超臨界機(jī)組變頻給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉文軍，王文斌，衛(wèi)文娟

（山西漳電同華發(fā)電有限公司，山西 軒崗 034114）

超臨界機(jī)組變頻給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉文軍，王文斌，衛(wèi)文娟

（山西漳電同華發(fā)電有限公司，山西 軒崗 034114）

以軒崗電廠660M W超臨界機(jī)組給水系統(tǒng)變頻改造工程為例，分析了超臨界機(jī)組給水控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了變頻給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐檢驗(yàn)，取得了良好的控制效果。

超臨界機(jī)組；變頻給水；協(xié)調(diào)控制；中間點(diǎn)溫度

0 引言

以山西軒崗電廠660MW超臨界機(jī)組給水系統(tǒng)變頻改造工程為例，介紹了給水系統(tǒng)變頻改造方案，詳細(xì)分析了滑壓運(yùn)行超臨界機(jī)組給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一套完整的變頻給水控制策略，使3臺(tái)不同容量和不同調(diào)節(jié)方式給水泵在任意組合并列運(yùn)行時(shí)均具備高品質(zhì)的給水調(diào)節(jié)能力和運(yùn)行可靠性,為國(guó)內(nèi)600MW等級(jí)超臨界機(jī)組進(jìn)行給水系統(tǒng)變頻節(jié)能改造提供了成功范例。

1 給水系統(tǒng)變頻改造的必要性和實(shí)施方案

圖1為典型的液力耦合器和變頻器的效率-轉(zhuǎn)速曲線，從曲線數(shù)據(jù)可以看出隨著轉(zhuǎn)速的降低，液力耦合器的效率基本上成正比降低，而變頻器在輸出轉(zhuǎn)速下降時(shí)效率依然保持較高值，因此變頻調(diào)速的低速特性要明顯優(yōu)于液力耦合器。另外，高壓變頻器在功率因數(shù)、啟動(dòng)性能、調(diào)節(jié)與控制特性以及投資回報(bào)等方面也具有明顯優(yōu)勢(shì)[1，2]。軒崗電廠一期660MW超臨界機(jī)組原配置3臺(tái)35%BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量，Boiler Maximum Continue Rate）電動(dòng)給水泵，通過(guò)液力耦合器控制給水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)給水調(diào)節(jié)。在電網(wǎng)ACE調(diào)節(jié)模式下，機(jī)組負(fù)荷變化較為頻繁，為了滿足滑壓運(yùn)行超臨界機(jī)組給水調(diào)節(jié)要求，液力偶合器經(jīng)常工作在低效區(qū)，轉(zhuǎn)速比一般在0.4～0.98之間，使給水泵電耗長(zhǎng)期居高不下。為了達(dá)到節(jié)能降耗的目的，2013年軒崗電廠和北京樂(lè)普四方方圓科技股份有限公司合作，選用西門子全水冷高壓矢量控制變頻器、德國(guó)亨設(shè)爾齒輪箱和上海KSB 50%BMCR給水泵組，對(duì)A和C 2臺(tái)35%BMCR給水泵組進(jìn)行改造，改造后日常生產(chǎn)中使用2臺(tái)50%BMCR給水泵。因軒崗電廠2臺(tái)機(jī)組的B給水泵分別由10 kV工作A段和B段兩路電源供電，考慮到給水系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，保留35%BMCR B給水泵作為備用泵。

圖1 兩種調(diào)速方式效率曲線

2 變頻給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軒崗電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式，該系統(tǒng)由負(fù)荷指令形成回路、鍋爐主控、汽機(jī)主控、主汽壓力設(shè)定值回路、頻率校正回路以及給水主控和煤主控等回路組成。機(jī)組的目標(biāo)負(fù)荷既可由運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定也可接受電網(wǎng)AGC指令，目標(biāo)負(fù)荷在負(fù)荷指令形成回路中經(jīng)負(fù)荷上下限限制和負(fù)荷指令增、減閉鎖以及速率限制等運(yùn)算后，分別送往鍋爐和汽機(jī)主控回路；鍋爐主控負(fù)責(zé)維持機(jī)前壓力，汽機(jī)主控負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷[3]。鍋爐負(fù)荷指令作用于煤主控和給水主控，使風(fēng)、煤、水步調(diào)一致地動(dòng)作，以滿足負(fù)荷調(diào)節(jié)的需要。

