凝結(jié)水泵變頻調(diào)速控制改造

陳華樁

（福建江隆水利水電工程有限公司，福建 龍巖 364000）

對(duì)于一用一備的重要輔機(jī)，采用脈寬可調(diào)的變頻控制方式無疑可以節(jié)約廠用電，但一臺(tái)變頻器帶一臺(tái)電動(dòng)機(jī)（一拖一）的方式明顯增加了投資，純可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制方式也不利于模擬量自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制策略優(yōu)化。一拖二接線、PLC和分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）聯(lián)合控制方式解決了上述問題。

1 凝結(jié)水系統(tǒng)工藝流程

某公司裝機(jī)容量為2×300MW循環(huán)流化床熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。每臺(tái)機(jī)組分別安裝有一用一備2臺(tái)110%容量立式凝結(jié)水泵，其主要參數(shù)如表1。為有效降低某廠用電，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，該公司使用工程招標(biāo)的方式進(jìn)行凝結(jié)水泵變頻控制改造。

表1 凝結(jié)水泵主要技術(shù)參數(shù)

凝結(jié)水系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。汽輪機(jī)低壓缸排汽經(jīng)凝汽器后凝結(jié)成水→凝結(jié)水泵→軸封加熱器→除氧器水位調(diào)節(jié)閥（另一路經(jīng)凝結(jié)水最小流量調(diào)節(jié)閥回到凝汽器）→8＃7＃6＃5＃低壓加熱器→除氧器，除氧后凝結(jié)水經(jīng)給水泵增壓后成為鍋爐給水。

凝結(jié)水泵把凝結(jié)水經(jīng)低壓加熱器加熱后送入除氧器，維持除氧器水位穩(wěn)定。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，凝汽器內(nèi)的水位主要根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升高時(shí)，凝結(jié)水流量增加，凝汽器內(nèi)的水位相應(yīng)升高；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低時(shí)，凝汽器內(nèi)水位相應(yīng)降低。要使凝汽器和除氧器這兩個(gè)容器處于良好的工作狀態(tài)，一個(gè)最重要的因素是要保證它們的水位在正常范圍，凝汽器水位一般靠熱井補(bǔ)水來維持，本文不再贅述。本文僅討論除氧器水位調(diào)節(jié)。如圖1所示，除氧器水位調(diào)節(jié)的執(zhí)行器包括除氧器水位調(diào)節(jié)閥、凝結(jié)水最小流量調(diào)節(jié)閥和凝結(jié)水泵變頻調(diào)速裝置。

圖1 凝結(jié)水系統(tǒng)工藝過程簡(jiǎn)圖

2 凝結(jié)水泵變頻改造電氣一次接線

改變?cè)确謩e由6kV A段母線單獨(dú)供電A凝結(jié)水泵、6kV B段母線單獨(dú)供電B凝結(jié)水泵的情況，改造成如圖2所示的“自動(dòng)／手動(dòng)一拖二”的接線方式。圖中，QS1～QS4為旁路柜內(nèi)的高壓隔離刀閘，QF1和QF2為高壓開關(guān)柜，U為變頻器，M1、M2為凝結(jié)水泵異步電動(dòng)機(jī)。KM2與KM3、KM5與KM6可靠機(jī)械互鎖，KM1與KM4、KM2與KM5可靠電氣互鎖，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

