降低了发电成本，取得了明显的经济效益。但在运行中专门为塔上水而配置的4台同型号，额定出力为9720m3/h的轴流式再循环水泵，由于出力较大，不能达到循环水泵与水塔的合理匹配运行，制约了发电成本的有效降低。
众所周知，轴流式水泵具有相当陡的性能曲线，管道阻力变化对流量变化影响很小，轴流式水泵出口门及竖井上水门不能节流，造成流量调节困难。因此，运行中仅限于调整机房内凝结器排水门，启停机组循环水泵和联系水厂加减一次水量，非常不方便，而且造成极大的浪费。例如，冬季循环水出、入口温度都较低，如果一台再循环水泵在额定工况下运行，为保障水泵入口（#3、4沟水位）正常，机房内各机组排水门都开的较大，同时为维持循环水母管压力，还需要启动循环水泵，人为地增加了厂用电耗，冬季机组凝汽负荷本身不大，由于排水门开度大，造成排气温度过低，使机组末级叶片湿度增大，叶片工作工况恶化，严重威胁着机组运行安全，且循环水量过大，造成凝结水过冷却度增大，对机组的经济性影响更大。夏季由于来水温度较高，为保证机组排汽温度不至于过高，需要增加一次水量，凝结器出口门开度也较大，造成#3、4沟水位溢流，再启动同型号再循环水泵，势必会开大凝结器出口门，#5-8机8台循环水泵全部启动，却无法保证#3、4循环水沟水位，且启动循环水泵，增大一次水量，造成企业效益流失和发电成本的提高。
因此根据公司运行实际和企业可持续发展的战略需要，将冷水塔#1、3再循环水泵加装变频调速器，改造为调速调频再循环水泵势在必行。
   3 系统参数配置以及控制逻辑
经过西固电厂多方调研、比较，最后同北京利德华福电气技术有限公司合作，共同制定了在循环水系统的变频改造方案，具体方案如下：
3.1 电机和水泵的参数
电机和水泵的参数如附表所示。

3.2 系统旁路方案
变频器主回路接线图如图1所示。


图1 主回路接线图

   
   器件说明：
QF1、QF2：厂方高压真空断路器;
QS1、QS2、QS3：手动隔离刀闸;
VVVF：HARSVERT-A06/090 高压变频器;
M1、M2：710kW/6kV 异步电动机。
使用方式：一拖二（1备1用）；
#3泵只变频运行，#1泵也可在变频下运行。
3.3 设备配置
冷水塔#1、#3再循环水泵参与这样一个水循环过程：将蓄水沟中的水抽到冷水塔中，冷水塔中的水供生产使用，生产后剩余的水再排到蓄水沟中。
本次改造是在电机前加装高压变频调速器，加强了对循环水系统的调节运行。该变频调速系统采用新型的功率单元，通过功率单元与控制单元的程序控制，实现全数字化微机控制，并且具有高可靠性和易操作性等优点，适合电厂现运行系统的需要。
以前开一台泵,抽水量不够,造成水沟水溢流,平均为5000m3/h左右;增加变频器后,用两台泵,变频泵开到35Hz左右,水沟水位维持在4.8m左右,不再造成溢流,另外还加速了水系统的循环过程，降低了煤耗等综合指标。
   4 问题的解决与应用
兰州西固电厂再循环水泵变频改造后,循环水系统可调节性能大大增强,一次水量由投运前平均5000t/h，变化为3500t/h，细化了指标，很大程度的降低了企业发电成本。
4.1 节能原理
通常异步电动机的转速n=60f（1-s）/P，在电动机选定条件下，功率P一定，转差s的影响可忽略不计，因此电机转速变化可以通过调节电机频率实现,可以看出n与f间为线性关系，转速调节范围宽,功率损失较小。
我们也知道泵的轴功率，P∝KQH，Q为流量,H为泵出口压力。由于轴流泵受管道阻力影响较小,在出口压力恒定的情况下,转速降低,流量降低,使泵的输出功率降低。节能明显,调节方便。图2中阴影部分为有效节能。


