660MW 機(jī)組凝泵變頻在節(jié)能改造中優(yōu)化控制

朱延海 岳建華 馬天霆 史文韜

（1.神華江蘇國華陳家港發(fā)電有限公司，江蘇省鹽城市，224631；2.神華國華 （北京）電力研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100025）

為了節(jié)能減排，挖掘節(jié)能潛力，發(fā)電廠將與負(fù)荷曲線有一定關(guān)系的電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻控制，其中凝結(jié)水泵變頻控制可減少除氧器上水調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失和低負(fù)荷時(shí)凝結(jié)水再循環(huán)損失，凝泵實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)后，需要解決的問題是在凝結(jié)水母管壓力滿足凝結(jié)水用戶的要求情況下，如何實(shí)現(xiàn)除氧器水位自動(dòng)控制，以達(dá)到最大節(jié)能效果。由于各發(fā)電廠凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)備配置情況不同，或?qū)?jié)能和系統(tǒng)安全要求的側(cè)重點(diǎn)不同，凝結(jié)水泵變頻改造后變頻控制與除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制策略也有所不同，目前存在2種控制方式。一種是除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位，凝泵變頻控制凝結(jié)水母管壓力，另一種是除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制凝結(jié)水母管壓力，凝泵變頻控制除氧器水位。根據(jù)對(duì)某電力公司的上述2種控制方案的應(yīng)用情況比較分析，提出一種新的節(jié)能控制方案，并在江蘇國華陳家港發(fā)電有限公司2＃機(jī)組凝泵變頻改造項(xiàng)目成功應(yīng)用。

1 相關(guān)電廠應(yīng)用情況比較分析

出于對(duì)凝泵變頻改造項(xiàng)目調(diào)研不足或系統(tǒng)安全運(yùn)行考慮，多數(shù)凝結(jié)水泵變頻改造項(xiàng)目沒有達(dá)到最大節(jié)能效果。對(duì)某電力公司5個(gè)電廠凝泵配置為2×100%，變頻配置為一拖二，采用2種不同的控制方式凝泵變頻改造項(xiàng)目的應(yīng)用情況進(jìn)行比較分析見表1。

表1 凝泵變頻改造項(xiàng)目應(yīng)用情況比較分析

單機(jī)容量 凝泵配置 變頻配置 控制方案 應(yīng)用分析項(xiàng)目4 600 MW亞臨界 2×100% 一拖二凝泵變頻調(diào)水位，上水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓力凝泵出口壓力設(shè)定值較高，導(dǎo)致除氧器水位調(diào)節(jié)門始終處于節(jié)流狀態(tài)。在300 MW 以上各負(fù)荷段，變頻器輸出頻率都維持在39Hz以上，電流在各廠對(duì)比中明顯偏大，總體節(jié)能效果較差。項(xiàng)目5 600 MW亞臨界 2×100% 一拖二凝泵變頻調(diào)壓力，上水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水位由于對(duì)流量-壓力設(shè)定值曲線擬合較好，所以在低負(fù)荷段頻率和電流都較低，取得了良好的節(jié)能效果，但是在高負(fù)荷段，因除氧器水位調(diào)節(jié)門控制水位，需要留有控制裕度，所以閥門不能處于全開狀態(tài)，存在節(jié)流損失，頻率和電流上升明顯，不能最大發(fā)揮變頻器的節(jié)能作用。

從表1中可知，在凝泵變頻調(diào)節(jié)水位，上水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓力方式下，只要凝結(jié)水出口壓力設(shè)定值越低，在低負(fù)荷下節(jié)能效果越明顯，否則節(jié)流損失越大，節(jié)能效果越差。在凝泵變頻調(diào)節(jié)壓力，上水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水位方式下，在低負(fù)荷時(shí)需要有較好的流量-壓力設(shè)定值擬合曲線，才能取得較好的節(jié)能效果，但在高負(fù)荷時(shí)，為保證留有調(diào)節(jié)裕度，上水調(diào)節(jié)閥不能處于全開狀態(tài)，存在節(jié)流損失，影響節(jié)能效果。

