高壓變頻器在300MW機(jī)組給水泵上的應(yīng)用

1.工程概況

山西國錦煤電有限公司成立于2008年10月10日，由晉能電力集團(tuán)與山西美錦能源集團(tuán)共同投資組建，工程靜態(tài)總投資26.2635億元，其中晉能電力集團(tuán)出資51%，山西美錦能源集團(tuán)出資49%，是山西省重點(diǎn)工程、兩區(qū)項(xiàng)目和呂梁市雙百雙千工程。山西國錦煤電有限公司位于山西省交城縣夏家營工業(yè)園區(qū)內(nèi)，具有得天獨(dú)厚的區(qū)位優(yōu)勢，距離太原市區(qū)50公里，北鄰307國道，西靠大運(yùn)高速，地處山西省電網(wǎng)中心位置。

國錦煤電有限公司為2臺300MW循環(huán)硫化床機(jī)組，其中鍋爐由東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)，汽輪機(jī)由哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)，發(fā)電機(jī)由哈爾濱電機(jī)廠有限公司生產(chǎn)。國錦煤電每年發(fā)電量33億度，并為交城縣提供集中供熱熱源。

2.設(shè)備規(guī)范

山西國錦煤電2#機(jī)組配置三臺35%額定容量并列運(yùn)行的電動給水泵， 改造前采用液力偶合器調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速控制給水流量。本次改造分兩步進(jìn)行，2020年10月份分別對三臺給水泵中的21、23兩臺電動給水泵組進(jìn)行變頻改造，2022年5月份對22電動給水泵組進(jìn)行變頻改造，改造后電動給水泵組配備的主要設(shè)備有：變頻器、主給水泵、主電動機(jī)、電泵前置泵、潤滑油系統(tǒng)等組成。變頻器一端與6kV母線相連，另一端與電動機(jī)相連，電動機(jī)通過增速齒輪箱與給水泵連接，主電機(jī)一端拖動前置泵，一端拖動主給水泵。本次改造主要涉及的設(shè)備一次回路如圖1所示。

圖1  變頻改造后一次回路圖

2.1  改造前設(shè)備參數(shù)

改造前設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1  改造前設(shè)備參數(shù)表

2.2  變頻器參數(shù)

變頻器參數(shù)如表2所示。

表2  變頻器參數(shù)

3. 改造整體方案

3．1  土建整體方案

本次給水泵改造新建變頻器室，室內(nèi)放置變頻器兩套；變頻器室采用空水冷散熱方式，4套制冷量80kW的空水冷放置在變頻器室外。

因現(xiàn)場使用的是空水冷冷卻方式，所以現(xiàn)場房屋密封即可，變頻器面對面放置，變頻器兩側(cè)各留1米空間，后面距離墻各1.2米，兩臺變頻器中間留2米寬的過道。

變頻器外形尺寸寬×深×高=6850 mm×1400 mm×2400mm

房屋長×寬×高=11000mm×7800mm×5000mm，磚混結(jié)構(gòu)，房頂采用鋼梁加瓦楞板，水泥澆筑結(jié)構(gòu)。

圖2  新建變頻器室平面布置圖

2022年5月份改造22電動給水泵，22給水泵變頻安裝在空冷島下面閑置的熱控操作室內(nèi)。

3．2  空水冷卻系統(tǒng)

空水冷卻系統(tǒng)是一種高效、環(huán)保、節(jié)能的冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)采用密閉冷卻方式循環(huán)降溫，使整個變頻器室氣體不受外界環(huán)境影響。高壓變頻器在運(yùn)行中產(chǎn)生的高溫氣體，通過風(fēng)道及增壓風(fēng)機(jī)傳輸至空水冷設(shè)備內(nèi)的熱交換器進(jìn)行熱交換，由低于32℃溫度的冷卻水通過換熱器直接將熱量帶走，高溫氣體經(jīng)過降溫冷卻后進(jìn)入變頻器室內(nèi)，形成空氣的密閉循環(huán)。此冷卻方案保證了高壓變頻器室內(nèi)氣體的潔凈度、溫度、濕度各項(xiàng)指標(biāo)，滿足變頻器對運(yùn)行環(huán)境的要求，大大提高了設(shè)備的穩(wěn)定性。