图2 水泵节能原理

   
4.2 高压变频调速系统在实际应用中的节能效果
（1）比较2002年10月与2003年10月经济指标，机组平均负荷为12.8MW
● 2002年10月
平均真空度：90.26%，一次水量平均5000t/h;
● 2003年10月
平均真空度：93.37%，一次水量平均3500t/h。
（2）按一个月计算
● 2002年10月
一次水成本：5000×24×31×0.4=148.8万元；
● 2003年10月
一次水成本：3500×24×31×0.4=104.16万元；
相比节约资金：44.64万元/月。
（3）2002年10月真空度：90.26%，对应排汽温度查表得42℃；
2003年10月真空度：93.37%，对应排汽温度查表得35℃。
因此,2003年与2002年同期比较,变频泵启动后排汽温度下降7℃,真空度每提高1%,节约标准煤耗3.5g/kW·h。所以2003年10月较2002年10月真空度提高3.11%,节约煤耗10.9g/kW·h,全月发电量9495万kW·h。
因此节约煤耗94950000×10.9×0.8=827.96t标煤×210元/t标煤=17.39万元。
（4）变频泵自投运以来，据统计月平均耗电，比仅运行一台工频泵多耗厂用电13万kW·h;
变频泵启动增加厂用电13万kW·h，耗电130000×0.196=2.55万元。
（5）综上，月平均产生经济效益：44.64+17.39-2.55=59.48万元；
全年经济效益：59.48×12=713.76万元。
4.3 高压变频系统在实际应用中还体现出诸多优点
（1）减少了机组循环水泵的启、停次数，保持了系统运行的稳定，降低了值班人员调整、维护水沟水位和机组真空的难度。
（2）增加了调节的灵活性,方便了凝结器胶球清洗工作。以往此项工作需要增加一次水量,操作过程中加、减一次水量及启、停循环水泵,会造成循环水的浪费,用变频泵可通过调整电机频率和闸板开度满足实际水位的需要。
（3）电厂在夏季启用变频泵，可以增加上塔水量，使冷水塔冷却效率提高,既能避免水沟溢流,又可以增大冷却水的循环倍率,降低机组排汽温度,提高机组热经济性。
在冬季，水温较低时，只启动一台变频泵运行，既能保证机组排汽温度稳定，提高机组安全运行，又可以减少一次水量和厂用电，更好地降低成本，提高效益。
4.4 综合效益
自03年9月份变频再循环水泵调试和投运以来，变频器运行稳定，循环水系统可调节性能大大增强。不但节约了大量电能，降低了厂用电率，而且大大降低了一次用水量及减少机组循环水泵的启、停次数，甚至提高了系统真空度，降低了标准煤耗，取得了非常好的综合效益。为此，该高压变频改造项目获得了当年甘肃省科技成果推广二等奖，西固电厂科技进步一等奖。
   5 结束语
   现阶段,在能源日趋紧张、生产成本居高不下的条件下,依靠科技进步,加大节电力度,最大限度降低电力消耗,是电力企业提高经济效益、建设节约型企业的内在需要和必然选择。而变频改造无疑是实现这一目标的重要内容。
高压变频调速控制作为一种新型的调速方法，其性能优于其它调速方式,是现代化大型电厂广泛采用的一种节能控制手段。西固电厂的变频改造工程促进了企业经济效益的明显提高,并且它以高性能、高可靠性和调节的灵活性以及操作的简便性,赢得了运行人员的认可。
随着电力体制改革的推进和竞价上网新格局的形成、深化，西固电厂还将在给水泵等辅助设备进行变频改造，势必将优化企业资源配置，为促进企业可持续发展创造条件，早日实现扭亏增盈的目标。
06年7月12日，兰州西固电厂＃11炉甲乙侧吸风机再次使用了2套利德华福生产的1000kW/6kV高压变频器，顺利通过验收并移交运行，这是继一厂再循环水泵、二厂生水泵、除盐水泵、凝结水泵改变频后，西固电厂又一次较成功的变频改造。