2 凝泵變頻改造節(jié)能優(yōu)化控制思路

兩種除氧器水位控制方式都有其局限性，因此提出一種新的控制思路：在保證凝結(jié)水母管壓力滿足凝結(jié)水用戶的前提下，凝泵變頻和除氧器上水調(diào)節(jié)閥都控制除氧器水位，即以凝泵變頻調(diào)節(jié)為主，除氧器上水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)為輔，兩個(gè)調(diào)節(jié)控制器設(shè)定值不同，例如，在正常運(yùn)行下凝泵變頻調(diào)節(jié)控制器設(shè)定值為-50mm，而除氧器上水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)控制器設(shè)定值為-10mm。在高負(fù)荷時(shí)，凝泵變頻控制除氧器水位為-50mm，除氧器上水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)控制器因設(shè)定值 （-10mm）高于實(shí)際值，其控制器輸出逐漸開大至100%。當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，凝結(jié)變頻指令逐漸降低，當(dāng)達(dá)到限值 （在凝泵特性曲線內(nèi)，冷態(tài)試驗(yàn)確認(rèn)）時(shí)凝泵轉(zhuǎn)速不再降低，致使除氧器水位逐漸上升，當(dāng)水位上升超過-10 mm 時(shí)，除氧器上水調(diào)節(jié)閥開始調(diào)節(jié)，這樣保證在高負(fù)荷時(shí)除氧器上水調(diào)節(jié)閥全開，在低負(fù)荷時(shí)，凝泵轉(zhuǎn)速最低，達(dá)到最佳節(jié)能效果。

為了達(dá)到最佳節(jié)能效果，必須確定最低允許的凝結(jié)水母管壓力，而在所有凝結(jié)水用戶中，受凝結(jié)水母管壓力限制的主要是汽動(dòng)給水泵密封水和汽輪機(jī)低壓旁路減溫水，另外還要克服除氧器的高度靜壓頭，保證除氧器持續(xù)上水。

江蘇國華陳家港發(fā)電有限公司2＃機(jī)組低壓旁路為30%啟動(dòng)旁路，其減溫水壓力低保護(hù)定值為0.3 MPa，暫不考慮啟動(dòng)旁路的需求。經(jīng)計(jì)算，在低負(fù)荷運(yùn)行中克服除氧器的高度靜壓頭、管道阻力和除氧器壓力所需凝泵出口最低壓力約為1.1 MPa，而汽動(dòng)給水泵運(yùn)行時(shí)密封水壓力不得低于1.25 MPa。在凝泵最低轉(zhuǎn)速下，如果凝結(jié)水母管壓力大于1.25 MPa，即可滿足所有凝結(jié)水用戶需求，凝結(jié)水系統(tǒng)不需作任何改造。如果凝結(jié)水母管壓力小于1.25 MPa，將在原密封水管路上增加管道升壓泵來提升密封水壓力。在邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，也應(yīng)考慮異常情況下相關(guān)設(shè)備聯(lián)鎖保護(hù)。

3 凝結(jié)水泵變頻節(jié)能改造優(yōu)化控制

江蘇國華陳家港發(fā)電有限公司2＃機(jī)組為660 MW超超臨界機(jī)組，凝結(jié)水系統(tǒng)為中壓凝結(jié)水系統(tǒng)，設(shè)置2×100%容量凝結(jié)水泵，1臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用，凝泵變頻改造采用一拖二方案。

3.1 凝泵變頻控制

凝泵變頻調(diào)節(jié)除氧器水位，水位設(shè)定值為-50mm，采用單級(jí)PID 調(diào)節(jié)器，將給水需求量（高加出口給水流量）與凝結(jié)水流量的差值 （1%）作為調(diào)節(jié)器輸出前饋，以增加變負(fù)荷時(shí)除氧器水位的穩(wěn)定，變頻指令輸出低限為30 Hz，如圖1 所示。機(jī)組啟動(dòng)上水時(shí)，變頻器手動(dòng)定頻，由除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制。當(dāng)凝泵工頻運(yùn)行或除氧器水位故障時(shí)凝泵變頻控制切換為手動(dòng)。

3.2 除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制

保留原有的單沖量和串級(jí)三沖量控制邏輯，在凝泵變頻運(yùn)行方式時(shí)，除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制設(shè)定值為-10 mm，由于變頻器調(diào)節(jié)水位設(shè)定值為-50mm，所以正常運(yùn)行時(shí)，保持除氧器上水調(diào)節(jié)閥全開。只有當(dāng)除氧器水位高于-10 mm 時(shí)，除氧器上水調(diào)節(jié)閥才開始回關(guān)。在邏輯修改中刪除原有邏輯的除氧器水位設(shè)定的跟蹤線，以防止調(diào)節(jié)器輸出達(dá)到限值及變頻切換工頻時(shí)保持設(shè)定值不變，如圖1所示。

