M701F联合循环机组给水系统节能改造

引言

某电厂引进三菱/东汽联合生产的M701F燃气蒸汽联合循环机组,采用三压、再热、卧式、无补燃、自然循环余热锅炉。原设计锅炉给水系统采用高中压合泵的定速给水泵,这种方式在机组启停及低负荷阶段给水调门开度较小,存在较大的节流损失,作为两班制运行调峰电厂,对给水系统进行节能改造很有必要。常用的节能技术有电机变频技术、液力耦合技术、永磁调速技术等,通过对比分析,该电厂选用了电机变频方案,高中压给水系统由高中压给水泵单泵运行改为分泵运行,新增两台中压给水泵,其中高压泵电机变频运行,中压泵电机工频运行。

1高中压给水系统改造前后简介

1.1高中压给水系统异动情况

高中压给水系统的主要作用是为高中压汽包补水,同时也为高压过热器、再热器及高压旁路减温器提供减温水。节能改造前,高压给水及高过减温水取自高中压给水泵出口,中压给水、再热器减温水及高旁减温水取自高中压给水泵中间抽头。高压给水泵变频改造后,考虑低频运行时无法同时满足高中压给水需求,故新增一套中压给水系统,中压给水及再热器减温水改由中压给水泵供水,高旁减温水仍取自高中压给水泵中间抽头。系统流程如图1所示。

1.2变频改造后接线特点

原设计高中压给水泵一运一备,两台高中压给水泵电机分别由两台6kV开关供电。变频改造采用"一拖二加旁路"方式,即一台变频器可分别拖动两台给水泵,设置一台6kV开关单独给高压给水变频器供电,变频器输出端分两路分别引至高压给水泵电源开关出线处,变频接线如图2所示。

变频器制造商为广州智光,型号为Zinvert-A6H2500/06B,GSA、GSB为手动刀闸,0FA、0FB为真空接触器。当给水泵由变频器驱动时,通过逻辑闭锁对应给水泵6kV电源开关合闸,处于备用的给水泵仍可通过自身电源开关启动,变频器不能同时拖动两台给水泵运行。当变频器故障时,两台给水泵均可工频启动。在保留原有接线条件下新增变频回路接线方式,接线简单灵活,但需要配置一套可靠的逻辑闭锁系统。主要的电气闭锁关系如表1所示。

为实现变频系统电气设备的"五防"闭锁,原两台给水泵工频电源开关(分别为0F1、0F2)和新增0F3开关地刀增加电磁锁,该部分电磁锁为直流电磁锁,其电源分别为开关的控制电源,电磁锁的动作原理为带电解锁。

由于本次改造牵涉到的联锁、闭锁回路较多,很多闭锁回路采用的是开关的转换接点,必须在变频器、变频器各旁路柜、0F1、0F2、0F3等的控制电源送上的情况下闭锁才起作用,因此在进行各项操作时务必送上上述回路的控制电源。

2变频改造后相关控制逻辑变动

2.1汽包水位控制逻辑

高中压汽包水位控制采用的是汽包水位、蒸汽流量和给水流量组成的三冲量调节,根据蒸汽流量高低分别采用单冲量调节和三冲量调节[3]。控制核心是三个比例积分器,单冲量调节单独采用一个比例积分器,三冲量调节采用两个比例积分器,单冲量调节时比例积分输入为汽包水位偏差,三冲量调节则叠加了蒸汽流量与给水流量差值作为比例积分器输入,控制输出值即作为执行机构输出。控制逻辑框图如图3所示。

变频器频率控制也沿用这种控制算法,即频率输出也采取三冲量调节模式。但变频运行时高压汽包水位控制较为复杂,采用的是高压给水调门与变频器联合控制。

变频运行时,设有两种控制模式:闭环控制模式和开环控制模式。闭环控制下,变频最小频率为负荷的函数,水位调节主要通过调门调节,这种模式下仍存在一定节流损失,故一般不采用:开环控制模式下,低负荷阶段变频器设定在最小频率下运行,给水流量由给水调门调节,此时变频器频率处于锁定状态。随着负荷上升,给水需求量上升,调门不断开大至90%,此时调门将锁定不动,给水流量转由变频器频率调节,调节过程中如果出现水位偏离正常水位较多、备泵联启、变频退出自动等异常情况时,高压给水调门自动解除闭锁参与水位调节。联合调节在保证安全的条件下尽可能减少调门节流损失,从而达到节能的目的。

开环运行频率最小设定为可变值,主要依据给水泵电机冷却、电机振动、减温水压力、给水压力与汽包压力差值等因素确定,一般在30~38Hz,当给水母管压力对汽包压力的差值不足0.28MPa时,最小压力按一定速率向上提升,直至压差满足要求。

