300MW 機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)高壓變頻全工況智能調(diào)節(jié)的應(yīng)用

武長(zhǎng)嶺，李文輝，趙云迪，王忠言，司瑞才

（1.吉林電力股份有限公司，長(zhǎng)春 130021；2.吉林電力股份有限公司渾江發(fā)電公司，吉林 白山 134302；3.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130021）

目前，國(guó)內(nèi)各電廠機(jī)組凝結(jié)水泵在運(yùn)行過(guò)程中通常采用傳統(tǒng)調(diào)節(jié)策略，自動(dòng)控制非全程智能調(diào)節(jié)，邏輯回路系統(tǒng)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，并且除氧器水位、凝結(jié)水壓力控制不理想，低負(fù)荷及啟停機(jī)時(shí)需要人為干預(yù)，吉林電力股份有限公司渾江發(fā)電公司為了節(jié)能降耗，決定對(duì)2號(hào)機(jī)組凝結(jié)水泵進(jìn)行變頻改造，使凝結(jié)水系統(tǒng)能夠安全、經(jīng)濟(jì)地投入運(yùn)行。

1 設(shè)備現(xiàn)狀及出現(xiàn)的問(wèn)題

2號(hào)機(jī)組凝結(jié)水泵均采用一工一備的配置，運(yùn)行中采用閥門(mén)調(diào)節(jié)。機(jī)組在正常運(yùn)行情況下，凝結(jié)水泵出口的除氧器上水調(diào)節(jié)閥為雙路調(diào)節(jié)，主閥開(kāi)度在25%～65%，閥門(mén)一直處在節(jié)流狀態(tài)下工作，特別是在較低負(fù)荷或機(jī)組參與調(diào)峰時(shí)，閥門(mén)開(kāi)度更小，節(jié)流損耗大，凝結(jié)水泵效率也迅速降低，能耗增大；再者，閥門(mén)長(zhǎng)期處于較高壓差下運(yùn)行，磨損較大，因此采用閥門(mén)調(diào)節(jié)，精度差，除氧器水位波動(dòng)大，同時(shí)頻繁操作易導(dǎo)致閥門(mén)可靠性下降，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

由于300 MW 機(jī)組的凝結(jié)水系統(tǒng)復(fù)雜、用戶多，要實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水泵變頻投入時(shí)除氧器水位自動(dòng)控制，變頻運(yùn)行方式與工頻運(yùn)行方式的故障切換非常困難，而且存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀況，變頻運(yùn)行切換到工頻運(yùn)行，凝結(jié)水泵出口壓力將突然增大，造成除氧器水位急劇升高，威脅除氧器的安全運(yùn)行；同時(shí)還直接影響軸封減溫控制、冷段再熱器至輔汽減溫控制、低壓缸噴水減溫控制、低壓旁路減溫控制等10套自動(dòng)控制系統(tǒng)，并影響15個(gè)凝結(jié)水用戶，對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為進(jìn)一步提高設(shè)備利用率，降低廠用電量，決定利用老廠關(guān)停機(jī)組吸風(fēng)機(jī)高壓變頻裝置對(duì)2號(hào)機(jī)組凝結(jié)水泵進(jìn)行變頻改造，從而省去由于閥門(mén)、擋板節(jié)流等帶來(lái)的功率損失，以達(dá)到節(jié)能的目的。

2 變頻調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)

a.自動(dòng)調(diào)節(jié)、控制精度高。對(duì)凝結(jié)水泵進(jìn)行變頻改造后，除氧器上水調(diào)門(mén)全開(kāi)，除氧器水位完全通過(guò)調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速控制，水位高時(shí)降低轉(zhuǎn)速、減小給水量；水位低時(shí)增加轉(zhuǎn)速、增大給水量，使水位波動(dòng)小，利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)減小了閥門(mén)損耗。

b.降低功耗。通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)使泵的流量由額定值Q0降至70%Q0時(shí)，轉(zhuǎn)速將由額定值n0降至70%n0，此時(shí)泵的壓力由額定值p0降至49%p0，泵的軸功率由額定值P0降至34.3%P0，理論上功耗減少了65.7%。即使考慮到轉(zhuǎn)速下降可能會(huì)引起電機(jī)的效率下降等因素，變頻調(diào)速的節(jié)電效果仍然非常顯著。當(dāng)水泵的流量由Q0調(diào)低到70%Q0時(shí)，采用變頻調(diào)速方式的功耗約比控制閥調(diào)節(jié)方式的功耗減少52%。

c.減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的最大啟動(dòng)電流約為額定電流的4～7倍，軟啟動(dòng)也要達(dá)到2.5倍。觀察變頻器啟動(dòng)的負(fù)荷曲線，可以發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)基本沒(méi)有沖擊，電流從零開(kāi)始，僅是隨著轉(zhuǎn)速增加而上升，不會(huì)超過(guò)額定電流，因此凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行解決了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問(wèn)題，消除了大啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力。

d.延長(zhǎng)設(shè)備壽命。使用變頻器可使電機(jī)轉(zhuǎn)速變化沿凝結(jié)水泵的加減速特性曲線變化，沒(méi)有應(yīng)力負(fù)載作用于軸承上，延長(zhǎng)了軸承的壽命。

e.降低噪音。凝結(jié)水泵改用變頻器后，降低水泵轉(zhuǎn)速運(yùn)行的同時(shí)，也大幅度地降低了噪音。

3 電氣控制及保護(hù)邏輯方案

由于此次改造所使用高壓變頻器為老廠使用的舊設(shè)備，考慮設(shè)備的安全穩(wěn)定性后，確定電氣電源接線方式為“帶旁路工頻一拖一變頻”，電氣控制接線原理見(jiàn)圖1。