圖3  空水冷卻系統(tǒng)示意圖

每套變頻器共需要兩套制冷量80kW的空水冷，變頻間設(shè)置隔熱吊頂，變頻器柜頂風(fēng)機(jī)內(nèi)嵌在頂層里面，柜頂預(yù)留兩個檢修口，方便柜頂風(fēng)機(jī)檢修。

3.3 空水冷循環(huán)水

冷卻水要求：使用現(xiàn)場的工業(yè)冷卻開式循環(huán)水，PH=7，經(jīng)沉淀，過濾后的工業(yè)中水或其他水源，水中應(yīng)無混雜物及帶有腐蝕性的化學(xué)物質(zhì)，無腐蝕鋼鐵的雜質(zhì)，溫度≤32℃，水壓0.2-0.4MPa，進(jìn)出水壓差≥0.1MPa，單臺空水冷用水冷為：16m3/h，單臺空水冷電源要求為：三相四線制，5kVA，運(yùn)行時(shí)要求變頻器室密閉。

圖4  空水冷循環(huán)水示意圖

4 熱控改造

#2機(jī)組給水泵組給水泵變頻改造主要改造內(nèi)容包括：增加0-50Hz變頻電源，將液力耦合器返廠改造為增速齒輪箱，滿足機(jī)組安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)要求。在機(jī)務(wù)部分改造的同時(shí)，也對變頻調(diào)速部分涉及到軟硬件邏輯設(shè)計(jì)組態(tài)及其相關(guān)操作監(jiān)視畫面進(jìn)行了修改完善。

4.1 給水自動控制

邏輯修改后，變頻方式下的給水自動控制，基本保持原有三沖量調(diào)節(jié)方式，將原有的調(diào)節(jié)指令和反饋對象勺管更改為變頻器調(diào)速指令，需重新調(diào)整三沖量的PID參數(shù)，參數(shù)視情況而定。

變頻器改造后，21萬負(fù)荷一下，21泵23泵投自動運(yùn)行，將原來控制的對象液偶更改為變頻器，再將三沖量 PI 控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。21萬負(fù)荷以上，三臺給水泵全部投自動運(yùn)行。

4.2連鎖控制

本次改造三臺35%電動給水泵全部進(jìn)行變頻改造，液力耦合器改造為增速齒輪箱，變頻主回路不設(shè)旁路運(yùn)行方式，21和23兩泵改變頻運(yùn)行后，當(dāng)其中一臺變頻運(yùn)行出問題后（假定21泵），聯(lián)啟22泵（變頻運(yùn)行），此時(shí)23泵變頻運(yùn)行和22泵變頻運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷高于21萬時(shí)，三臺給水泵全部變頻運(yùn)行，當(dāng)其中一臺給水泵故障后（包含變頻器故障及其它給水泵跳閘信號），直接觸發(fā)給水RB動作，機(jī)組自動快速降負(fù)荷。當(dāng)負(fù)荷小于21萬時(shí)復(fù)位RB。觀察機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力、主汽溫度、一次風(fēng)量、床溫床壓、給水流量、汽包水位等參數(shù)均在正常波動允許范圍內(nèi)。

5改造施工過程

5.1 液偶改造概述

本項(xiàng)目實(shí)施前的邊界為：鍋爐給水泵3臺、前置泵3臺、增速器3臺、液力偶合器3臺，由3臺電動機(jī)同時(shí)拖動，給水泵通過Y0CQ465型液力偶合器滑差調(diào)速，而前置泵與給水泵電動機(jī)同步恒速轉(zhuǎn)動。

