凝結水泵變頻調速控制改造

陳華樁

（福建江隆水利水電工程有限公司，福建 龍巖 364000）

對于一用一備的重要輔機，采用脈寬可調的變頻控制方式無疑可以節(jié)約廠用電，但一臺變頻器帶一臺電動機（一拖一）的方式明顯增加了投資，純可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制方式也不利于模擬量自動控制系統(tǒng)的控制策略優(yōu)化。一拖二接線、PLC和分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）聯合控制方式解決了上述問題。

1 凝結水系統(tǒng)工藝流程

某公司裝機容量為2×300MW循環(huán)流化床熱電聯產機組。每臺機組分別安裝有一用一備2臺110%容量立式凝結水泵，其主要參數如表1。為有效降低某廠用電，實現節(jié)能降耗，該公司使用工程招標的方式進行凝結水泵變頻控制改造。

表1 凝結水泵主要技術參數

凝結水系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。汽輪機低壓缸排汽經凝汽器后凝結成水→凝結水泵→軸封加熱器→除氧器水位調節(jié)閥（另一路經凝結水最小流量調節(jié)閥回到凝汽器）→8＃7＃6＃5＃低壓加熱器→除氧器，除氧后凝結水經給水泵增壓后成為鍋爐給水。

凝結水泵把凝結水經低壓加熱器加熱后送入除氧器，維持除氧器水位穩(wěn)定。在正常運行狀態(tài)下，凝汽器內的水位主要根據機組負荷變化進行調整。當機組負荷升高時，凝結水流量增加，凝汽器內的水位相應升高；當機組負荷降低時，凝汽器內水位相應降低。要使凝汽器和除氧器這兩個容器處于良好的工作狀態(tài)，一個最重要的因素是要保證它們的水位在正常范圍，凝汽器水位一般靠熱井補水來維持，本文不再贅述。本文僅討論除氧器水位調節(jié)。如圖1所示，除氧器水位調節(jié)的執(zhí)行器包括除氧器水位調節(jié)閥、凝結水最小流量調節(jié)閥和凝結水泵變頻調速裝置。

圖1 凝結水系統(tǒng)工藝過程簡圖

2 凝結水泵變頻改造電氣一次接線

改變原先分別由6kV A段母線單獨供電A凝結水泵、6kV B段母線單獨供電B凝結水泵的情況，改造成如圖2所示的“自動／手動一拖二”的接線方式。圖中，QS1～QS4為旁路柜內的高壓隔離刀閘，QF1和QF2為高壓開關柜，U為變頻器，M1、M2為凝結水泵異步電動機。KM2與KM3、KM5與KM6可靠機械互鎖，KM1與KM4、KM2與KM5可靠電氣互鎖，保證系統(tǒng)安全可靠運行。

圖2 凝結水泵變頻改造電氣一次線路圖

6kV電源經2個斷路器接到高壓變頻裝置。變頻裝置輸出經隔離開關分別送至2臺電動機，即變頻運行方式；6kV電源還可經旁路隔離開關直接起動電動機，即工頻運行方式。變頻器帶A泵或B泵運行，一旦變頻裝置出現故障關閉，即可馬上斷開變頻器進線及出線接觸器，將變頻裝置隔離。同時，可將運行電動機切至工頻回路或將備用電動機投入運行。在工頻電源下，起動備用電動機運行，也可通過手動操作KM1～KM6隔離柜將A泵或B泵切至工頻運行或變頻運行（定期切換）。兩臺凝結水泵共用一臺變頻器，機組正常運行時，一臺變頻運行，另一臺投工頻備用；當變頻運行故障跳閘時，另一臺投工頻的泵自啟動。

3 凝結水泵變頻器系統(tǒng)

凝結水泵變頻器改造采用高－高電壓源型變頻系統(tǒng)，通過交－直－交變換實現變頻輸出。變頻器分為主電路和控制電路兩部分。對電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，稱為變頻器的主電路。主電路包括手動／自動旁路柜、移相變壓器、功率單元。向主電路提供保護、控制及信號的電路稱為控制電路，包括主控箱、工控機及PLC系統(tǒng)［1］。凝結水泵變頻調速控制系統(tǒng)如圖3所示，各組成部分的作用如表2所示。