圖2 凝結(jié)水泵變頻改造電氣一次線路圖

6kV電源經(jīng)2個(gè)斷路器接到高壓變頻裝置。變頻裝置輸出經(jīng)隔離開關(guān)分別送至2臺(tái)電動(dòng)機(jī)，即變頻運(yùn)行方式；6kV電源還可經(jīng)旁路隔離開關(guān)直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，即工頻運(yùn)行方式。變頻器帶A泵或B泵運(yùn)行，一旦變頻裝置出現(xiàn)故障關(guān)閉，即可馬上斷開變頻器進(jìn)線及出線接觸器，將變頻裝置隔離。同時(shí)，可將運(yùn)行電動(dòng)機(jī)切至工頻回路或?qū)溆秒妱?dòng)機(jī)投入運(yùn)行。在工頻電源下，起動(dòng)備用電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可通過手動(dòng)操作KM1～KM6隔離柜將A泵或B泵切至工頻運(yùn)行或變頻運(yùn)行（定期切換）。兩臺(tái)凝結(jié)水泵共用一臺(tái)變頻器，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)變頻運(yùn)行，另一臺(tái)投工頻備用；當(dāng)變頻運(yùn)行故障跳閘時(shí)，另一臺(tái)投工頻的泵自啟動(dòng)。

3 凝結(jié)水泵變頻器系統(tǒng)

凝結(jié)水泵變頻器改造采用高－高電壓源型變頻系統(tǒng)，通過交－直－交變換實(shí)現(xiàn)變頻輸出。變頻器分為主電路和控制電路兩部分。對(duì)電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為變頻器的主電路。主電路包括手動(dòng)／自動(dòng)旁路柜、移相變壓器、功率單元。向主電路提供保護(hù)、控制及信號(hào)的電路稱為控制電路，包括主控箱、工控機(jī)及PLC系統(tǒng)［1］。凝結(jié)水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)如圖3所示，各組成部分的作用如表2所示。

圖3 凝結(jié)水泵變頻器調(diào)速控制示意圖

表2 凝結(jié)水泵變頻器控制系統(tǒng)組成及作用

當(dāng)變頻器處于本控狀態(tài)時(shí)，操作人員通過工控人機(jī)主界面對(duì)變頻器直接進(jìn)行啟動(dòng)、設(shè)定運(yùn)行頻率、停機(jī)、急停和復(fù)位等操作；當(dāng)變頻器處于遠(yuǎn)控狀態(tài)時(shí)，操作人員可在DCS操作員站上對(duì)變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程急停、遠(yuǎn)程復(fù)位、變頻切工頻、一鍵啟動(dòng)、一鍵停止及頻率指令給定等操作，此時(shí)變頻系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，只接收DCS頻率給定，可充分利用DCS系統(tǒng)的強(qiáng)大模擬量處理功能重新構(gòu)成閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)［2］。如圖3中紅色虛線所示，遠(yuǎn)控狀態(tài)下工控機(jī)只作監(jiān)視器用，DCS和PLC構(gòu)成功能強(qiáng)大的聯(lián)合系統(tǒng)。

4 改造施工

4.1 施工程序

在做好工程招標(biāo)、工程設(shè)計(jì)、土建施工（主要搭建變頻小室）、設(shè)備采購等前期準(zhǔn)備工作后，辦理工作施工單參照異動(dòng)方案分專業(yè)有序開始施工。先進(jìn)行工頻盤路柜、移相變柜、功率柜、控制柜安裝，再進(jìn)行動(dòng)力電纜、控制電纜敷設(shè)，待熱控完成DCS模塊增容（增加模入點(diǎn)2個(gè)、模出點(diǎn)1個(gè)、開入點(diǎn)31個(gè)、開出點(diǎn)23個(gè)共計(jì)57個(gè)檢測(cè)控制點(diǎn)）和軟件組態(tài)后，進(jìn)行電纜對(duì)線接線、送電調(diào)試、空載試轉(zhuǎn)、帶載投運(yùn)等工作。

4.2 施工方法

將變頻器的調(diào)節(jié)功能和除氧器水位反饋信號(hào)接入DCS系統(tǒng)控制，在DCS系統(tǒng)進(jìn)行變頻器的頻率自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速和水量的自動(dòng)和手動(dòng)控制。同時(shí)，將變頻器的保護(hù)、監(jiān)視、聯(lián)鎖信號(hào)接入DCS系統(tǒng)。為了保證變頻器具有良好的運(yùn)行環(huán)境，確保變頻室內(nèi)溫度不超過40℃，在凝結(jié)水泵變頻小室內(nèi)安裝了2臺(tái)11.62kW空調(diào)對(duì)變頻器進(jìn)行冷卻。針對(duì)變頻器功率模塊散發(fā)熱量多的情況，在變頻器功率柜頂部排風(fēng)扇加裝了通風(fēng)道，將熱風(fēng)引出室外，有效地解決了變頻器溫度過高的問題，同時(shí)減少了空調(diào)冷卻制冷的耗電量。