當(dāng)凝泵由變頻切換為工頻時(shí)，除氧器上水調(diào)節(jié)閥開度指令由負(fù)荷-開度函數(shù)曲線給定，并保持40s。除氧器水位大于300mm 時(shí)，超馳關(guān)閉除氧器上水調(diào)節(jié)閥。當(dāng)除氧器水位故障或除氧器上水調(diào)節(jié)閥指令與閥位偏差大于15%時(shí)延時(shí)5s或閥位故障時(shí)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)切為手動(dòng)。

圖1 頻泵變頻和除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制

3.3 凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥控制

在凝泵處于變頻運(yùn)行方式時(shí)，凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥控制凝泵出口母管壓力 （PI調(diào)節(jié)器），壓力設(shè)定值為4MPa，以保證正常運(yùn)行時(shí)凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。當(dāng)凝泵出口母管壓力超過4.2 MPa時(shí)超馳開凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥100%；當(dāng)凝結(jié)水流量低于260t／h時(shí)超馳開凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥30%。

在凝泵工頻運(yùn)行方式時(shí)，凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥控制凝結(jié)水流量 （原控制方案），當(dāng)凝結(jié)水流量低于320t／h時(shí)超馳開凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥30%。

當(dāng)凝泵由變頻切換為工頻運(yùn)行方式且負(fù)荷小于500 MW 時(shí)，超馳開凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥 （負(fù)荷為500 MW 時(shí)，開度為30%；負(fù)荷為400 MW 時(shí)，開度為40%）20s，以防凝結(jié)水母管超壓。

3.4 備用聯(lián)鎖邏輯

（1）變頻運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷大于300 MW，除氧器水位低于-400mm 時(shí)，聯(lián)啟備用工頻泵。

（2）變頻運(yùn)行時(shí)，壓力低于1.25 MPa時(shí)，聯(lián)啟備用工頻泵。

（3）變頻運(yùn)行時(shí)，變頻器跳閘或變頻器重故障時(shí)，聯(lián)啟備用工頻泵。

（4）工頻運(yùn)行時(shí)，壓力低于2.8 MPa或運(yùn)行工頻泵跳閘時(shí)，聯(lián)啟備用工頻泵。

4 凝泵變頻改造后試驗(yàn)分析

4.1 冷態(tài)試驗(yàn)

冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)，在凝泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥開度為70%，凝泵變頻指令為26Hz時(shí)，凝結(jié)水母管壓力凝結(jié)水母管壓力為1.26 MPa，但在26～28 Hz區(qū)間A、B凝泵振動(dòng)較大，所以將凝泵變頻指令限制在30Hz（控制方案中變頻指令最低限值以此為依據(jù)）。

4.2 熱態(tài)變負(fù)荷試驗(yàn)

660～300 MW 降負(fù)荷動(dòng)態(tài)過程中相關(guān)數(shù)據(jù)見表2，與穩(wěn)態(tài)負(fù)荷時(shí)相比較，數(shù)據(jù)相近。

表2 變負(fù)荷工況下凝結(jié)水系統(tǒng)數(shù)據(jù)

從凝泵變頻改造后運(yùn)行情況來看，控制效果良好，節(jié)能效果明顯。負(fù)荷為660 MW 時(shí)，變頻指令為42 Hz，變頻器開關(guān)電流為133 A。負(fù)荷為390 MW 以上時(shí)，除氧器上水調(diào)節(jié)閥能達(dá)到全開，凝結(jié)水母管壓力最低達(dá)到1.4 MPa。負(fù)荷為300～390 MW 時(shí)，變頻器控制指令限制為30 Hz，凝結(jié)水母管壓力最低為1.33 MPa，汽泵密封水溫差控制穩(wěn)定，滿足汽動(dòng)給水泵密封水的安全需求。

4.3 對(duì)凝泵變頻改造提出的相關(guān)建議

（1）低轉(zhuǎn)速下軸瓦油膜剛度變差，對(duì)軸瓦不利，轉(zhuǎn)速越低危害越大，建議盡量不要長期在900轉(zhuǎn) （30Hz）以下運(yùn)行，須采取必要的頻率指令限制措施。

（2）對(duì)于低頻 （小于30Hz）可能出現(xiàn)的泵體振動(dòng)大，可取消一級(jí)葉輪，以提高最小頻率。同時(shí)建議增加凝泵本體振動(dòng)測點(diǎn)，以實(shí)時(shí)監(jiān)控凝泵本體振動(dòng)。