圖3 凝結水泵變頻器調速控制示意圖

表2 凝結水泵變頻器控制系統(tǒng)組成及作用

當變頻器處于本控狀態(tài)時，操作人員通過工控人機主界面對變頻器直接進行啟動、設定運行頻率、停機、急停和復位等操作；當變頻器處于遠控狀態(tài)時，操作人員可在DCS操作員站上對變頻器進行遠程急停、遠程復位、變頻切工頻、一鍵啟動、一鍵停止及頻率指令給定等操作，此時變頻系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，只接收DCS頻率給定，可充分利用DCS系統(tǒng)的強大模擬量處理功能重新構成閉環(huán)自動調節(jié)系統(tǒng)［2］。如圖3中紅色虛線所示，遠控狀態(tài)下工控機只作監(jiān)視器用，DCS和PLC構成功能強大的聯合系統(tǒng)。

4 改造施工

4.1 施工程序

在做好工程招標、工程設計、土建施工（主要搭建變頻小室）、設備采購等前期準備工作后，辦理工作施工單參照異動方案分專業(yè)有序開始施工。先進行工頻盤路柜、移相變柜、功率柜、控制柜安裝，再進行動力電纜、控制電纜敷設，待熱控完成DCS模塊增容（增加模入點2個、模出點1個、開入點31個、開出點23個共計57個檢測控制點）和軟件組態(tài)后，進行電纜對線接線、送電調試、空載試轉、帶載投運等工作。

4.2 施工方法

將變頻器的調節(jié)功能和除氧器水位反饋信號接入DCS系統(tǒng)控制，在DCS系統(tǒng)進行變頻器的頻率自動和手動調節(jié)，進而實現凝結水泵轉速和水量的自動和手動控制。同時，將變頻器的保護、監(jiān)視、聯鎖信號接入DCS系統(tǒng)。為了保證變頻器具有良好的運行環(huán)境，確保變頻室內溫度不超過40℃，在凝結水泵變頻小室內安裝了2臺11.62kW空調對變頻器進行冷卻。針對變頻器功率模塊散發(fā)熱量多的情況，在變頻器功率柜頂部排風扇加裝了通風道，將熱風引出室外，有效地解決了變頻器溫度過高的問題，同時減少了空調冷卻制冷的耗電量。

4.3 工期控制

工程從2011年1月22日正式施工，2011年2月22日竣工，帶載模擬各種工況運行一周后，于2011年2月28日完成設備運行總驗收，做好各項統(tǒng)計并完成設備異動竣工報告，后續(xù)工作轉為設備節(jié)能分析和運行維護。

5 節(jié)能分析

5.1 控制性能分析

由于變頻調速裝置的功率單元采用了先進的絕緣柵雙極型功率管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）逆變橋（圖4中 A＋、A－、B＋、B－全控晶閘管等組成［3］），工作頻率可在10～20kHz之間，輸出波形為脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）［4］波形，大大減小了諧波分量和轉矩的脈動幅度，功率單元疊加后輸出波形正弦度好，從而使異步電動機能在更大范圍內實現無級調速，不存在調節(jié)閥死區(qū)、空行程大等影響控制精度的問題，這正是變頻調速能實現精密控制的關鍵所在。

圖4 變頻器功率單元結構和輸出波形

當變頻器處在遠控狀態(tài)，即構成DCS和PLC聯合控制系統(tǒng)（如圖3所示）時，可以把除氧器水位、除氧器壓力、除氧器溫度、轉速反饋等模擬量信號加入到復雜的DCS頻率給定運算邏輯中，甚至還可以把與現代先進控制理論相對應的邏輯加入到DCS中，從而大大改善變頻調速系統(tǒng)的調節(jié)性能。

5.2 改造費用

項目按照“一拖二方式”（兩臺凝結水泵共用一臺變頻器）施工（如圖2所示），可比“一拖一方式”（兩臺凝結水泵用兩臺變頻器）節(jié)省約50%施工費用。凝泵變頻改造各項費用如表3所示。