4.3 工期控制

工程從2011年1月22日正式施工，2011年2月22日竣工，帶載模擬各種工況運(yùn)行一周后，于2011年2月28日完成設(shè)備運(yùn)行總驗(yàn)收，做好各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)并完成設(shè)備異動(dòng)竣工報(bào)告，后續(xù)工作轉(zhuǎn)為設(shè)備節(jié)能分析和運(yùn)行維護(hù)。

5 節(jié)能分析

5.1 控制性能分析

由于變頻調(diào)速裝置的功率單元采用了先進(jìn)的絕緣柵雙極型功率管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）逆變橋（圖4中 A＋、A－、B＋、B－全控晶閘管等組成［3］），工作頻率可在10～20kHz之間，輸出波形為脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）［4］波形，大大減小了諧波分量和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)幅度，功率單元疊加后輸出波形正弦度好，從而使異步電動(dòng)機(jī)能在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，不存在調(diào)節(jié)閥死區(qū)、空行程大等影響控制精度的問題，這正是變頻調(diào)速能實(shí)現(xiàn)精密控制的關(guān)鍵所在。

圖4 變頻器功率單元結(jié)構(gòu)和輸出波形

當(dāng)變頻器處在遠(yuǎn)控狀態(tài)，即構(gòu)成DCS和PLC聯(lián)合控制系統(tǒng)（如圖3所示）時(shí)，可以把除氧器水位、除氧器壓力、除氧器溫度、轉(zhuǎn)速反饋等模擬量信號(hào)加入到復(fù)雜的DCS頻率給定運(yùn)算邏輯中，甚至還可以把與現(xiàn)代先進(jìn)控制理論相對(duì)應(yīng)的邏輯加入到DCS中，從而大大改善變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。

5.2 改造費(fèi)用

項(xiàng)目按照“一拖二方式”（兩臺(tái)凝結(jié)水泵共用一臺(tái)變頻器）施工（如圖2所示），可比“一拖一方式”（兩臺(tái)凝結(jié)水泵用兩臺(tái)變頻器）節(jié)省約50%施工費(fèi)用。凝泵變頻改造各項(xiàng)費(fèi)用如表3所示。

表3 凝泵異動(dòng)投入材料及費(fèi)用統(tǒng)計(jì)表

5.3 節(jié)能分析

按照電機(jī)學(xué)的基本原理，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足關(guān)系式［5］n＝60f（1－s）／p。由式可知，在電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)p、轉(zhuǎn)差率s不變的情況下，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n正比于供電頻率f。由流體力學(xué)可知，P（功率）＝Q（流量）×H（壓力），即流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。若水泵的效率一定，當(dāng)調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速將成比例下降，此時(shí)輸出功率成立方關(guān)系下降，即水泵電動(dòng)機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速約成立方比關(guān)系，可見降低轉(zhuǎn)速大大降低軸功率，從而達(dá)到節(jié)電的目的，這就是變頻器的調(diào)速節(jié)能原理。

