1 036 MW機(jī)組凝結(jié)水泵變頻調(diào)節(jié)控制策略優(yōu)化及其深度節(jié)能研究

孫偉鵬，江永

（華能海門電廠，廣東省汕頭市，515132）

0 引言

變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，其卓越的調(diào)速性能、完善的保護(hù)功能、顯著的節(jié)能效果和簡單易行的自動(dòng)調(diào)節(jié)特性成為電廠節(jié)能降耗行之有效的手段[1]。凝結(jié)水泵（簡稱凝泵）流量裕度大，變工況頻繁[2]，目前很多電廠都對其進(jìn)行了變頻節(jié)能改造。華能海門電廠1 036MW超超臨界燃煤機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)置3臺50％容量的凝泵，其中2臺采用變頻技術(shù)，1臺采用工頻作為備用，凝泵這種工頻、變頻特殊混合運(yùn)行方式下，其總體控制策略的設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)的凝泵控制策略不同；另外凝泵采用變頻技術(shù)，可以達(dá)到節(jié)能的目的，但變頻凝泵節(jié)能仍然存在深度節(jié)能的空間。

1 變頻器節(jié)能原理

根據(jù)電動(dòng)機(jī)理論，異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f、轉(zhuǎn)差率s、電機(jī)極對數(shù)p有如下線性關(guān)系：

變頻器是通過改變f的方式來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造完成后，轉(zhuǎn)速與頻率的線性關(guān)系即確定[3]。

由于n與f之間為線性關(guān)系，從理論上分析調(diào)速范圍在0％～100％之間時(shí)，其線性度都很好，將高壓變頻器用于節(jié)能改造，可避免閥門節(jié)流等帶來的功率損失，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

對于水泵，由流體動(dòng)力學(xué)理論可知，流量與轉(zhuǎn)速的1次方成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速2次方成正比，而泵的功率則與轉(zhuǎn)速的3次方成正比[4]。用H、N分別表示揚(yáng)程和功率，下角標(biāo)“0”均表示額定工況參數(shù)。當(dāng)流量由額定值Q0降至Q時(shí)，與額定功率N0比較，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的電機(jī)的功耗為

當(dāng)流量由100％降到70％，則轉(zhuǎn)速相應(yīng)降到70％，而電機(jī)的功耗降到34.3％N0，即節(jié)約電能65.7％。扣除閥門調(diào)節(jié)時(shí)的功耗與額定功耗的差、轉(zhuǎn)速下降引起電機(jī)的效率下降等因素，節(jié)能效果也非常顯著。

2 設(shè)備簡介

華能海門電廠1號機(jī)組的汽輪機(jī)是東方汽輪機(jī)有限公司制造的N1000-25/600/600型、超超臨界、單軸、四缸四排汽、一次中間再熱、凝汽式汽輪機(jī)。該機(jī)組配套3臺50％容量的9.5LDTNB-5PJ型凝泵，凝泵2臺變頻調(diào)節(jié)，1臺工頻調(diào)節(jié)。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，2臺變頻凝泵并聯(lián)運(yùn)行，1臺工頻凝泵備用。銘牌工況下，凝泵流量1 273m3/h，揚(yáng)程320m，軸功率1.329MW，效率83％，額定轉(zhuǎn)速1 480 r/min。凝泵電動(dòng)機(jī)及變頻器設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范如表1。

表11 凝泵電動(dòng)機(jī)及變頻器設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范Tab.1 Technicalspecifications for design of condensatepump motorand inverter

