高壓變頻器在300MW機組給水泵上的應用

1.工程概況

山西國錦煤電有限公司成立于2008年10月10日，由晉能電力集團與山西美錦能源集團共同投資組建，工程靜態總投資26.2635億元，其中晉能電力集團出資51%，山西美錦能源集團出資49%，是山西省重點工程、兩區項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園區內，具有得天獨厚的區位優勢，距離太原市區50公里，北鄰307國道，西靠大運高速，地處山西省電網中心位置。

國錦煤電有限公司為2臺300MW循環硫化床機組，其中鍋爐由東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司生產，汽輪機由哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產，發電機由哈爾濱電機廠有限公司生產。國錦煤電每年發電量33億度，并為交城縣提供集中供熱熱源。

2.設備規范

山西國錦煤電2#機組配置三臺35%額定容量并列運行的電動給水泵， 改造前采用液力偶合器調節給水泵轉速控制給水流量。本次改造分兩步進行，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行變頻改造，2022年5月份對22電動給水泵組進行變頻改造，改造后電動給水泵組配備的主要設備有：變頻器、主給水泵、主電動機、電泵前置泵、潤滑油系統等組成。變頻器一端與6kV母線相連，另一端與電動機相連，電動機通過增速齒輪箱與給水泵連接，主電機一端拖動前置泵，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  改造前設備參數

改造前設備參數如表1所示。

表1  改造前設備參數表

2.2  變頻器參數

變頻器參數如表2所示。

表2  變頻器參數

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。

因現場使用的是空水冷冷卻方式，所以現場房屋密封即可，變頻器面對面放置，變頻器兩側各留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，磚混結構，房頂采用鋼梁加瓦楞板，水泥澆筑結構。

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。

3．2  空水冷卻系統

空水冷卻系統是一種高效、環保、節能的冷卻系統，系統采用密閉冷卻方式循環降溫，使整個變頻器室氣體不受外界環境影響。高壓變頻器在運行中產生的高溫氣體，通過風道及增壓風機傳輸至空水冷設備內的熱交換器進行熱交換，由低于32℃溫度的冷卻水通過換熱器直接將熱量帶走，高溫氣體經過降溫冷卻后進入變頻器室內，形成空氣的密閉循環。此冷卻方案保證了高壓變頻器室內氣體的潔凈度、溫度、濕度各項指標，滿足變頻器對運行環境的要求，大大提高了設備的穩定性。

圖3  空水冷卻系統示意圖

每套變頻器共需要兩套制冷量80kW的空水冷，變頻間設置隔熱吊頂，變頻器柜頂風機內嵌在頂層里面，柜頂預留兩個檢修口，方便柜頂風機檢修。

3.3 空水冷循環水

冷卻水要求：使用現場的工業冷卻開式循環水，PH=7，經沉淀，過濾后的工業中水或其他水源，水中應無混雜物及帶有腐蝕性的化學物質，無腐蝕鋼鐵的雜質，溫度≤32℃，水壓0.2-0.4MPa，進出水壓差≥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，運行時要求變頻器室密閉。

圖4  空水冷循環水示意圖

4 熱控改造

#2機組給水泵組給水泵變頻改造主要改造內容包括：增加0-50Hz變頻電源，將液力耦合器返廠改造為增速齒輪箱，滿足機組安全穩定經濟要求。在機務部分改造的同時，也對變頻調速部分涉及到軟硬件邏輯設計組態及其相關操作監視畫面進行了修改完善。

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節方式，將原有的調節指令和反饋對象勺管更改為變頻器調速指令，需重新調整三沖量的PID參數，參數視情況而定。

變頻器改造后，21萬負荷一下，21泵23泵投自動運行，將原來控制的對象液偶更改為變頻器，再將三沖量 PI 控制參數進行調整。21萬負荷以上，三臺給水泵全部投自動運行。

4.2連鎖控制

本次改造三臺35%電動給水泵全部進行變頻改造，液力耦合器改造為增速齒輪箱，變頻主回路不設旁路運行方式，21和23兩泵改變頻運行后，當其中一臺變頻運行出問題后（假定21泵），聯啟22泵（變頻運行），此時23泵變頻運行和22泵變頻運行。當機組負荷高于21萬時，三臺給水泵全部變頻運行，當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），直接觸發給水RB動作，機組自動快速降負荷。當負荷小于21萬時復位RB。觀察機組負荷、主汽壓力、主汽溫度、一次風量、床溫床壓、給水流量、汽包水位等參數均在正常波動允許范圍內。