關(guān)于凝結(jié)水泵變頻調(diào)速控制能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能的原因，還可以站在自動(dòng)控制的角度加以分析。如圖1所示，凝結(jié)水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)各執(zhí)行器的用途如表4所示。在工頻狀態(tài)下，除氧器水位調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)除氧器水位，凝結(jié)水最小流量調(diào)節(jié)閥調(diào)整凝結(jié)水母管壓力。凝結(jié)水泵無論機(jī)組負(fù)荷高低均保持額定轉(zhuǎn)速1480r／min，即凝結(jié)水泵出口保持高壓頭。當(dāng)負(fù)荷較低時(shí)，為了使除氧器水位在正常值，必須調(diào)整除氧器水位調(diào)節(jié)閥以相應(yīng)減少凝結(jié)水流量；當(dāng)凝結(jié)水流量變得很小時(shí)，凝結(jié)水泵無法正常工作，此時(shí)應(yīng)打開凝結(jié)水最小流量調(diào)節(jié)閥，以維持凝結(jié)水泵正常運(yùn)行。在高壓頭下，除氧器水位調(diào)節(jié)閥關(guān)小，節(jié)流損失較大，而此時(shí)若打開凝結(jié)水最小流量調(diào)節(jié)閥，則由于開度很小節(jié)流損失更大，且僅作為凝結(jié)水泵正常運(yùn)行的附帶條件，不對(duì)除氧器水位產(chǎn)生調(diào)節(jié)效果。在變頻狀態(tài)下，由調(diào)節(jié)性能更好的凝泵變頻調(diào)節(jié)裝置代替除氧器水位調(diào)節(jié)閥擔(dān)任主要的除氧器水位調(diào)節(jié)任務(wù)；擔(dān)任凝結(jié)水母管壓力調(diào)節(jié)任務(wù)的除氧器水位調(diào)節(jié)閥盡量保持全開，凝結(jié)水最小流量調(diào)節(jié)閥無調(diào)節(jié)任務(wù)保持全關(guān)，有效降低了節(jié)流損耗。

表4 凝結(jié)水系統(tǒng)執(zhí)行器的用途

工程試驗(yàn)中，安排凝結(jié)水泵分別在工頻方式和變頻方式下運(yùn)行，記錄機(jī)組典型工況時(shí)凝結(jié)水泵的電流，見表5。由表中數(shù)據(jù)可知，機(jī)組負(fù)荷越低，輸入電流降得越多，凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)輸入的功率越低，節(jié)電效果越明顯。本文采用估算法進(jìn)行節(jié)能分析（還有一種常用的測(cè)量統(tǒng)計(jì)法，即將變頻方式機(jī)組發(fā)電量和凝泵耗電量直接與工頻數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。估算法簡(jiǎn)單快捷，用過去推算將來；測(cè)量統(tǒng)計(jì)法按月度、季度或年度計(jì)算，統(tǒng)計(jì)周期長(zhǎng)但較為準(zhǔn)確。估算法的結(jié)論需要測(cè)量統(tǒng)計(jì)法的結(jié)論來驗(yàn)證）。根據(jù)表5數(shù)據(jù)計(jì)算得到變頻器的平均節(jié)電率不低于45%，按2010年電廠發(fā)電量27TW·h計(jì)算，工頻狀態(tài)凝結(jié)水泵電耗0.4447%，則凝泵將節(jié)約廠用電（27×108×0.45×0.004447＝5403105）約540GW·h。按稅后電價(jià)0.3489／（kW·h）計(jì)算，折合約（5403105×0.3489＝1885143）約180萬元。該項(xiàng)目投資約130萬元，預(yù)計(jì)不到一年即可回收成本。

表5 典型工況下凝結(jié)水泵電流比較

6 結(jié) 語

通過以上分析可知，自動(dòng)／手動(dòng)一拖二方式可在改造時(shí)減少投入，PLC和DCS聯(lián)合控制方式能充分發(fā)揮PLC強(qiáng)于邏輯量運(yùn)算和DCS強(qiáng)于模擬量控制的優(yōu)點(diǎn)，改善調(diào)節(jié)性能，有利于將現(xiàn)代先進(jìn)控制理論用于變頻調(diào)速控制。以變頻調(diào)速為核心的自動(dòng)調(diào)節(jié)模式為企業(yè)節(jié)能降耗開辟了重要途徑。

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