循环软启动变频调速在300MW汽轮机组给水泵上的应用

1、引言 
    近年来300mw抽汽供热汽轮机组正在成为城市供热主力机组。在建和准备建设的供热机组多为300mw汽轮机组。300mw供热汽轮机组一般配有两台50%额定容量的汽动给水泵，一台30%额定容量的电动给水泵或三台50%额定容量的电动给水泵。 
    我国运行中和新建扩建的热电厂中，给水系统调节方式和给水泵型式和配置各不相同。尽管不同型式和不同配置的主给水系统都能满足热电厂的运行需要，但作为电厂的重要辅机系统，其投资和运行维护的经济性是不同的。按照国家“大力推动以节能降耗为重点的设备更新和技术改造，加快淘汰高能耗、高耗水、高耗材的工艺、设备和产品”的要求，应用循环软启动变频调速方案，实现300mw汽轮机组给水泵调节，取代小汽轮机调节和液力偶合器调节，初投资是节省的，系统结构是简单的，运行及维护费用是节省的。
    上世纪80年代以来发达国家已应用变频器进行电站给水泵的调节,并逐步取代小汽轮机和液力耦合器。我国近年来高压变频器已成功的应用到火电厂的送、吸风机,给水泵、凝结水泵、循环水泵、灰渣泵的生产技术改造中,其调节特性、节电特性和经济效益是其它调节方式*的。
2、主给水系统调节方式
    主给水系统的主要功能是将温度、压力和水质合格的水送到锅炉大汽包,并利用给水系统调节功能将汽包水位维持在允许范围（给定范围）,它是保证锅炉机组安全运行和汽水品质的重要热工系统。主给水调节系统可分为两类;即定速给水泵给水调节系统和调速给水泵给水调节系统。
2.1 定速给水泵给水调节系统
    定速给水泵给水调节系统是保持给水泵特性曲线不变的条件下，通过改变主给水自动调节门开度从而改变主给水管道阻力特性曲线，来改变给水泵工作点的调节方式。这一调节方式节流损失大，给水泵单耗高，已是不争的事实，属于应该“加快淘汰的高能耗工艺”之列。
2.2 变速给水泵给水调节系统
    变速给水泵给水调节系统是在给水管道阻力特性曲线不变（主给水调节门全开）的条件下，通过改变给水泵转速来改变给水泵特性曲线，实现调节给水流量，控制锅炉汽包水位的目的。
    变速给水泵给水调节系统，就其原动机来分，可分为小汽轮机和电动机两种方式。汽动给水泵由小汽轮机驱动，小汽轮机接受给水调节系统流量、压力和水位信号，并通过小汽轮机进汽量，调节给水泵转速；电动给水泵又分液力耦合器调节和变频调节两种。液力偶合器调节是以油做工质，由原动机驱动泵轮（主动轮）将机械功率传递给工质油，带动涡轮（从动轮）旋转，液力耦合器接受给水调节系统的流量、汽压、水位信号，通过勺管控制机构改变液力耦合器充油量来调节给水泵转速；变频器则是通过改变异步电动机定子的供电电源频率ｆ及电压ｖ使同步转速变化，从而改变异步电动机转速，变频器接受给水调节系统流量、汽压、水位信号，通过改变电源频率和电压调节电动机转速。
2.3 不同调速方式技术经济分析
    小汽轮机调节、液力耦合器调节和变频调节都能实现给水泵的调节功能，达到调节的目的。但其初投资、维护费用和运行费用各不相同。
2.3.1 投资经济比较
（1）汽动给水泵投资构成主要是给水泵、小汽轮机、抽汽管道、调节管道系统，前置泵减速机构， 小汽轮机汽封系统、疏水放汽系统、小汽轮机排汽管道等，以及由于小汽轮机占地面积和空间等因素影响到主厂房空间增加较多等，初投资也较大。 
（2）液力耦合器调速给水泵投资构成主要是给水泵、电动机、液力耦合器、开关柜、电缆等。
（3）变频器调速给水泵投资构成主要是给水泵、电动机、变频器、开关柜、电缆。由于变频软启动，则厂用变压器启动容量可不考虑给水泵启动冲击电流问题，变压器容量可相应减少，这也可以减少相应初投资。