2.1 主給水控制回路

直流鍋爐給水控制的主要任務(wù)是保證煤水比，實(shí)現(xiàn)過(guò)熱汽溫的粗調(diào)，并滿足負(fù)荷響應(yīng)。全程給水控制系統(tǒng)可分為兩個(gè)階段，在濕態(tài)階段通過(guò)調(diào)節(jié)分離器至鍋爐儲(chǔ)水箱的361閥來(lái)維持分離器水位，由省煤器進(jìn)口旁路調(diào)門來(lái)調(diào)節(jié)給水以滿足水冷壁最小流量的要求；在干態(tài)階段其主要任務(wù)則是保證鍋爐合適的煤水比，控制鍋爐分離器出口溫度（中間點(diǎn)溫度）正常變化，實(shí)現(xiàn)主蒸汽溫度的粗調(diào)。限于篇幅本文只介紹鍋爐干態(tài)時(shí)的給水控制策略。圖2為軒崗電廠660MW超臨界機(jī)組給水主控回路原理圖，給水主控回路以煤水比控制為基礎(chǔ)，利用鍋爐主控回路輸出的鍋爐負(fù)荷指令疊加適量的變負(fù)荷超調(diào)指令做為鍋爐綜合負(fù)荷指令，經(jīng)過(guò)非線性函數(shù)f1（x）轉(zhuǎn)換成給水前饋指令，然后以中間點(diǎn)溫度控制作為修正來(lái)實(shí)現(xiàn)鍋爐干態(tài)時(shí)的給水調(diào)節(jié)。

在中間點(diǎn)溫度偏差調(diào)節(jié)回路中，鍋爐儲(chǔ)水箱壓力通過(guò)函數(shù)f2（x） 轉(zhuǎn)換成中間點(diǎn)溫度設(shè)定值Tset，使鍋爐分離器出口溫度在不同負(fù)荷段保持2～8℃的過(guò)熱度。在機(jī)組變負(fù)荷時(shí)通過(guò)死區(qū)函數(shù)f3（x）和變積分參數(shù)來(lái)弱化中間點(diǎn)溫度偏差調(diào)節(jié)作用，確保給水前饋回路能夠快速發(fā)揮作用，提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度。

2.2 變頻給水泵組流量調(diào)節(jié)回路

給水泵組流量調(diào)節(jié)回路用來(lái)完成3臺(tái)給水泵的流量分配、給水流量調(diào)節(jié)、給水泵最大流量保護(hù)以及備用泵自動(dòng)并泵等任務(wù)。為了使3臺(tái)不同容量和不同調(diào)節(jié)方式給水泵在任意組合并列運(yùn)行時(shí)均具備高品質(zhì)的給水調(diào)節(jié)能力和運(yùn)行可靠性，相應(yīng)地對(duì)原給水泵組流量調(diào)節(jié)回路進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和調(diào)試。本文以改造后的50%BMCR A變頻給水泵為例對(duì)給水泵組流量調(diào)節(jié)回路進(jìn)行分析。如圖3所示，鍋爐給水流量偏差信號(hào)和A給水泵流量分配回路產(chǎn)生的流量偏差信號(hào)疊加后，經(jīng)過(guò)A給水泵最大流量保護(hù)回路限幅，作為A給水泵正常給水調(diào)節(jié)時(shí)的流量偏差信號(hào)作用于PI控制器，輸出0～50 Hz頻率指令給變頻器來(lái)調(diào)整給水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)A泵給水流量自動(dòng)調(diào)節(jié)。因35%BMCR B給水泵為液力耦合器控制，故B給水泵流量調(diào)節(jié)回路中PI控制器輸出的是0～100%勺管閥位開(kāi)度指令。為了使2臺(tái)不同容量和調(diào)節(jié)特性的給水泵并列運(yùn)行時(shí)同樣具有協(xié)調(diào)一致的給水調(diào)節(jié)速度，兩種不同的PI控制器需要設(shè)置不同的比例積分參數(shù)。

2.3 流量分配回路設(shè)計(jì)

圖2 給水主控回路原理圖

圖3中流量分配回路不僅需要滿足2臺(tái)50% BMCR變頻調(diào)節(jié)給水泵并列運(yùn)行時(shí)的流量平衡要求，還需解決2臺(tái)不同容量給水泵并列運(yùn)行時(shí)的流量分配問(wèn)題。由于變頻器和液力耦合器調(diào)節(jié)特性不同以及給水泵本身的容量差異，為確保2臺(tái)給水泵的工作點(diǎn)均落在安全高效區(qū)，并避免出現(xiàn)2臺(tái)泵搶水現(xiàn)象，綜合分析了330～560MW負(fù)荷段對(duì)應(yīng)給水壓力下不同容量給水泵的流量-揚(yáng)程曲線和流量-效率曲線，擬合出流量分配函數(shù)，使不同容量給水泵按照預(yù)設(shè)的要求進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。圖4為軒崗電廠2號(hào)機(jī)組在電網(wǎng)AGC調(diào)節(jié)模式下處于370～510MW負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)，2A和2B給水泵并列運(yùn)行曲線。

