母管制背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組除鹽水泵變頻控制的應(yīng)用

夏 晉，張新勝，李文杰，章 鵬，錢林鋒

（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；3.浙江浙能臺(tái)州第二發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 臺(tái)州 317109）

0 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展與節(jié)能減排壓力的增加，工業(yè)園區(qū)用汽量的增多，用汽參數(shù)的提高，一些大型火力發(fā)電廠紛紛鋪設(shè)供熱管線向周邊工業(yè)園區(qū)供熱，以滿足供熱量供不應(yīng)求的局面。相較于傳統(tǒng)抽汽式汽輪機(jī)，抽汽背壓式機(jī)組省略了冷凝器、冷卻水系統(tǒng)和凝結(jié)水系統(tǒng)，以除鹽水系統(tǒng)取代其部分功能。

除鹽水泵在大型抽汽背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中作為高功率輔機(jī)，存在耗電量大的問(wèn)題，采用變頻調(diào)速技術(shù)能大大改善電機(jī)運(yùn)行工況，有效降低能耗，增加供熱機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。

1 母管制除鹽水系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

某新建發(fā)電廠二期擴(kuò)建工程建設(shè)規(guī)模為4臺(tái)500 t/h級(jí)高溫高壓自然循環(huán)煤粉鍋爐，4臺(tái)50 MW抽背式汽輪機(jī)組，配置4臺(tái)50 MW級(jí)發(fā)電機(jī)組，同步實(shí)施脫硫、脫硝，4臺(tái)機(jī)組最大供汽量1 432 t/h（不回收），除鹽水量為1 580 t/h。如圖1所示，除鹽水系統(tǒng)設(shè)計(jì)有5臺(tái)臥式單級(jí)單吸離心泵，其中3臺(tái)為工頻泵，2臺(tái)為變頻泵，除鹽水系統(tǒng)的主要設(shè)備型號(hào)見(jiàn)表1。

表1 除鹽水系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

由圖1可知，5臺(tái)除鹽水泵出口有1根DN350的大母管，大母管上又有2根DN350的母管，分別通往3號(hào)、4號(hào)機(jī)組和5號(hào)、6號(hào)機(jī)組，2條母管上分別裝有1個(gè)流量測(cè)點(diǎn)和3個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)。大母管上還裝設(shè)有再循環(huán)水管，回流至11號(hào)和12號(hào)除鹽水箱，每一路上設(shè)有1個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，且設(shè)有旁路。

圖1 除鹽水系統(tǒng)示意

1.2 除鹽水母管壓力控制的重要性

由圖1可知，在抽汽背壓式機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，除鹽水通過(guò)母管經(jīng)軸封冷卻器及補(bǔ)水加熱器后，輸送至除氧器補(bǔ)水母管進(jìn)入除氧器。在此過(guò)程中，除鹽水發(fā)揮著重要作用。

（1）軸封冷卻的主要作用是冷卻軸封蒸汽使之形成一定真空，防止大量蒸汽由軸端漏出或竄入軸承潤(rùn)滑油內(nèi)，造成潤(rùn)滑油乳化帶水。本工程的軸封汽源有2路，1路是主機(jī)軸封回汽，另1路是小機(jī)軸封回汽。除鹽水的多少將直接影響軸封冷卻器的真空度。

（2）為補(bǔ)水加熱器提供冷卻水，小機(jī)排汽通過(guò)補(bǔ)水加熱器冷凝，而補(bǔ)水加熱的冷卻水由除鹽水系統(tǒng)提供。本工程小機(jī)排汽量較大，通過(guò)補(bǔ)水加熱器除鹽水量的多少直接影響小機(jī)排汽壓力，本機(jī)組小機(jī)排汽保護(hù)值較窄（排汽壓力若大于0.3 MPa則小機(jī)跳閘）。

（3）提供除氧器補(bǔ)水，閉式高位水箱補(bǔ)水，保證機(jī)組用水的安全。

因此，保證除鹽水母管壓力的穩(wěn)定對(duì)抽汽背壓式機(jī)組的安全運(yùn)行至關(guān)重要，同時(shí)對(duì)除鹽水系統(tǒng)母管制自動(dòng)控制方式的安全可靠性提出了更高的要求。

