330 MW機(jī)組電動給水泵變頻改造及電液并存調(diào)速控制策略研究

黃思林，唐昊，王善同，王杰

(1.國家能源集團(tuán)廣東電力有限公司，廣東 廣州 510623；2.國能(惠州)熱電有限責(zé)任公司，廣東 惠州 516082)

某電廠330 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為某石化區(qū)供熱，給水系統(tǒng)配備3臺容量為50%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continuous rating，BMCR)的電動給水泵，給水泵采用液力耦合器調(diào)速，正常運(yùn)行時給水泵2臺運(yùn)行1臺備用。給水泵是火力發(fā)電廠的主要輔機(jī)，也是耗能最大的輔機(jī)，其耗電量約占機(jī)組發(fā)電量的3%左右[1](受純凝、供熱、壓力等因素的影響而不同)。目前300 MW等級的機(jī)組年平均負(fù)荷率一般在75%左右，給水泵長期低效運(yùn)行。為了降低廠用電率，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，對電動給水泵進(jìn)行變頻調(diào)速改造?？紤]到熱用戶對機(jī)組供熱可靠性要求高，本次給水泵變頻改造采用電液并存調(diào)速方案，保留工頻運(yùn)行時液力耦合器的調(diào)速功能，在變頻器故障時給水泵仍然具備原有的調(diào)速功能，保證給水系統(tǒng)正常運(yùn)行，提高事故情況下的容錯率。但是在原有調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上增加了變頻調(diào)節(jié)，對給水系統(tǒng)控制、聯(lián)鎖、保護(hù)的要求更高，生產(chǎn)調(diào)節(jié)更加復(fù)雜，因此變頻改造后的控制策略設(shè)置尤為重要。

1 給水泵節(jié)能分析

給水泵組技術(shù)規(guī)范見表1。

表1 給水泵組技術(shù)規(guī)范

1.1 液力耦合器特性

液力耦合器主要包括增速齒輪和相關(guān)泵輪、渦輪、勺管、循環(huán)油系統(tǒng)[2]。增速齒輪的主要作用是將給水泵電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速提升至滿足實(shí)際工況的運(yùn)行轉(zhuǎn)速；泵輪、渦輪、勺管和循環(huán)油系統(tǒng)的作用是通過勺管對循環(huán)油進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制液力耦合器中的充油量，進(jìn)而控制渦輪轉(zhuǎn)速，最后實(shí)現(xiàn)對液力耦合器轉(zhuǎn)速的控制。

液力耦合器是一種存在轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速設(shè)備，由于滑差的存在，泵輪與渦輪的轉(zhuǎn)速不會完全相等。典型的液力耦合器效率曲線如圖1所示。由圖1可以看出，液力耦合器效率最高點(diǎn)為給水泵的最大出力點(diǎn)[3]。在變負(fù)荷工況，尤其是在給水泵低轉(zhuǎn)速比狀況下，液力耦合器的效率很低[3]。

圖1 液力耦合器效率與給水泵轉(zhuǎn)速比關(guān)系曲線

1.2 給水泵變頻節(jié)能分析

根據(jù)泵與風(fēng)機(jī)的相似定律[4]有：泵的流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，泵的揚(yáng)程H與n2成正比，泵的功率P與n3成正比。據(jù)此可以計算出流量由額定值Qe下降至Q時，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的電動機(jī)理論功耗

P=(n/ne)3×Pe.

(1)

式中：Pe為額定功率；ne為額定轉(zhuǎn)速。

計算可得，當(dāng)給水泵出口流量降低至額定流量的60%時，給水泵理論功耗可下降至額定功耗的21.6%。液力耦合器調(diào)速方式下，電動機(jī)始終恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，損耗了相當(dāng)一部分功率[5]。

2 給水泵變頻改造

2.1 變頻器與液力耦合器的比較

變頻器與液力耦合器的性能對比見表2。

表2 變頻器與液力耦合器的性能對比

電動機(jī)采用變頻調(diào)速，其轉(zhuǎn)軸與負(fù)載直接相連，通過改變電動機(jī)的供電頻率來改變其轉(zhuǎn)速。變頻器的調(diào)速范圍為1%～100%，液力耦合器的調(diào)速范圍為20%～50%。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速下降時，變頻器仍能保持較高的效率，而液力耦合器效率下降較多。變頻器較液力耦合器在全范圍內(nèi)具有更高的效率[6]。