本項(xiàng)目實(shí)施后邊界包括：保留原有的鍋爐給水泵3臺、前置泵3臺、增速器3臺及電動機(jī)3臺。新增設(shè)備有4500kVA高壓變頻器3套，新增變頻器防塵電子間及冷卻系統(tǒng)。

將原有的YOCQ465型液力偶合器去除泵輪、渦輪、渦輪套等中間液力傳動元件，改為聯(lián)軸器連接；每臺給水泵組的3臺潤滑油泵更改為2臺小容量油泵，采用一用一備方式運(yùn)行；修改DCS控制邏輯。

對液力偶合器原有的泵渦輪系統(tǒng)進(jìn)行改造，即將偶合器的泵輪軸與渦輪軸使用聯(lián)軸器直連，使得偶合器改造結(jié)束后，泵輪軸與渦輪軸之間不再有滑差損失。采用變頻驅(qū)動后，無需工作油，只需滿足潤滑油壓即可。去除原有3臺（兩用一備）大功率油泵，改造為兩臺（一用一備）小功率油泵，使油系統(tǒng)滿足變頻運(yùn)行時(shí)潤滑油壓的要求，確保改造后的潤滑油的運(yùn)行參數(shù)與改造前現(xiàn)有的運(yùn)行參數(shù)一致。

5.2 液偶改造過程

液力偶合器整機(jī)返廠，箱體重新上鏜床找正，關(guān)鍵尺寸及形位公差檢驗(yàn)。去除執(zhí)行機(jī)構(gòu)，更換雙聯(lián)濾清器。將箱體執(zhí)行器面全部銑平，重新設(shè)計(jì)鉑熱電阻凸臺，新雙聯(lián)濾清器底座墊條等。焊接相關(guān)箱體零件。

    旋轉(zhuǎn)組件將中間外殼、背殼、泵輪、渦輪等全部取消，只留下輸入軸與輸出軸，中間采用膜片聯(lián)軸器進(jìn)行連接。因箱體中間部位兩軸瓦間距過小設(shè)計(jì)成螺栓連接，兩軸頭設(shè)計(jì)為法蘭盤帶相應(yīng)止口將單膜片聯(lián)軸器嵌入其中。連接螺栓采用12.9級螺栓，保證強(qiáng)度。

為保證偶合器在極端狀況下仍可堅(jiān)持運(yùn)轉(zhuǎn)。所有軸瓦換新，兩軸重新設(shè)計(jì)。

因無需工作油，所以將勺管殼體出油口與箱體上工作油進(jìn)油口用盲法蘭盲死，拆除相應(yīng)管路。勺管口處加裝加油口。

新雙聯(lián)濾清器采用SPL40-C側(cè)置式，油濾器運(yùn)行可靠，維修方便，可以實(shí)現(xiàn)不停機(jī)轉(zhuǎn)換清洗等功能。外部管路與油濾器配合，潤滑油經(jīng)過油濾器后，一部分進(jìn)入偶合器中潤滑各軸瓦，一部分進(jìn)入齒輪箱。

新機(jī)采用新型一體鎧裝式鉑熱電阻與銅鼓卡套接頭，精密不漏油。

改造后更換小流量油泵。重新設(shè)計(jì)泵架。泵架外部出油管與原溢流閥處重新配管。油泵與電機(jī)連接采用膜片聯(lián)軸器，提高穩(wěn)定性。電機(jī)選用7.5kW。

液力偶合器出廠試驗(yàn)，包括旋轉(zhuǎn)組件動平衡實(shí)驗(yàn)、整機(jī)試車、壓力振動試驗(yàn)等。其中動平衡實(shí)驗(yàn)重新設(shè)計(jì)胎具，計(jì)算旋轉(zhuǎn)組件重心。保證動平衡精度高于G2.5級。