在熱工保護(hù)邏輯中充分利用變頻輸入隔離開(kāi)關(guān)G1、旁路隔離開(kāi)關(guān)G2、變頻輸出隔離開(kāi)關(guān)G3狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)斷路器投切的閉鎖條件，防止誤操作等問(wèn)題。設(shè)置可靠的變頻與工頻互鎖邏輯，分別設(shè)置工頻與變頻的啟、停允許條件，聯(lián)鎖保護(hù)關(guān)系，對(duì)系統(tǒng)流程圖進(jìn)行必要的修改以滿足運(yùn)行人員監(jiān)視與操作的方便。

4 熱控自動(dòng)控制邏輯組態(tài)

原聯(lián)調(diào)門(mén)和凝結(jié)水泵變頻調(diào)節(jié)邏輯中，根據(jù)調(diào)節(jié)過(guò)程，選擇優(yōu)先開(kāi)啟方式來(lái)解決閥門(mén)節(jié)流及單閥門(mén)故障問(wèn)題，并可快速響應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)變化的要求。凝結(jié)水泵變頻?？胤绞綖橐詨毫?yōu)先控制邏輯，此邏輯存在調(diào)節(jié)敏感區(qū)，中負(fù)荷段調(diào)節(jié)品質(zhì)很難保證，而機(jī)組大部分工作在此區(qū)段中，邏輯回路不符合機(jī)組的要求。另外，此方案對(duì)參數(shù)調(diào)節(jié)要求較高，參與調(diào)節(jié)量多，對(duì)表計(jì)的可靠性要求高，調(diào)試過(guò)程較為復(fù)雜，增加了日后維護(hù)的困難。

圖1 電氣控制接線原理圖

傳統(tǒng)邏輯中，工頻凝結(jié)水泵設(shè)備聯(lián)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)壓力沖擊均采用了預(yù)控函數(shù)的解決方案。實(shí)際應(yīng)用中，閥門(mén)特性發(fā)生變化及系統(tǒng)不同工況時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程并不理想，沒(méi)有完全解決系統(tǒng)的沖擊，反而對(duì)凝結(jié)水系統(tǒng)中的其他減溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生了階躍影響，并增加了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的故障點(diǎn)。對(duì)多種凝結(jié)水泵變頻控制方案分析后，在原凝結(jié)水系統(tǒng)聯(lián)調(diào)閥智能控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套全新的模控系統(tǒng)，使其在不同自動(dòng)控制下全負(fù)荷段自由切換，采用適當(dāng)對(duì)低限保護(hù)值進(jìn)行閉鎖調(diào)節(jié)，在保證凝結(jié)水保護(hù)系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)上，使整個(gè)調(diào)節(jié)回路簡(jiǎn)單實(shí)用，運(yùn)行可靠。

4.1 凝結(jié)水泵變頻調(diào)節(jié)邏輯

凝結(jié)水泵變頻調(diào)節(jié)邏輯由最低凝結(jié)水壓力調(diào)節(jié)回路、除氧器水位調(diào)節(jié)回路、保護(hù)切自動(dòng)回路、閉鎖回路組成。壓力調(diào)節(jié)回路與水位調(diào)節(jié)回路通過(guò)壓力判斷實(shí)現(xiàn)切換，高于最低壓力時(shí)無(wú)擾切換至水位調(diào)節(jié)回路，實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷段線性調(diào)節(jié)并可逆切換，無(wú)須切除自動(dòng)。

a.最低凝結(jié)水壓力調(diào)節(jié)回路。該回路由凝結(jié)水壓力濾波、定壓值比較積分回路與低壓判斷閉鎖回路組成區(qū)間模糊調(diào)節(jié)，可以保證凝結(jié)水壓力低于最小允許壓力時(shí)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，在初投自動(dòng)及壓力保護(hù)閉鎖切換時(shí)防止調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

b.除氧器水位調(diào)節(jié)回路。該回路由除氧器水位單沖量與除氧器水位主信號(hào)、凝結(jié)水流量、給水流量三沖量調(diào)節(jié)回路組成，在低負(fù)荷或流量信號(hào)故障時(shí)無(wú)擾切換至單沖量調(diào)節(jié)。

c.保護(hù)切自動(dòng)回路。主要在信號(hào)故障、調(diào)節(jié)偏差及工頻變化等異常情況下起作用，及時(shí)切除自動(dòng)，防止調(diào)節(jié)異常。

d.閉鎖回路。設(shè)置為最低保證壓力，防止出現(xiàn)低壓調(diào)節(jié)，變頻器設(shè)定值還設(shè)置了最低啟動(dòng)值，這與變頻器及水泵廠家要求有關(guān)。