采用變頻器控制時，電動機(jī)可通過同步軟啟動方式將啟動電流限制在電動機(jī)額定電流以內(nèi)，不必考慮廠用電容量限制，對電動機(jī)和廠用電沖擊小[7]。采用液力耦合器控制時，電動機(jī)定頻啟動，對電動機(jī)和廠用電沖擊較大。液力耦合器通過改變工作腔油量大小來控制輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)精度低，響應(yīng)慢。變頻器調(diào)速的頻率改變速度快，可以在系統(tǒng)允許的最短時間內(nèi)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)精度在±0.05%以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)精確控制。

高壓變頻器性能可靠，維護(hù)費(fèi)用低，在設(shè)備正常運(yùn)行時無消耗。變頻器裝置出現(xiàn)問題后，能以旁路方式運(yùn)行，或者切換至備用泵運(yùn)行，這就需要對新的給水系統(tǒng)控制策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，滿足改造后多種運(yùn)行方式的穩(wěn)定運(yùn)行、靈活切換，保證給水系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 改造方案

電動給水泵變頻改造主要有2種技術(shù)方案[8-10]：方案1純電調(diào)變頻調(diào)速，采用更為高效的增速齒輪箱傳動裝置替換原液力耦合器；方案2電液并存調(diào)速，保留液力耦合器，使給水泵具有工頻、變頻2種運(yùn)行方式，工頻運(yùn)行時保持原勺管控制液力耦合器調(diào)速，變頻運(yùn)行時勺管全開，液力耦合器恒效運(yùn)行輸出，2種運(yùn)行方式可以切換。

方案1較方案2綜合效率高2%，但是鑒于熱電聯(lián)產(chǎn)對機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行要求較高，選擇采用安全性更高的方案2(電液并存調(diào)速方案)。對A、B給水泵進(jìn)行變頻改造，C給水泵維持不變。同時考慮運(yùn)行方式改變后對前置泵、液力耦合器的影響，對前置泵、液力耦合器進(jìn)行相應(yīng)的技改[11-13]：保留耦合器主傳動齒輪及潤滑油路系統(tǒng)，在泵組附近合適處增置1套供油裝置，供油裝置配備2臺螺桿泵互為備用，保證原耦合器潤滑油系統(tǒng)的需求，并保證對外設(shè)備供油。圖2為變頻器系統(tǒng)一次系統(tǒng)圖，其中：QF1為原開關(guān)；QS1、QS2、QS3為手動隔離開關(guān)；開關(guān)MQF1和電阻R構(gòu)成變頻器限流充電回路，主要用于降低變頻器合閘瞬間產(chǎn)生的勵磁涌流和充電電流；VFD為變頻調(diào)速系統(tǒng)(variable-frequency drive)；DXN為戶內(nèi)高壓帶電顯示儀(indoor high-volt charged display device)。

圖2 變頻器系統(tǒng)一次系統(tǒng)圖

2.3 控制策略

改造后的變頻調(diào)速型液力耦合器給水泵可實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行與工頻運(yùn)行相互切換，給水泵組可實(shí)現(xiàn)“雙工頻”“雙變頻”運(yùn)行方式，也能實(shí)現(xiàn)“一工一變”運(yùn)行方式。為了保證改造后多種運(yùn)行方式的穩(wěn)定運(yùn)行、靈活切換，以及給水系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，對于新的給水系統(tǒng)控制策略在可靠性及自動化方面要求較高。該項(xiàng)目原給水系統(tǒng)工頻運(yùn)行控制邏輯保持不變，新設(shè)置1套變頻控制邏輯，實(shí)現(xiàn)改造后給水泵組運(yùn)行方式的靈活切換及工頻、變頻泵并列運(yùn)行。

2.3.1 運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置

A、B給水泵變頻運(yùn)行，當(dāng)其中1臺發(fā)生故障時，啟動C備用給水泵。當(dāng)故障給水泵系統(tǒng)修復(fù)后，如果需要進(jìn)行倒泵操作，則通過手動完成倒泵；如果不需要進(jìn)行倒泵操作，則可以將檢修好的給水泵置于工頻備用方式，執(zhí)行邏輯不變。因此，變頻改造后新增給水泵組運(yùn)行狀態(tài)有以下幾種：①A、B給水泵“雙變頻”運(yùn)行，C給水泵備用；②A、B給水泵“一工一變”運(yùn)行，C給水泵備用；③A、C給水泵“一工一變”運(yùn)行，B給水泵工頻備用；④B、C給水泵“一工一變”運(yùn)行，A給水泵工頻備用。

