600MW机组凝结水泵节能综合改造———600MW机组凝结水泵节能综合

［摘要］：针对宁德发电公司超临界600MW 机组，在凝泵进行了变频改造后是否还有继续节能优化以进一步降低凝泵耗电率的可行性进行了探讨，采用了利德华福HARSVERT-A型高压变频器在国内首次对10LDTNA-6PC 型凝泵进行综合节能优化,改造后的凝泵变频运行时取得了可观的经济效益。证明了凝泵改变频后，再实施通流部分改造的节电效果还是较明显的，值得推广应用；通过改造实现了除氧器上水调节站旁路电动门全开降低管道节流损失，进一步降低了凝泵耗电率。［关键词］：节能优化 高压变频器  利德华福　
  一、概况
        福建大唐国际宁德发电有限责任公司两台600MW 超临界机组，配有沈阳水泵厂生产的100%容量10LDTNA-6PC 型凝结水泵四台，其设计性能参数如下：
        型号：10LDTNA-6PC      设计流量：Q= 1617m3/h
        设计扬程:H=393m        转速：n＝1480r/min
        设计效率η＝84％
        泵共6 级，首级叶轮为双吸形式，导流器为螺旋形双流道导流壳，5 个次级叶轮为单吸同向排列的斜流泵结构。配用2000kW 电机。

  二、现场工况及存在的问题
        福建大唐国际宁德发电有限责任公司一期投产的两台超临界600MW 机组，由于凝结水泵设计扬程余量较大，调整门节流调节时压降大，额定负荷时调整门节流扬程占整个泵扬程的36.06％，低负荷时节流更加严重，为此进行了变频改造，安装了一台变频器，正常时一台泵变频运行，另一台泵工频备用。为探讨定速凝泵如何进行节能改造，改变频后凝泵是否还需进行节能优化以进一步降低凝泵耗电率，福建大唐国际宁德发电有限责任公司与科研单位合作在国内首次共同对10LDTNA-6PC 型凝泵进行节能优化改进研究，以进一步挖掘节能潜力。为了科学的制定改进方案，首先对凝结水泵及其系统进行了全面的节能优化诊断测试。
        其测试项目如下: 3A 凝泵工频运行工况下的性能测试；机组额定负荷时凝结泵管道阻力测试；系统综合参数测试；3A 凝泵改前变频运行工况下性能测试。诊断测试结果见附表。
        通过节能优化诊断测试的结果分析可见，凝结水泵及系统存在着下列问题：
       （1）配套性差，在工频运行工况下，凝结泵调整门节流压降过大，在额定负荷工况下调整门节流扬程△H 占整个泵的扬程H 比重为36.06%，节流损失很大；
        （2）泵效率较低，最高只有77.79%，且性能与设计值81%相差较大；
        （3）改变频后低转速运行时凝结泵振动大,稳定性差；
        （4）制造工艺较差，有铸造缺陷，盖板内侧有蜂窝麻点，流道光洁度差,且对称性差。

  三、HARSVERT-A型高压变频器原理及特点
　　HARSVERT-A系列高压变频器采用单元串联多电平PWM拓扑结构（简称CSML），由若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出，高压主回路与控制器之间为光纤连接，安全可靠，精确的故障报警保护，具有电力电子保护和工业电气保护功能，保证变频器和电机在正常运行和故障时的安全可靠。
        采用功率单元串联，而不是功率器件串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。直接使用低压IGBT功率模块，器件工作在低压状态，不易发生故障。6kV变频器共使用42对1200V低压IGBT，低压IGBT门极驱动功率较低，驱动电路非常简单，开关频率很低，不必采取均压电路和浪涌吸收电路，系统效率高，同时功率单元采用电容滤波结构，总体技术成熟可靠。变频器可以承受30%的电源电压下降而继续运行，变频器的6kV主电源完全失电时，变频器可以在3秒内不停机，能够全面满足变频器动力母线切换时不停机的需要。

  四、节能优化改造的主要技术措施
        （1）提高配套性，优选确定改后最佳设计参数：
        凝结泵的容量选择原则只考虑设备老化、性能下降以及正常的管道系统的泄漏，对于特殊情况只能靠备用泵来解决，这样才能避免出现为解决极特殊情况下的问题，而牺牲长年的效益，才能避免设计裕量大、经济性差的问题，才能达到最佳节能效果。根据诊断测试和以上原则，机组额定负荷时的凝结水量为1487 t/h,再按7%的裕量计算选定最佳设计流量为1591 t/h=1600 m3/h。再根据流量Q=1600 m3/h 时通过试验计算得出管道阻力为84.3 m,几何扬程Ho 为145.3m,保留调整门节流40m,即总扬程为H=84.3+145.3+40=269.6m,按此推算,确定改后最佳设计参数为Q=1600 m3/h,H≥270m,η＞81%。
        （2）减少调整门的节流压降，削减扬程。采用空装和假套替代的办法将第四级叶轮拆除，保留的4 个次级叶轮外径车削2.67%。
        （3）对泵进行通流部分改进。除了弥补拆除和切削叶轮造成的泵效率下降外，还需进一步提高泵效率，必须对泵进行通流部分改进，即采用模型优化试验和专利技术对叶轮关键局部型线进行改进，提高泵的效率和汽蚀性能。根据实践经验和高效泵的设计原则,水泵效率的高低,主要取决于叶轮出口与导叶入口的匹配和叶轮入口流动性的好坏,因此,该泵通流部分改进的核心是改变叶轮叶片与导叶叶片进出口关键型线,以及导叶喉口的面积。这样不但可改善叶轮进出口流动性，明显提高泵的效率和汽蚀性能，使高效区略向大流量推移，而且可使叶轮内的液流均匀对称，消除水力原因引起的振动,提高泵的稳定性。
         （4）提高检修装配工艺，消除低转速下的振动。每个叶轮做静平衡、高速动平衡试验和探伤检查；严格按标准工艺要求进行组装，并保证合理的密封间隙。