2.3.2 维修经济比较
（1）汽动给水泵年维修费用高出液力耦合器年维修费用3倍。主要有给水泵小汽轮机，前置泵减速机构，润滑油系统、小汽轮机疏水放汽系统、小汽轮机汽封系统与主汽轮机相比，麻雀虽小五脏具全，与电动给水泵相比无疑大大增加了维修工作量，备品配件及消耗材料的数量小汽轮机除需定期小修维护外，还需定期（4年）大修揭盖检查通流部分等。
（2）液力耦合器年维修费用是小汽轮机年维修费用的四分之一。液力耦合器调速给水泵的维修量除给水泵外，主要是液力耦合器的油系统和冷却水系统与小汽轮机比较维修量较小，其维修费用只占小汽轮机维修费的四分之一。
（3）变频器年维修费用zui小。变频器是高科技电力电子产品，设计寿命为15年，设计安装位置得当（无粉尘）一般无需维修，年维修费用可以忽略不计。
2.3.3 运行经济比较
    根据相关文献报道汽动给水泵配置方式与电动给水泵液力耦合器配置方式相比在运行上并不经济；同等条件下液力耦合器调速电动给水泵比变频调速电动给水泵多耗电15%。
综上所述,汽动给水泵初投资高,系统复杂,所占平面与空间均较大,维护费用高;液力耦合器调速给水泵初投资较高,系统较复杂,维护费用较高,节电率较差；变频调速给水泵,初投资较低,系统简单,维护费用低,节电率较高。故300ｍｗ汽轮机组调速给水泵配置顺序应以:
（1）变频调速给水泵；
（2）液力耦合器调速给水泵；
（3）小汽轮机调速给水泵为宜。 
3、300mw汽轮机组给水系统结构
300mw汽轮机组给水系统结构如图1所示。给水系统流程为，除氧气、前置泵、锅炉给水泵或电动给水泵、高压加热器、主给水调节门及其旁路门、省煤器入口联箱、省煤器出口联箱、锅炉汽包。 4、300mw汽轮机组给水泵变频调速方案
液力耦合器调速需要每台泵装一台液力耦合器，变频调速则不然，无论是配备两台*额定容量给水泵，还是配备三台50%额定容量给水泵，只要配备一台变频器就可以方便地实现软启动和变频调速，这是液力耦合器无法做到的。
4.1 一拖三循环软启动变频调速方案
    300ｍｗ汽轮机组往往配备三台50%额定容量的给水泵,两台运行一台备用。所谓一拖三循环软启动变频调速方式就是利用一台变频器通过切换分别实现三台给水泵的软启动和变频调速,如图2所示。这一方案的特点是一台变频器通过切换可以分别实现三台泵中任意一台泵的软启动和变频调速运行,提高了变频器的利用率。既实现了给水泵的软启动,又实现了给水泵的变频调速。这一方案的运行方式是锅炉机组滑启和50%额定负荷以下时，一台给水泵变频调速运行；50%额定负荷到*额定负荷时,为两台给水泵一工一变运行（即一台工频运行，一台变频运行）,工频泵带固定流量其扬程由锅炉机组运行参数（汽包压力加汽包水位到给水泵水柱高加管道阻力之和）决定。变频泵调节给水流量,保持锅炉水位。
4.2 工、变频同步切换是循环软启动的关键
    利用一台变频器实现循环软启动变频调速的关键是工频与变频同步切换技术。这是因为锅炉机组运行中一刻都不能间断供水。有鉴于此，变频调速运行中的给水泵切换到工频运行，不能瞬间断电，即不能先断开变频开关，再合上工频开关，只能是在变频调速运行中的（#1）给水泵与#1给水泵工频电源开关进行同步并列，合#1给水泵工频电源开关后，再断开#1泵变频开关。实现给水泵从变频运行到工频运行的同步平稳过渡和切换。
    实现同步切换的关键是同步切换软件系统和plc控制系统。同步切换软件系统的主要功能是通过运行中的变频调速系统与工频电网进行自动准同期调整,做到相序一致（这是接线时已经确定了的）,电压相等（同步切换软件系统完成）,频率差小于0.5hz,直至相位误差小于设定值（同步切换软件系统完成）,plc发出指令,工频电源开关同步合闸。经检定同步合闸正常后,断开变频开关。