為優(yōu)化控制策略，提升給水系統(tǒng)整體可靠性，未設(shè)置A、B給水泵變頻備用控制邏輯。

2.3.2 備用泵聯(lián)鎖邏輯設(shè)置

1臺給水泵投入備用：任一運(yùn)行給水泵跳閘，3 s脈沖，聯(lián)鎖啟動備用給水泵。

2臺給水泵投入備用：單臺給水泵運(yùn)行跳閘，3 s脈沖，聯(lián)鎖啟動備用給水泵(優(yōu)先聯(lián)啟C給水泵)；第1臺備用泵聯(lián)啟失敗，聯(lián)鎖啟動第2臺備用給水泵(第2臺備用泵按照A、B泵順序聯(lián)啟)。

備用泵聯(lián)鎖邏輯如圖3所示。

圖3 備用泵聯(lián)鎖邏輯

2.4 工頻泵、變頻泵并列調(diào)節(jié)控制

2.4.1 控制原則

在機(jī)組啟動初期負(fù)荷較低時，采用單沖量控制汽包水位。當(dāng)機(jī)組主蒸汽流量不小于25% BMCR時(250 t/h)，給水控制切換到三沖量；當(dāng)機(jī)組主蒸汽流量小于25% BMCR時，切回到單沖量，設(shè)置2%主蒸汽流量的切換死區(qū)避免切換頻繁。單沖量、三沖量調(diào)節(jié)器互為跟蹤，以保證切換無擾，每個給水泵設(shè)置獨(dú)立的指令偏置。

“雙工頻”“雙變頻”“一工一變”3種運(yùn)行方式設(shè)置工頻運(yùn)行、變頻聯(lián)運(yùn)(“雙變頻”或“一工一變”)2套控制回路。工頻運(yùn)行和變頻聯(lián)運(yùn)各獨(dú)立設(shè)置1套單/三沖量控制回路，工頻運(yùn)行和變頻聯(lián)運(yùn)互為閉鎖投自動，具體體現(xiàn)為任一給水泵變頻在自動狀態(tài)，所有給水泵勺管切手動狀態(tài)；任一給水泵勺管在自動狀態(tài)，所有給水泵變頻切手動狀態(tài)。變頻聯(lián)運(yùn)時給水變頻調(diào)節(jié)回路投入自動，變頻泵與工頻泵同時接受變頻調(diào)節(jié)器指令，再將頻率指令送入工頻泵控制回路的變頻-工頻控制指令轉(zhuǎn)換函數(shù)f(x)，根據(jù)計算出的給水泵變頻器指令與勺管位置之間的對應(yīng)關(guān)系設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，頻率指令會被f(x)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的勺管指令。改造后及時完成變頻泵變頻特性試驗(yàn)[14-18]，得出勺管開度與頻率指令間的函數(shù)關(guān)系。變頻聯(lián)運(yùn)時，變頻泵和工頻泵同時接受變頻調(diào)節(jié)指令，通過函數(shù)關(guān)系折算得到勺管開度，可以保證調(diào)節(jié)品質(zhì)，使2臺泵的轉(zhuǎn)速基本保持一致。

2.4.2 給水泵變頻特性試驗(yàn)

給水泵變頻改造后，進(jìn)行工頻、變頻運(yùn)行對照試驗(yàn)，得到液力耦合器勺管開度與二次轉(zhuǎn)子速度對應(yīng)關(guān)系，見表3。

由表3數(shù)據(jù)得出，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min時，勺管開度與勺管開度系數(shù)的關(guān)系曲線如圖4所示。

表3 液力耦合器勺管開度與二次轉(zhuǎn)子速度對應(yīng)關(guān)系

圖4 勺管開度與勺管開度系數(shù)的關(guān)系曲線

由圖4(以A耦合器為例)可知：當(dāng)勺管開度大于40%時，勺管開度系數(shù)約為76；當(dāng)勺管開度大于70%時，勺管開度系數(shù)約為71。以上數(shù)據(jù)有一定的規(guī)律性，同時也存在一定的離散性。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出頻率指令與勺管位置的對應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。