  五、凝结水泵改造实施过程
        （1）宁德发电公司首先完成了凝泵的变频改造，节能效果非常显着。
        （2）凝泵完成变频改造后，由于制造及装配质量问题凝泵低转速运行振动大，根据泵组振动情况将变频器最低运行转速设置为1000r/min，在机组降负荷至350MW 后随着凝结水量减少，仍需通过除氧器上水调整门进行节流调节，变频效果不能得到充分发挥。
        （3）为深入挖潜，实现节能改造效果的最大化，利用机组停备机会对3A 凝泵进行了取消一级叶轮等通流改造，凝泵经通流改造后在工频工况下运行时耗电率下降340～490KW。改造后的3A 凝泵变频运行在低转速时泵组振动情况明显改善，降变频器最低运行转速设置为850r/min，在40％负荷以上全部通过改变电机转速调节凝结水量，实现了正常负荷调整时全程变频调节运行。
        （4）经过系统测试发现变频和通流改造后运行时除氧器水位调节站前后仍有0.07～0.12MPa 的节流，为此对除氧器水位调节站旁路电动门进行改造，在保证特殊情况旁路电动门能快速关闭不影响机组安全的前提下，将原关闭时间为 2 分多钟的电动头更换为关闭时间小于 1 分钟的电动头，旁路门实现机组运行中全开运行，减少调节站节流损失。此项改进取得了平均每小时节电40～50 kwh 的效果。
        通过以上综合改造，75％负荷率时凝泵耗电率由改前0.42％下降至目前0.17％的先进水平。

  六、改造后性能测试及测试结果
        在完成3A 凝泵通流改造后进行了停机状况下工频性能试验和正常运行工况下变频性能测试，从中可见：
         （1）工频运行工况下改造前后泵最高效率从77.79%提高到了82.17%,提高了4.38%,扬程下降了60～85m,电功率下降了340～490 kW,平均每小时可节电400 kwh 及以上，节能效果明显，性能指标达到了国内先进水平。
        （2）变频运行工况下改造前、后泵效率平均提高了4%以上，电功率明显下降。
        各种负荷下每小时节电效果见下表：

        按平均每小时节电110kwh，年运行7000 小时计算,全年可实现节电110×7000=77 万（kwh）,
        按上网电价0.422 元/kwh 计算,年效益0.4×77=32.5(万元)。
       （3）通过更换为关闭时间更短的电动头，实现了旁路电动门开启运行方式，此项改进取得了平均每小时节电40～50 kwh 的效果。
        按平均每小时节电45kwh，年运行7000 小时计算,全年可实现节电45×7000=31.5 万（kwh）,按上网电价0.422 元/kwh 计算,年效益0.4×31.5=12.6(万元)。
        （4）由于改进中的精细加工及动静平衡试验消除了变频工况下低转速（低负荷）时泵的振动问题，避免了调整门不得以而参与调节时的节流损失。
        （5）宁德发电公司3A 凝泵通流改造完成后在变频运行工况下满负荷时，最大电功率只有1288.05kW,这对我们今后凝泵节能优化改进合理选择变频器的功率具有指导意义。

  七、结论
        凝结水泵节能改造一般有变频和通流改造两种途径，宁德发电公司通过科学的分析，尝试在一台泵上同时进行两项改造并取得了可观的经济效益。在变频改造的基础上，宁电3A 凝泵进一步实施通流改造后比改前泵效率平均提高了4%以上，每小时可节电85～130 kwh，按平均每小时节电110kwh，年运行7000 小时计算，每年可节电77 万kwh；此外通过更换为关闭时间更短的电动头，实现了除氧器上水调节站旁路电动门开启运行方式，平均每小时节电40～50 kwh 的效果，全年又可实现节电31.5 万kwh。证明了凝泵变频改造后，再实施泵的通流部分改造的节电效果还是较明显的，值得推广应用。
        凝泵实施综合改造后变频运行工况下额定负荷时，最大电功率只有1288kW,这对我们今后凝泵节能优化改进、合理选择变频器的功率具有指导意义的，通过宁德发电公司3A 凝泵全面节能优化改进的实施证明：对大型调峰机组的定速凝泵的节能优化方案，应该是先进行凝结泵的节能优化改进，解决泵本身的配套性和提高运行效率后，再实施电机的变频改造或同时进行，这样一方面大大减少变频器的功率，可以节约变频器的改造费用；另一方面达到最佳节能效果，假如按此方案实施，我公司变频器的功率只需1550～1650kW，可大大降低变频器的改造费用。此次改造对同类型机组有很大的可借鉴性。
        附1：3A 凝泵通流改造前、后变频运行工况下性能测试数据汇总表