（3）在串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)中，高加出口給水流量作為主調(diào)節(jié)輸出的前饋，當(dāng)高加出口給水流量降低時(shí)，在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致除氧器上水調(diào)節(jié)閥回關(guān)，可將除氧器上水調(diào)節(jié)閥串級(jí)三沖量控制改為單級(jí)三沖量控制，或?qū)⒏闭{(diào)節(jié)器的偏差死區(qū)設(shè)置合適的數(shù)值，可避免高加出口給水流量快速變化引起上水調(diào)節(jié)閥的回關(guān)。

（4）考慮低負(fù)荷時(shí)汽動(dòng)給水泵密封水壓力的影響，在低負(fù)荷時(shí)還應(yīng)關(guān)注汽泵密封水溫差，必要時(shí)可增加密封水升壓泵來提升汽動(dòng)給水泵密封水壓力。

（5）對(duì)于機(jī)組采用大于65%低壓自動(dòng)旁路時(shí)，當(dāng)汽機(jī)跳閘時(shí) （低旁動(dòng)作），聯(lián)啟備用工頻泵。當(dāng)機(jī)組采用小于55%低壓自動(dòng)旁路時(shí)，當(dāng)汽機(jī)跳閘時(shí)（低旁動(dòng)作），超馳將變頻泵轉(zhuǎn)速提升到工頻。同時(shí)應(yīng)做好聯(lián)啟工頻泵時(shí)除氧器水位調(diào)節(jié)門卡澀及變頻泵故障工頻泵不能正常聯(lián)啟等事故預(yù)案。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

5.1 改造前后參數(shù)分析

凝泵變頻改造后，對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行負(fù)荷300～660 MW 區(qū)間不同負(fù)荷點(diǎn)與工頻狀態(tài)下各參數(shù)對(duì)比見表3。

從表3可以看出，在工頻運(yùn)行方式下，凝泵電流約為200A，除氧器上水調(diào)節(jié)閥在整個(gè)負(fù)荷段處于節(jié)流狀態(tài)，負(fù)荷越低節(jié)流越大，負(fù)荷為450 MW時(shí)，凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥開啟，又進(jìn)一步造成能量損失。在變頻運(yùn)行方式下，凝泵電流、凝結(jié)水母管壓力隨著負(fù)荷降低而降低，負(fù)荷為380 MW 以上時(shí)，除氧器上水調(diào)節(jié)閥一直處于全開位置，負(fù)荷為380 MW 以下時(shí)，頻泵轉(zhuǎn)速降至最低值，除氧器上水調(diào)節(jié)閥隨著負(fù)荷降低逐漸關(guān)小，但凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥一直處于全關(guān)狀態(tài)，減少了凝結(jié)水再循環(huán)所造成的能量損失。從以上分析可知，在機(jī)組正常運(yùn)行負(fù)荷300～660 MW 區(qū)間變頻控制節(jié)能效果顯著。

5.2 改造后經(jīng)濟(jì)效益分析

對(duì)凝泵變頻項(xiàng)目改造后，1＃和2＃機(jī)組運(yùn)行的第一個(gè)整月來橫向比較分析，1＃機(jī)組凝泵工頻運(yùn)行電耗為廠用電的0.38%，而2＃組機(jī)凝泵改造后變頻運(yùn)行電耗為廠用電的0.18%，兩臺(tái)機(jī)組相差0.20%。綜合各種因素，進(jìn)行保守分析，凝泵變頻改造前凝泵工頻電耗為0.40%，改造后為0.2%，下降了 0.20%， 單機(jī)發(fā)電量按年度發(fā)電40億kW·h，廠用電降低0.2%，可節(jié)約廠用電800萬kW·h／a，按替代與計(jì)劃的平均上網(wǎng)電價(jià)0.35元／kW·h計(jì)算，可節(jié)省費(fèi)用280萬元。

表3 變頻與工頻運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

6 結(jié)論

隨著節(jié)能減排的深入，凝泵實(shí)現(xiàn)變頻控制技術(shù)也日趨完善，在不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)化控制，都能取得較好的節(jié)能效果。本文提出的凝泵變頻和除氧器上水調(diào)節(jié)閥協(xié)調(diào)控制除氧器水位控制方案在江蘇國華陳家港發(fā)電有限公司2＃機(jī)組成功應(yīng)用，取得良好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益，為同類型機(jī)組凝泵變頻改造提供參考。

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