1.3 母管制恒壓控制方式及弊端

本工程前期主要通過(guò)變頻泵配合再循環(huán)閥進(jìn)行恒壓供水，為保證母管壓力穩(wěn)定及再循環(huán)閥的調(diào)節(jié)品質(zhì)，閥門開度控制在40%～45%，此時(shí)再循環(huán)流量為140～180 t/h?？刂菩Ч鐖D2所示。

如圖2所示，為了保證母管壓力維持在1.5 MPa，泄壓再循環(huán)閥需要頻繁動(dòng)作，同時(shí)變頻泵的轉(zhuǎn)速也需要運(yùn)行人員時(shí)刻改變。因此，在實(shí)際運(yùn)行中采用此種方式需運(yùn)行人員頻繁操作變頻泵，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且調(diào)節(jié)效率低、范圍小、速度慢、性能差，閥門故障率高，耗電量也大。

針對(duì)上述弊端，提出了一種工頻泵配合變頻泵運(yùn)行的控制策略，以除鹽水變頻泵控制母管壓力，保證恒壓供水，以除鹽水工頻泵響應(yīng)外網(wǎng)負(fù)荷變化，滿足外網(wǎng)流量需求。

圖2 控制弊端示意

2 除鹽水泵變頻控制策略

2.1 變頻控制可行性分析

除鹽水工頻泵恒速運(yùn)行，特性如圖3（a）所示。當(dāng)外網(wǎng)負(fù)荷發(fā)生變化，除鹽水流量由QB下降到QA時(shí)，除鹽水泵的揚(yáng)程由H2變成H1，由于H1＞H2，要滿足除鹽水母管壓力1.5 MPa，進(jìn)行恒壓供水，需要再循環(huán)閥開度進(jìn)行泄壓，將多余的能量消耗。當(dāng)外網(wǎng)流量變化時(shí)，除鹽水泵的軸功率由面積H2BQBO變?yōu)槊娣eH1AQAO，減少不明顯。

除鹽水變頻泵可以變速運(yùn)行，特性如圖3（b）所示。為了響應(yīng)除鹽水流量由QB下降到QA，可以降低除鹽水泵的轉(zhuǎn)速，由曲線1變?yōu)榍€2運(yùn)行。此時(shí)，除鹽水泵的軸功率由面積H2BQBO變?yōu)槊娣eH1AQAO，在保證除鹽水泵揚(yáng)程相同（H2=H1），滿足母管壓力1.5 MPa恒壓供水的同時(shí)，大大減少了除鹽水泵的軸功率。

圖3 除鹽水泵變頻控制節(jié)能示意

2.2 變頻控制恒壓供水方案

通過(guò)上述對(duì)變頻控制的可行性分析可知，采用除鹽水變頻控制，不僅能保證恒壓供水，還可以大大降低除鹽水泵的軸功率，起到節(jié)能的效果。因此設(shè)計(jì)了母管制除鹽水系統(tǒng)變頻控全程控制恒壓供水方案。本工程5臺(tái)除鹽水泵的運(yùn)行組合方式如下：

（1）當(dāng)母管流量在0～420 t/h時(shí)，啟動(dòng)1臺(tái)變頻泵。

（2）當(dāng)母管流量在420～840 t/h時(shí)，啟動(dòng) 2臺(tái)變頻泵。

（3）當(dāng)母管流量在 840～1 260 t/h時(shí)，啟動(dòng) 2臺(tái)變頻泵和1臺(tái)工頻泵。

（4）當(dāng)母管流量在1 260～1 680 t/h時(shí)，啟動(dòng)2臺(tái)變頻泵和2臺(tái)工頻泵。

根據(jù)上述組合方式，控制策略如圖4所示。

圖4 除鹽水泵變頻恒壓供水控制策略

由圖4可知，將除鹽水母管壓力設(shè)定為1.5 MPa，再循環(huán)閥完全關(guān)閉，靠頻率變化穩(wěn)定母管壓力。PID（比例-積分-微分）調(diào)節(jié)控制回路根據(jù)母管壓力與設(shè)定值偏差進(jìn)行控制，如母管流量Q增加，則母管壓力P下降，同時(shí)變頻除鹽水泵頻率增加，保證母管壓力穩(wěn)定P=1.5 MPa；如母管流量Q減小，則母管壓力P上升，同時(shí)變頻除鹽水泵頻率減小，保證母管壓力穩(wěn)定P=1.5 MPa?？紤]到2臺(tái)變頻泵并列運(yùn)行的情況，采用平衡回路控制2臺(tái)變頻泵的出力，并根據(jù)除鹽水泵運(yùn)行數(shù)量，采用變參PID的方法提高變頻的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