4.2 除氧器水位調(diào)節(jié)切換邏輯

除氧器水位調(diào)節(jié)切換邏輯由跳自動(dòng)保護(hù)邏輯與三沖量切換條件組成，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)故障、負(fù)荷變化時(shí)自動(dòng)方式的保護(hù)切換。

4.3 凝結(jié)水至除氧器調(diào)節(jié)門(mén)邏輯

凝結(jié)水至除氧器調(diào)節(jié)門(mén)邏輯由除氧器水位調(diào)節(jié)回路、除氧器水位高緊急關(guān)保護(hù)回路、水位設(shè)定切換選擇回路、信號(hào)判斷回路及重疊分配回路組成。

a.設(shè)置除氧器水位高保護(hù)回路，高三值保護(hù)作用雙調(diào)門(mén)至最小。

b.水位設(shè)定切換選擇回路是保證無(wú)論投入哪種自動(dòng)方式時(shí)，設(shè)定值與信號(hào)值之間的無(wú)擾切換功能。

c.實(shí)現(xiàn)主信號(hào)的選擇、濾波及故障判斷。

d.除氧器水位調(diào)節(jié)為主調(diào)節(jié)閥與副調(diào)節(jié)閥雙聯(lián)調(diào)門(mén)，通過(guò)對(duì)兩個(gè)閥門(mén)進(jìn)行流量特性試驗(yàn)來(lái)確定重疊度的大小，以保證閥門(mén)的線性區(qū)調(diào)節(jié)，回路采用開(kāi)環(huán)方式，邏輯簡(jiǎn)單，實(shí)際應(yīng)用性較強(qiáng)。

5 改造效果

變頻凝結(jié)水泵在調(diào)節(jié)過(guò)程中首先要保證凝結(jié)水系統(tǒng)最低安全壓力，機(jī)組啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)需要調(diào)門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)邏輯保證切換過(guò)程自動(dòng)切換，調(diào)門(mén)與變頻泵調(diào)節(jié)同時(shí)投入自動(dòng)，智能切換調(diào)節(jié)，無(wú)須人為干預(yù)。變頻凝結(jié)水泵在變頻“自動(dòng)”方式下運(yùn)行時(shí)，上水門(mén)在以保證最低壓力的最大開(kāi)度下運(yùn)行，安全性和經(jīng)濟(jì)性都得以保障，調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)作平穩(wěn)，調(diào)節(jié)品質(zhì)較高，在機(jī)組工況變化時(shí)雙調(diào)互動(dòng)，及時(shí)適應(yīng)工況變化。正常運(yùn)行時(shí)，變頻凝結(jié)水泵運(yùn)行，定速凝結(jié)水泵備用，上水調(diào)整門(mén)指令為三沖量自動(dòng)控制。如果此時(shí)備用泵聯(lián)動(dòng)，三沖量調(diào)節(jié)迅速將系統(tǒng)調(diào)到新的平穩(wěn)狀態(tài)。極低負(fù)荷時(shí)，保障在最低壓力下，調(diào)節(jié)門(mén)工作在較低閥位線性區(qū)內(nèi)；發(fā)生聯(lián)泵時(shí)，由再循環(huán)與除氧器水位調(diào)門(mén)同時(shí)作用，同樣會(huì)快速將系統(tǒng)調(diào)到新穩(wěn)態(tài)下。利用變頻凝結(jié)水泵的變頻對(duì)除氧器水位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)：低負(fù)荷時(shí)，當(dāng)凝結(jié)水壓力低于下限時(shí)，閉鎖凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速下降指令，確保變頻凝結(jié)水泵和凝結(jié)水供給其他輔助設(shè)備的安全運(yùn)行。變頻凝結(jié)水泵切換時(shí)，相應(yīng)自動(dòng)關(guān)系可以達(dá)到自動(dòng)切換。凝結(jié)水流量低時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)門(mén)，防止凝結(jié)水泵氣蝕。

6 結(jié)束語(yǔ)

變頻改造后的2號(hào)機(jī)組凝結(jié)水泵于2014年12月25日11：00正式投入運(yùn)行。此次改造，在引進(jìn)優(yōu)秀控制方案的同時(shí)，針對(duì)自身設(shè)備特點(diǎn)，優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)出一套適合本機(jī)組的控制邏輯，優(yōu)化了凝結(jié)水泵的運(yùn)行狀況和生產(chǎn)工藝，更好地穩(wěn)定了機(jī)組運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。2 號(hào)機(jī)組以日平均負(fù)荷為180 MW 為例，凝結(jié)水泵變頻改造后電流減少45A/h，月節(jié)電28.6×104kW·h，合計(jì)約8.6萬(wàn)元，節(jié)能效果顯著。