4.3 一定一变并列运行原理
    两台定速泵并列运行和两台变速泵并列运行人们是熟悉的。一定一变并列运行只要保持扬程相同也是可行的。300ｍｗ机组主给水泵的调节功能（手动和自动）是在汽包压力一定、主给水调节门全开的条件下，通过改变给水泵转速调节给水流量，保持锅炉汽包水位。锅炉启动过程中和50%额定负荷以下一台泵（1号）变频运行；锅炉负荷超过50%额定负荷时，一台泵（1号）的流量满足不了需要，需要启动另一台泵（2号）并列运行，此时将运行中的变频泵（1号）切换到工频定速运行。带固定流量其扬程由汽包压力加汽包水位到给水泵水柱高加管道阻力之和决定，用变频器软启动另一台（2号）泵变频调速运行，根据需要调节流量，保持锅炉水位。工频定速泵（1号）对应*工作点带固定流量，变频调速泵（2号）对应工作点调节流量。工频定速泵特性曲线与运行扬程的交点即是工频定速泵的工作点，其对应流量即为工频定速泵的流量。对应变频调速泵特性曲线与运行扬程的交点为变频泵的工作点，其对应的流量即为变速泵的流量。工频定速泵与变频调速泵流量之和即为总流量。
4.4 一拖三循环软启动变频调速给水泵特点
    应用变频器实现电动给水泵循环软启动和调速运行是主给水系统电动给水泵启动和调节方式的一场变革。这一方式从根本上解决了液力耦合器调速的所有弊端。其主要特征是：
（1）实现了给水泵的软启动，减少定压下启动的冲击电流，缩短了启动时间，减少了启动过程中的铁损、铜损和对主绝缘的损伤。
（2）实现了给水泵的无级调速,调速精度高（0.01hz）解决了液力耦合器丢转问题。
（3）率（变频器效率可达到98%）、高功率因数（变频器工率因数可达到0.98）、高节电率（节电率在相同条件下高于液力耦合器15%以上）。
（4）具有工业网络及通讯接口，可以方便地实现dcs的启动、停止、联锁、闭锁、开环、闭环、手动、自动控制。
（5）保护功能齐全，具有过流、输出电压异常、过载、电机过热、冷却风机异常等、停电检测、接地检测等功能。
（6）维护量小、故障率低、使用寿命长，一般可以达到80000h*。
（7）年运行维护费用远远低于液力耦合器。 
5、二拖三软启动变频调速给水泵方案也是可行的
一拖三软启动变频调速给水泵理论上是可行的，但尚无运行实践，人们不免担心，万一变频器故障怎么办，其实这很简单，增加一台变频器问题就解决了。
这一方案在锅炉机组启动时可以用#2（#3）给水泵变频启动带负荷至50%额定容量时，启动#1给水泵，运行正常后可将#2（#3）给水泵切换到工频运行，以#1给水泵变频调速运行，保持锅炉水位。#3（或#2）变频给水泵做备用。
这一方案尽管增加了一台变频器，其初投资也不高于汽动给水泵，其综合技术经济比较是可取的。 
6、结束语
    变频调速是当代、zui可靠、zui的调速技术。低压变频器在火电厂已得到了广泛应用，在实现自动控制和节能降耗上收到了良好效果，已被社会所*。高压变频器在火电厂的送、引风机、排粉机、灰渣泵、循环水泵、汽机凝结水泵、母管制给水泵等技术改造、新建、扩建机组中，已经和正在广泛得到应用。高压变频器在电厂的应用，已经和正在得到人们的普遍重视。
    节能降耗是基本国策，也是长远方针，对待节能降耗要像对待环保那样应从根本上加以重视。主给水泵是必须进行调节的主要辅机，也是火电厂单机耗电量zui大的辅机，应用变频器进行一拖三循环软启动变频调速或二拖三变频调速运行 是主给水泵调速的*选择。