圖3 A給水泵流量調(diào)節(jié)回路原理圖

圖4 不同容量給水泵并列運(yùn)行曲線

圖5 A給水泵自動(dòng)并泵切換回路圖

2.4 備用給水泵自動(dòng)并泵調(diào)節(jié)回路

軒崗電廠給水泵組流量調(diào)節(jié)回路中設(shè)計(jì)了備用泵自動(dòng)并泵邏輯，用來(lái)實(shí)現(xiàn)事故情況下備用泵聯(lián)啟后自動(dòng)提高泵組轉(zhuǎn)速，使備用泵能夠快速發(fā)揮給水流量調(diào)節(jié)功能，提高了給水系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。圖5為A給水泵自動(dòng)并泵切換回路圖，其他2臺(tái)泵與此類似。給水泵自動(dòng)并泵過(guò)程可分為三個(gè)階段，備用泵事故情況聯(lián)啟后，在初始的50 s內(nèi)進(jìn)入備用聯(lián)啟模式，流量調(diào)節(jié)回路記憶跳閘泵事故前的給水流量作為備用泵的目標(biāo)流量，通過(guò)流量偏差調(diào)節(jié)回路使備用泵快速提升轉(zhuǎn)速；50 s后進(jìn)入升壓模式，在該階段把給水母管壓力和給水管路沿程阻力的和作為備用泵出口壓力的目標(biāo)值，通過(guò)壓力偏差調(diào)節(jié)回路使備用泵出口壓力達(dá)到給水母管壓力；當(dāng)備用泵出口壓力接近給水母管壓力時(shí)進(jìn)入正常調(diào)節(jié)模式，此時(shí)備用泵已經(jīng)具備鍋爐給水調(diào)節(jié)能力，開(kāi)始參與鍋爐給水流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)［4-6］。

3 工程實(shí)施效果

軒崗電廠分別于2013年6月和2014年4月完成了2臺(tái)660MW超臨界機(jī)組給水系統(tǒng)變頻改造工程。表1為改造前后各負(fù)荷段給水泵組總耗電量對(duì)比表，考慮到機(jī)組背壓、熱力系統(tǒng)和主汽壓力對(duì)給水泵組出力的影響，為準(zhǔn)確對(duì)比技改前后節(jié)電效果，以給水泵實(shí)際出力（即總有效功率）為對(duì)比基準(zhǔn)，根據(jù)2013年1號(hào)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)和各負(fù)荷段年平均負(fù)荷權(quán)重計(jì)算可知，1號(hào)機(jī)組給水泵組技改前全年總耗電量為177 365MW·h，技改后為118 667MW·h，全年平均節(jié)電率為33.09%。

表1 改造前后各負(fù)荷段給水泵組總耗電量對(duì)比表

另外，通過(guò)對(duì)控制器參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)整定，給水控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)速度完全能夠滿足電網(wǎng)ACE調(diào)節(jié)模式的需要，改造后機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)速度達(dá)到10MW/min，負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)42 s，各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于華北網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”考核要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

軒崗電廠一期660MW超臨界機(jī)組完成給水系統(tǒng)變頻改造后，經(jīng)過(guò)一年多時(shí)間的實(shí)踐檢驗(yàn)，高壓變頻器和給水泵組運(yùn)行安全可靠，節(jié)電效果顯著，給水控制系統(tǒng)功能完善，調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)速度能夠完全滿足電網(wǎng)ACE調(diào)節(jié)的需要，極具借鑒推廣價(jià)值。

［1］ 張忠銀.液力耦合器和變頻調(diào)速比較［J］.電氣傳動(dòng)，2009（12）：74-76.

［2］ 范維浩.高壓變頻器和液力耦合器調(diào)速的比較［J］.變頻器世界, 2004（10）：64-67.

［3］ 劉文軍.基于ACE模式的超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略［J］.中國(guó)科技縱橫，2012（9）：10-12.

［4］ 吳建平，祝建飛.1 000MW超超臨界機(jī)組給水控制系統(tǒng)分析及其優(yōu)化［J］.華東電力，2012（6）：26-30.

［5］ 莊建華.600MW超臨界機(jī)組全程給水自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制策略［J］.發(fā)電設(shè)備，2007（3）：9-11.

［6］ 張利勇，劉瀟.1 000MW超超臨界機(jī)組給水全程控制的設(shè)計(jì)和應(yīng)用［J］.浙江電力，2013（8）：33-35.

Design and Application of Frequency Conversion Feed W ater Control System of Supercritical Units

LIUW enjun,WANG W enbin,WEIW enjuan
（Shanxi Zhangdian Tonghua Power Generation Co.,Ltd.，Xuangang，Shanxi 034114，China）

Taking660MW supercriticalunit frequency conversion feedwater system reconstruction project in Xuangang power plant as an example,the characteristics of supercritical units feed water control system are analyzed,and the designing scheme of frequency conversion feedwatersystem isput forward.Through practical test,controlling isachieved effectively.

supercriticalunit；frequency conversion feedwater；coordinated control；intermediate point temperature

TP273

A

1671-0320（2015）02-0058-04

2015-01-14，

2015-02-01

劉文軍（1972），男，山西河曲人，2006年畢業(yè)于太原理工大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，工程師，碩士，從事智能控制和協(xié)調(diào)控制的應(yīng)用研究；

王文斌（1974），男，山西大同人，2008年畢業(yè)于西南大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，工程師，從事火電廠熱控專業(yè)管理工作；

衛(wèi)文娟（1988），女，陜西咸陽(yáng)人，2011年畢業(yè)于華北電力大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，助理工程師，從事火電廠熱控專業(yè)生產(chǎn)工作。