圖5 頻率指令與勺管開度的對應(yīng)關(guān)系

2.4.3 給水泵控制方式

a)“雙工頻”運(yùn)行狀態(tài)：給水泵勺管保持原控制邏輯不變。

b)變頻聯(lián)運(yùn)(“雙變頻”)運(yùn)行狀態(tài)：給水泵在變頻方式，3 s脈沖超馳開本泵勺管至100%，速率40%/s，變頻方式下本泵勺管保持全開。

c)變頻聯(lián)運(yùn)(“一工一變”)狀態(tài)：變頻泵勺管保持全開，頻率指令經(jīng)函數(shù)f(x)折算后用于工頻泵勺管指令及備用泵的勺管跟蹤。f(x)函數(shù)初設(shè)值為設(shè)計計算值，后經(jīng)對比試驗(yàn)得出f(x)準(zhǔn)確頻率指令與勺管開度的對應(yīng)關(guān)系；否則由勺管指令用于備用泵的勺管跟蹤。給水泵在停止?fàn)顟B(tài)時，此泵頻率、勺管指令均不用于備用泵的勺管跟蹤。

d)給水自動控制回路操作設(shè)計：為防止給水系統(tǒng)工頻運(yùn)行及變頻聯(lián)運(yùn)控制回路的監(jiān)視、操作出現(xiàn)錯誤，分別設(shè)置變頻聯(lián)運(yùn)和工頻純勺管2套控制回路，共用1個汽包水位設(shè)定入口，2個主要操作面板分開進(jìn)行操作，工頻運(yùn)行操作控制面板畫面如圖6所示(給水泵轉(zhuǎn)速控制面板)，“變頻聯(lián)運(yùn)”操作控制面板畫面如圖7所示(給水泵頻率控制面板)；當(dāng)給水旁路調(diào)節(jié)閥、變頻聯(lián)運(yùn)、純勺管控制均為手動時，水位設(shè)定跟蹤實(shí)際水位。

圖6 給水泵轉(zhuǎn)速控制面板

圖7 給水泵頻率控制面板

e)勺管控制回路自動切換邏輯設(shè)計：勺管在手動狀態(tài)下且滿足切換條件時出現(xiàn)切換模式，即允許操作切換控制回路。切換邏輯設(shè)計3 s脈沖閉鎖，以確?？刂苹芈犯櫷戤叄o水泵可無擾切換工頻運(yùn)行和變頻聯(lián)運(yùn)模式。當(dāng)A、B給水泵任意一臺變頻運(yùn)行時，C給水泵勺管在手動狀態(tài)，勺管程序自動切換至變頻聯(lián)運(yùn)模式，投入給水自動時，通過變頻(單/三沖量調(diào)節(jié))控制回路輸出C給水泵勺管自動控制指令，操作面板“變頻聯(lián)運(yùn)”指示字體顯示綠色背景。當(dāng)A、B給水泵均不在變頻運(yùn)行時，C給水泵勺管在手動狀態(tài)，C給水泵勺管程序復(fù)位變頻聯(lián)運(yùn)模式，投入給水自動時，通過原給水系統(tǒng)工頻純勺管(單/三沖量)控制回路輸出A、B、C給水泵勺管自動控制指令，操作面板“變頻聯(lián)運(yùn)”指示字體顯示灰色背景。

2.4.4 工頻泵與變頻泵并列實(shí)際運(yùn)行

變頻聯(lián)運(yùn)可分為“雙變頻”“一工一變”運(yùn)行，技術(shù)難點(diǎn)主要在工頻泵與變頻泵并列調(diào)節(jié)運(yùn)行，以及變頻泵故障跳閘聯(lián)鎖啟動備用工頻泵并列運(yùn)行，容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)速偏差大、2臺泵運(yùn)行出力不均導(dǎo)致?lián)屗痊F(xiàn)象。

在“一工一變”運(yùn)行狀態(tài)，給水變頻調(diào)節(jié)回路投入自動，變頻泵與工頻泵同時接受變頻調(diào)節(jié)指令，頻率指令經(jīng)函數(shù)f(x)折算后作為工頻泵勺管指令，這樣2臺泵的轉(zhuǎn)速可大致保持相等。根據(jù)給水變頻調(diào)節(jié)實(shí)際投入運(yùn)行曲線，變頻調(diào)節(jié)的給水泵與工頻勺管調(diào)節(jié)的給水泵轉(zhuǎn)速偏差約為70 r/min，變頻調(diào)節(jié)器控制參數(shù)設(shè)置不變，“一工一變”運(yùn)行的調(diào)節(jié)品質(zhì)與“雙變頻”或“雙工頻”運(yùn)行的調(diào)節(jié)品質(zhì)接近。并列運(yùn)行給水泵的調(diào)節(jié)性能、工頻備用泵聯(lián)啟后的調(diào)節(jié)性能均與f(x)的匹配精度有較大關(guān)系，在1號機(jī)組給水泵變頻改造中，為了找出精確的折算函數(shù)f(x)，對給水泵分別在不同負(fù)荷段進(jìn)行工頻、變頻頻率與勺管開度的比對試驗(yàn)，設(shè)計27段折算函數(shù)f(x)，以有效保證“一工一變”并列運(yùn)行的穩(wěn)定。