整機(jī)試車，偶合器整體測量16個點(diǎn)振幅，標(biāo)準(zhǔn)要求不超過25μm，潤滑油濾前濾后壓力在0.15—0.2MPa。

整機(jī)出廠用國內(nèi)最先進(jìn)的交流變頻無級調(diào)速試驗(yàn)臺，逐臺進(jìn)行出廠試驗(yàn)。檢測偶合器的振動、噪音、油泵流量、儀表狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)行溫升試驗(yàn)進(jìn)行滲漏檢查。

5.3  機(jī)組不停機(jī)，變頻改造施工過程

2020年變頻改造期間，因?yàn)橐诠峒鹃_始之前完成，工期緊，任務(wù)重。合康變頻公司與國錦煤電公司數(shù)次研究，最終采用了“施工不停機(jī)”創(chuàng)新改造方案。

第一步：在機(jī)組正常運(yùn)行情況下，完成備用液力偶合器返廠改造，并完成土建部分，設(shè)備就位，電纜敷設(shè)，變頻器端接線等工作；

第二步：備用液力偶合器返回國錦。機(jī)組限負(fù)荷運(yùn)行(210MW以下運(yùn)行)，在確保22、23電動給水泵正常運(yùn)行的情況下，在3天內(nèi)高效施工改造停運(yùn)中的21電動給水泵。

第三步：確保改造后的21給水泵運(yùn)行穩(wěn)定后，及時(shí)對23電動給水泵進(jìn)行施工改造，確保了在改造既定時(shí)間點(diǎn)內(nèi)順利完工。

施工進(jìn)度如下：

2020年9月23日給水泵變頻器土建動土；

10月8日電氣施工隊(duì)進(jìn)廠，高低壓電纜敷設(shè)；

10月13日給水泵變頻器安裝；

10月20日21給水泵停電開始施工，

10月22日21給水泵變頻器帶電調(diào)試；

10月23日#2機(jī)組21給水泵變頻器投運(yùn)；

10月27日23給水泵停電開始施工

10月30日#2機(jī)組23給水泵變頻器投運(yùn)。

#2機(jī)組21及23給水泵變頻器改造總工期38天。22給水泵為2022年5月份完成。

6結(jié)論

山西國錦煤電有限公司對其2# 機(jī)組的3臺給水泵變頻改造，一共分兩次進(jìn)行。給水電泵變頻改造工作包括熱工部分，機(jī)務(wù)部分，電氣部分，且均已完成，機(jī)組給水泵已正常投運(yùn)。熱工部分進(jìn)行邏輯組態(tài)搭建的工作均已完成，且機(jī)組給水泵經(jīng)變頻改造后，給水泵已正常投入，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

機(jī)械調(diào)節(jié)取消液偶勺管控制部分后，軸傳輸溫度可控、振動小，設(shè)備可靠性高；且沒有傳輸損耗。

而節(jié)能測試結(jié)果，3臺電動給水泵變頻改造后每天節(jié)約電量約3.6萬千瓦時(shí)，給水耗電單耗下降3.04kWh/t汽，平均節(jié)電率為20%以上，2 #機(jī)組電泵變頻改造前給水泵廠用電耗電率在3%以上，改造后廠用電耗電率下降1%左右。供電煤耗下降3.09g/kWh

在電泵變頻改造安全性方面，高壓變頻器可做到啟動轉(zhuǎn)矩高，并且平滑無沖擊，可以有效延長電機(jī)的使用壽命，減少對電網(wǎng)的沖擊，保證機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。同時(shí)因?yàn)楦邏弘姍C(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動，而電動機(jī)的啟動電流只是額定電流，啟動的時(shí)間延長，不會導(dǎo)致廠用電母線電壓降低。另外合康給水泵專用型高壓變頻器自身的優(yōu)勢也為機(jī)組運(yùn)行提供了可靠保證。

系統(tǒng)應(yīng)用圖如下：

 施工過程圖

局部圖

整體圖

參數(shù)圖