在控制回路中增加2個(gè)前饋：1路為除鹽水母管流量變化前饋，提高變頻泵響應(yīng)速度；1路為母管壓力偏差大快速拉升回路。

另外，為了提高除鹽水系統(tǒng)安全運(yùn)行，設(shè)定了如下措施：根據(jù)機(jī)組運(yùn)行實(shí)際運(yùn)行情況一般將除鹽水母管壓力設(shè)定在1.5 MPa；母管壓力低于1.40 MPa低壓力報(bào)警，壓力低于1.30 MPa延時(shí)3 s，啟動(dòng)備用泵；母管壓力高于1.65 MPa高壓力報(bào)警，當(dāng)除鹽水系統(tǒng)處于變頻自動(dòng)控制運(yùn)行方式下母管壓力高于1.65 MPa，自動(dòng)撤出變頻自動(dòng)，投入再循環(huán)閥自動(dòng)并報(bào)警通知運(yùn)行人員手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)整頻率；在變頻泵與工頻泵同時(shí)運(yùn)行的情況下，為保證變頻泵與工頻泵的出力，保持兩者之間的流量在合適的范圍，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況將變頻頻率范圍限制在42～48.5 Hz；除鹽水箱液位低于5 m報(bào)警。

為了保證除鹽水變頻泵控制母管壓力的安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了自動(dòng)切手動(dòng)條件：除鹽水母管壓力信號(hào)故障；變頻泵變頻反饋故障；母管壓力調(diào)節(jié)偏差過(guò)大，延時(shí)10 s，變頻泵變頻指令與反饋的偏差過(guò)大，延時(shí)10 s；除鹽水母管壓力大于1.65 MPa， 延時(shí) 2 s。

3 變頻泵特性試驗(yàn)及控制效果分析

3.1 變頻泵特性試驗(yàn)

在3臺(tái)供熱機(jī)組正常運(yùn)行、除鹽水系統(tǒng)運(yùn)行方式為1臺(tái)變頻泵與2臺(tái)工頻泵并列運(yùn)行情況下，關(guān)閉再循環(huán)閥，外網(wǎng)流量負(fù)荷需求由950 t/h逐步變?yōu)? 200 t/h，變頻泵能有效響應(yīng)外網(wǎng)流量變化，穩(wěn)定除鹽水母管壓力，保證恒壓供水。變頻控制效果如表2所示。

表2 變頻泵特性參數(shù)

3.2 控制效果分析

采用母管制變頻自動(dòng)調(diào)節(jié)控制方式后，控制效果如圖5所示。運(yùn)行人員只需設(shè)定母管壓力（1.5 MPa）即可維持母管壓力，無(wú)需經(jīng)常動(dòng)手調(diào)節(jié)除鹽水變頻泵來(lái)維持再循環(huán)閥開度保證調(diào)節(jié)品質(zhì)，并且能完全關(guān)閉再循環(huán)閥以達(dá)到最大限度的節(jié)能效果。

圖5 除鹽水泵變頻控制效果

正常運(yùn)行時(shí)，再循環(huán)閥開度需在40%～45%，流量140～180 t/h，除鹽水泵母線電壓U為6 kV，變頻運(yùn)行功率因數(shù) 0.92，功率 P=1.732UI cosφ，若以除鹽水母管制變頻自動(dòng)控制方式運(yùn)行，每小時(shí)可平均節(jié)電100 kW左右。按每年運(yùn)行350天（其中15天因春節(jié)無(wú)供熱需求，機(jī)組停運(yùn)），上網(wǎng)電價(jià)0.485元/kWh初步估算，除鹽水母管制變頻控制方式每年可為發(fā)電廠節(jié)約40.74萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

抽汽背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組除鹽水系統(tǒng)母管制變頻自動(dòng)控制方式，實(shí)現(xiàn)了除鹽水系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行，減輕運(yùn)行人員的工作壓力，有良好的節(jié)能效果，能有效提高抽汽背壓式供熱機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。