中压系统未进行变频改造,原水位控制逻辑基本不变,给水调门根据运行情况选择三冲量或单冲量中压汽包水位调节。

2.2给水泵联锁功能

变频改造后,给水泵原联锁逻辑保留不动,即当给水泵工频运行时,原有高压给水泵间的联锁功能仍不变,原有的高压给水母管压力低联锁启动备用泵的功能只在工频运行时起作用。

变频运行时,原给水泵出口压力低联锁启动备用泵逻辑已不适用,此时这部分逻辑被屏蔽。新增两种联锁启备泵条件:(1)闭环模式联锁启动工频备用泵的条件是给水母管压力超过汽包压力不足0.2MPa,这种联泵方式在变工况时容易导致备泵联启,现一般不采用:(2)开环模式联锁启动工频备用泵的条件是汽包水位低于-450mm,高压包正常水位波动情况下不会导致备泵联启。

3节能改造后运行出现的异常情况

3.1变频器故障引起给水泵跳闸

变频器故障分轻故障和重故障,轻故障动作发报警,重故障动作直接跳变频器。发生轻故障时变频器虽可继续运行,但也须及时处理,以防发展成为重故障。变频改造多年来该厂已发生多起因变频器故障导致的给水泵跳闸,但所幸未造成事故扩大。引起变频器跳闸的原因很多,但多数为功率模块故障,更换故障模块后则恢复正常。

某电厂由于冷却系统异常停运曾造成过给水变频功率单元超温跳闸。事故时机组启动选SFC由于谐波滤波柜受潮发生接地短路,厂用电电压瞬间下降,故障切除后恢复,电压低导致变频室空调跳闸,变频装置运行时发热量较大,变频器热量积聚导致功率柜超温跳闸。

为提高变频器运行可靠性,该电厂配置了一套可靠的冷却系统及监控系统。三台机给水泵变频器统一安装于单独设立的电气室,室内采用中央空调加独立空调双套配置,变频室内装有温度探头,温度信号接入DCS系统,当温度超过正常范围可发出报警,提醒运行人员关注。

3.2机组启动时中压给水泵频繁联启

某电厂#3机组中压给水泵在机组启动过程频繁联启,造成中压汽包水位波动,增加了运行风险,也缩短了设备的使用寿命。以某日#3机温态启动为例,机组转速1450r/min左右,中压系统疏水阀陆续关闭,中压汽包水位持续下降至-190mm(水位设定值为-150mm),给水调门快速开至62%,流量约60t/t,中压给水泵出口压力降至联泵值(4.0MPa),备用给水泵联启。负荷到46Mw时,此时高旁开启,中压汽包水位快速降至-116mm(此时水位设定值为0),给水调门快速开至94%,出口压力下降,备泵再次联启。

联启一般发生在中压系统疏水门关闭或高压旁路阀开启时,中压汽包水位突然下降,虚假水位导致中压给水调门突然开大,中压给水泵出口压力突然下降后中压泵联启,温热态启动联启较为突出,这与#3机组中压系统调节特性有关,但归根到底还是中压泵选型出力裕量不足。通过修改中压系统疏水阀关闭时间,避免多个疏水阀同时关闭造成水位剧烈波动,联启现象有所改善,但问题仍存在,需要进一步改善旁路系统调节速率,防止中压汽包水位波动过于剧烈。

3.3高过减温水量不足导致过热器超温

某日,#1机负荷270Mw,AGC控制降负荷至240Mw,高压给水泵频率从41Hz逐渐下降至39Hz左右,燃机排气温度从592℃逐渐升高,高过出口温度从541℃逐渐升高,减温阀开度从24%逐渐开大,当燃气温度升至599℃,减温阀开度已开至100%,但高压给水泵频率为39.7Hz,减温水流量仅为2.44t/h,高过出口温度升至546℃,机组RB。

又如某日,#3机负荷200Mw,AGC控制升负荷至330Mw,燃机排气温度从560℃逐渐升高,高过出口温度从521℃逐渐升高,减温阀开度从0%逐渐开大。09:18,机组负荷升至329Mw时,燃气温度升至588℃,高过出口蒸汽温度升至544.8℃,减温阀开度已开至100%,但减温水流量仅为5.07t,运行当值将高压给水泵频率从40.3Hz手动提高至48.3Hz,高过减温水流量升至10t/h,高过出口蒸汽温度开始回落至正常值。

两起高过超温事件均表明高压给水泵低频率运行下,减温水流量出现了不足现象。一般情况下,变频运行不会引起减温水流量不足,但变频运行降低了减温调节裕度,需要运行人员关注,必要时应手动干预提高频率。

4结语

电机变频调速有着效率高、功率因数高、调速性能好、启动平稳等优点,广泛应用于各电厂节能改造中。然而,节能不可避免地牺牲了一部分设备寿命及运行安全可靠性,但总体可控。改造多年来,系统运行平稳,节能效果良好。