3 改進(jìn)效果評價

2022年1月某電廠1號機(jī)組電動給水泵變頻改造順利完成，A、B給水泵改造為變頻泵，C給水泵工頻備用。經(jīng)過3個月的運(yùn)行觀察，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，完全滿足機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的設(shè)計要求。改造前后相同給水流量的給水運(yùn)行數(shù)據(jù)匯總見表4，改造前后相同流量給水泵電流對比如圖8所示。

由表4和圖8可知，給水泵變頻改造后：給水入口流量516 t/h工況下，A給水泵電流下降79.32 A(降幅16.49%)，B給水泵電流下降80.22 A(降幅16.56%)；給水入口流量410 t/h工況下，A給水泵電流下降145.60 A(降幅36.73%)，B給水泵電流下降136.92 A(降幅34.62%)；給水入口流量340 t/h工況下，A給水泵電流下降86.69 A(降幅27.15%)，B給水泵電流下降79.93 A(降幅26.65%)。

表4 給水泵參數(shù)

圖8 改造前、后給水泵電流對比

汽包水位擾動試驗(yàn)曲線如圖9所示，試驗(yàn)擾動量±60 mm。14時36分08秒，汽包水位設(shè)定值向上階躍 60 mm；14時40分06秒，汽包水位進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，波動小于±25 mm，穩(wěn)定時間為238 s，衰減率Ψ=0.9。14時44分57秒，汽包水位設(shè)定值向下階躍 60 mm；14時47分34秒，汽包水位進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，波動小于±25 mm，穩(wěn)定時間為157 s，衰減率Ψ=0.9。由試驗(yàn)結(jié)果可知，給水泵變頻給水自動調(diào)節(jié)品質(zhì)良好。

圖9 給水泵并列運(yùn)行汽包水位擾動試驗(yàn)曲線

給水泵聯(lián)鎖啟動試驗(yàn)曲線如圖10所示。15時01分38秒，A給水泵變頻運(yùn)行跳閘，C給水泵聯(lián)鎖啟動；15時01分41秒C給水泵勺管開至84%，C前置泵出口流量達(dá)到685 t/h最大流量，B前置泵出口流量達(dá)到664 t/h。備用泵聯(lián)鎖啟動正常，給水系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖10 變頻泵跳閘備用泵工頻聯(lián)啟試驗(yàn)曲線

4 結(jié)束語

保留液力耦合器的給水泵變頻改造，原給水泵組未改動，變頻器故障退出后電動給水泵仍能通過液力耦合器調(diào)速工頻運(yùn)行，提高了事故情況下的容錯率。

電液并存調(diào)速控制變頻聯(lián)運(yùn)的技術(shù)難點(diǎn)主要在工頻泵與變頻泵并列調(diào)節(jié)運(yùn)行，以及變頻泵故障跳閘聯(lián)鎖啟動備用工頻泵并列運(yùn)行，容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)速偏差大、2臺泵出力不均導(dǎo)致?lián)屗痊F(xiàn)象。通過控制策略優(yōu)化，變頻調(diào)節(jié)給水泵與工頻勺管調(diào)節(jié)給水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速偏差控制在70 r/min以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)給水泵組工頻、變頻聯(lián)運(yùn)多種運(yùn)行方式及給水泵系統(tǒng)故障狀態(tài)下給水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

通過給水泵組控制方式的優(yōu)化設(shè)計，機(jī)組運(yùn)行期間給水泵可無擾切換變頻聯(lián)運(yùn)及工頻運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)給水泵組“雙工頻”“雙變頻”“一工一變”多種運(yùn)行方式的靈活切換。

改造后及時完成變頻泵變頻特性試驗(yàn)，得出勺管開度與頻率指令間的函數(shù)關(guān)系，通過函數(shù)關(guān)系折算勺管開度。變頻聯(lián)運(yùn)時，變頻泵和工頻泵同時接受變頻調(diào)節(jié)指令，在較大擾動時控制汽包水位波動小于±25 mm，充分發(fā)揮變頻器頻率信號精確的調(diào)節(jié)特性，有效保證給水自動調(diào)節(jié)品質(zhì)。

根據(jù)改造后機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從控制系統(tǒng)的安全可靠性、機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和節(jié)能效果等方面綜合分析，認(rèn)為電液并存調(diào)速給水泵變頻改造方案技術(shù)上可行，綜合降低廠用電率約0.51%，達(dá)到了預(yù)期的改造效果。