5改造施工過程

5.1 液偶改造概述

本項目實施前的邊界為：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臺電動機同時拖動，給水泵通過Y0CQ465型液力偶合器滑差調速，而前置泵與給水泵電動機同步恒速轉動。

本項目實施后邊界包括：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3臺。新增設備有4500kVA高壓變頻器3套，新增變頻器防塵電子間及冷卻系統。

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行；修改DCS控制邏輯。

對液力偶合器原有的泵渦輪系統進行改造，即將偶合器的泵輪軸與渦輪軸使用聯軸器直連，使得偶合器改造結束后，泵輪軸與渦輪軸之間不再有滑差損失。采用變頻驅動后，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，使油系統滿足變頻運行時潤滑油壓的要求，確保改造后的潤滑油的運行參數與改造前現有的運行參數一致。

5.2 液偶改造過程

液力偶合器整機返廠，箱體重新上鏜床找正，關鍵尺寸及形位公差檢驗。去除執行機構，更換雙聯濾清器。將箱體執行器面全部銑平，重新設計鉑熱電阻凸臺，新雙聯濾清器底座墊條等。焊接相關箱體零件。

    旋轉組件將中間外殼、背殼、泵輪、渦輪等全部取消，只留下輸入軸與輸出軸，中間采用膜片聯軸器進行連接。因箱體中間部位兩軸瓦間距過小設計成螺栓連接，兩軸頭設計為法蘭盤帶相應止口將單膜片聯軸器嵌入其中。連接螺栓采用12.9級螺栓，保證強度。

為保證偶合器在極端狀況下仍可堅持運轉。所有軸瓦換新，兩軸重新設計。

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

新雙聯濾清器采用SPL40-C側置式，油濾器運行可靠，維修方便，可以實現不停機轉換清洗等功能。外部管路與油濾器配合，潤滑油經過油濾器后，一部分進入偶合器中潤滑各軸瓦，一部分進入齒輪箱。

新機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。重新設計泵架。泵架外部出油管與原溢流閥處重新配管。油泵與電機連接采用膜片聯軸器，提高穩定性。電機選用7.5kW。

液力偶合器出廠試驗，包括旋轉組件動平衡實驗、整機試車、壓力振動試驗等。其中動平衡實驗重新設計胎具，計算旋轉組件重心。保證動平衡精度高于G2.5級。

整機試車，偶合器整體測量16個點振幅，標準要求不超過25μm，潤滑油濾前濾后壓力在0.15—0.2MPa。

整機出廠用國內最先進的交流變頻無級調速試驗臺，逐臺進行出廠試驗。檢測偶合器的振動、噪音、油泵流量、儀表狀態，同時進行溫升試驗進行滲漏檢查。

5.3  機組不停機，變頻改造施工過程

2020年變頻改造期間，因為要在供熱季開始之前完成，工期緊，任務重。合康變頻公司與國錦煤電公司數次研究，最終采用了“施工不停機”創新改造方案。

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

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

第三步：確保改造后的21給水泵運行穩定后，及時對23電動給水泵進行施工改造，確保了在改造既定時間點內順利完工。

施工進度如下：

2020年9月23日給水泵變頻器土建動土；

10月8日電氣施工隊進廠，高低壓電纜敷設；

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試；

10月23日#2機組21給水泵變頻器投運；

10月27日23給水泵停電開始施工

10月30日#2機組23給水泵變頻器投運。

#2機組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結論

山西國錦煤電有限公司對其2# 機組的3臺給水泵變頻改造，一共分兩次進行。給水電泵變頻改造工作包括熱工部分，機務部分，電氣部分，且均已完成，機組給水泵已正常投運。熱工部分進行邏輯組態搭建的工作均已完成，且機組給水泵經變頻改造后，給水泵已正常投入，機組運行穩定，滿足設計要求。

機械調節取消液偶勺管控制部分后，軸傳輸溫度可控、振動小，設備可靠性高；且沒有傳輸損耗。

而節能測試結果，3臺電動給水泵變頻改造后每天節約電量約3.6萬千瓦時，給水耗電單耗下降3.04kWh/t汽，平均節電率為20%以上，2 #機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矩高，并且平滑無沖擊，可以有效延長電機的使用壽命，減少對電網的沖擊，保證機組的安全可靠運行。同時因為高壓電機實現了軟啟動，而電動機的啟動電流只是額定電流，啟動的時間延長，不會導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勢也為機組運行提供了可靠保證。

系統應用圖如下：

 施工過程圖

局部圖

整體圖

參數圖