表3 凝泵異動投入材料及費用統(tǒng)計表

5.3 節(jié)能分析

按照電機學的基本原理，交流異步電動機的轉速滿足關系式［5］n＝60f（1－s）／p。由式可知，在電動機極對數p、轉差率s不變的情況下，電動機的同步轉速n正比于供電頻率f。由流體力學可知，P（功率）＝Q（流量）×H（壓力），即流量與轉速的一次方成正比，壓力與轉速的平方成正比。功率與轉速的立方成正比。若水泵的效率一定，當調節(jié)流量下降時，轉速將成比例下降，此時輸出功率成立方關系下降，即水泵電動機的耗電功率與轉速約成立方比關系，可見降低轉速大大降低軸功率，從而達到節(jié)電的目的，這就是變頻器的調速節(jié)能原理。

關于凝結水泵變頻調速控制能夠實現節(jié)能的原因，還可以站在自動控制的角度加以分析。如圖1所示，凝結水自動調節(jié)系統(tǒng)各執(zhí)行器的用途如表4所示。在工頻狀態(tài)下，除氧器水位調節(jié)閥調節(jié)除氧器水位，凝結水最小流量調節(jié)閥調整凝結水母管壓力。凝結水泵無論機組負荷高低均保持額定轉速1480r／min，即凝結水泵出口保持高壓頭。當負荷較低時，為了使除氧器水位在正常值，必須調整除氧器水位調節(jié)閥以相應減少凝結水流量；當凝結水流量變得很小時，凝結水泵無法正常工作，此時應打開凝結水最小流量調節(jié)閥，以維持凝結水泵正常運行。在高壓頭下，除氧器水位調節(jié)閥關小，節(jié)流損失較大，而此時若打開凝結水最小流量調節(jié)閥，則由于開度很小節(jié)流損失更大，且僅作為凝結水泵正常運行的附帶條件，不對除氧器水位產生調節(jié)效果。在變頻狀態(tài)下，由調節(jié)性能更好的凝泵變頻調節(jié)裝置代替除氧器水位調節(jié)閥擔任主要的除氧器水位調節(jié)任務；擔任凝結水母管壓力調節(jié)任務的除氧器水位調節(jié)閥盡量保持全開，凝結水最小流量調節(jié)閥無調節(jié)任務保持全關，有效降低了節(jié)流損耗。

表4 凝結水系統(tǒng)執(zhí)行器的用途

工程試驗中，安排凝結水泵分別在工頻方式和變頻方式下運行，記錄機組典型工況時凝結水泵的電流，見表5。由表中數據可知，機組負荷越低，輸入電流降得越多，凝結水泵電動機從電網輸入的功率越低，節(jié)電效果越明顯。本文采用估算法進行節(jié)能分析（還有一種常用的測量統(tǒng)計法，即將變頻方式機組發(fā)電量和凝泵耗電量直接與工頻數據進行比較。估算法簡單快捷，用過去推算將來；測量統(tǒng)計法按月度、季度或年度計算，統(tǒng)計周期長但較為準確。估算法的結論需要測量統(tǒng)計法的結論來驗證）。根據表5數據計算得到變頻器的平均節(jié)電率不低于45%，按2010年電廠發(fā)電量27TW·h計算，工頻狀態(tài)凝結水泵電耗0.4447%，則凝泵將節(jié)約廠用電（27×108×0.45×0.004447＝5403105）約540GW·h。按稅后電價0.3489／（kW·h）計算，折合約（5403105×0.3489＝1885143）約180萬元。該項目投資約130萬元，預計不到一年即可回收成本。

表5 典型工況下凝結水泵電流比較

6 結 語

通過以上分析可知，自動／手動一拖二方式可在改造時減少投入，PLC和DCS聯合控制方式能充分發(fā)揮PLC強于邏輯量運算和DCS強于模擬量控制的優(yōu)點，改善調節(jié)性能，有利于將現代先進控制理論用于變頻調速控制。以變頻調速為核心的自動調節(jié)模式為企業(yè)節(jié)能降耗開辟了重要途徑。

［1］郭世明.電力電子技術［M］.成都：西南交通大學出版社，2008.

［2］訾貴昌，王夢文，孫秀芬，等.自動控制原理與應用［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

［3］嚴震池.電機學［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［4］陳瑞陽.機電一體化控制技術［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［5］丁斗章.變頻調速技術與系統(tǒng)應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.