3 變頻凝泵深度節(jié)能策略

3.1 概述

目前火力發(fā)電廠中凝結(jié)水系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在除氧器水位調(diào)節(jié)閥開啟不足、節(jié)流劇烈的現(xiàn)象非常普遍，造成此現(xiàn)象的主要原因有：（1）凝泵的設(shè)計(jì)容量比機(jī)組最大凝結(jié)水量大10％，在10％的流量裕量中，其中大約一半是考慮了在凝結(jié)水系統(tǒng)中不存在的流量——凝泵老化裕量[5]；（2）凝泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程裕量較大，設(shè)計(jì)院一般按最大凝結(jié)水量計(jì)算凝結(jié)水系統(tǒng)阻力時(shí)加10％～20％的裕量，在不存在凝結(jié)水泵老化裕量的凝結(jié)水流量的情況下，考慮如此大的揚(yáng)程裕量顯然偏大，除氧器的計(jì)算壓力按最大工作壓力加15％的裕量也加大了揚(yáng)程裕量；（3）輔機(jī)制造廠提供的低壓加熱器和軸封冷卻器的保證壓降偏大；（4）大容量機(jī)組除氧器均采用滑壓運(yùn)行，其實(shí)際工作壓力低于凝泵確定設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)所取的最大工作壓力[6]；（5）凝泵出口壓力必須確保不低于最小允許值。一般情況下，汽泵密封水、旁路減溫水、汽輪機(jī)軸封蒸汽減溫噴水這三個(gè)用戶要求的凝結(jié)水壓力值較高，是降低凝泵出口壓力的主要制約因素。實(shí)際上，汽泵密封水壓力廠家要求值一般都留有較大裕量，可以通過試驗(yàn)適當(dāng)降低，同時(shí)，通過改造密封水引至凝泵出口母管，或者增加管道泵等措施得以解決。旁路減溫水常常在機(jī)組啟動(dòng)或事故工況下使用，高壓缸啟動(dòng)的機(jī)組尤為如此，此時(shí)可以通過提高變頻凝泵轉(zhuǎn)速或啟動(dòng)工頻凝泵來保證旁路減溫水供給。實(shí)踐證明，由于汽輪機(jī)軸封蒸汽減溫水流量非常少，再低的凝結(jié)水壓力也能夠滿足。

凝結(jié)水系統(tǒng)的控制策略直接會影響凝泵運(yùn)行的廠用電率，如何能降低變頻凝泵的電流是凝泵節(jié)能的主要切入點(diǎn)[7]，為此在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上修改了凝結(jié)水系統(tǒng)的控制邏輯，實(shí)踐證明節(jié)能效果顯著。

變頻控制策略要保證除氧器水位，保護(hù)凝泵出口壓力。變頻控制的對象是除氧器水位調(diào)節(jié)閥與凝泵轉(zhuǎn)速，控制目標(biāo)是除氧器水位和凝泵出口壓力[8]。實(shí)踐證明，通過除氧器水位調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)除氧器水位的控制特性，比將該閥固定在某一開度而僅通過凝泵轉(zhuǎn)速來控制水位的控制特性好，通過改變凝泵轉(zhuǎn)速來控制凝泵出口壓力則要比通過改變除氧器水位調(diào)節(jié)閥開度來改變凝泵出口壓力更快。

3.2 邏輯修改前的除氧器水位控制策略

（1）主閥在負(fù)荷大于250MW時(shí)進(jìn)行三沖量調(diào)節(jié)，負(fù)荷指令小于250MW時(shí)進(jìn)行單沖量調(diào)節(jié)。

（2）投入自動(dòng)時(shí)，若負(fù)荷小于250MW，且副閥正在調(diào)節(jié)水位時(shí)，則關(guān)閉；若副閥不在自動(dòng)調(diào)節(jié)水位，則主閥單沖量調(diào)節(jié)水位。

（3）投入自動(dòng)時(shí)，若負(fù)荷在250～500MW之間，變頻泵不在調(diào)節(jié)水位時(shí)，則主閥三沖量調(diào)節(jié)水位；負(fù)荷大于550MW，變頻泵在調(diào)節(jié)水位時(shí)，主閥根據(jù)負(fù)荷和閥位曲線調(diào)節(jié)，并用凝結(jié)水母管壓力進(jìn)行閥位修正，壓力設(shè)定值由當(dāng)前值切換到默認(rèn)值2.3MPa，變化速率為1 kPa/s。

3.3 邏輯修改后的除氧器水位控制策略

（1）當(dāng)負(fù)荷低于200MW時(shí)，變頻泵由負(fù)荷指令控制，由副閥單沖量控制除氧器水位。

（2）當(dāng)負(fù)荷從200MW加到250MW時(shí)，除氧器水位控制由副閥切到主閥（單沖量），變頻泵由負(fù)荷指令控制；當(dāng)負(fù)荷從250MW降到200MW時(shí)，除氧器水位控制由主閥（三沖量）切至副閥控制，變頻泵由負(fù)荷指令控制。

（3）當(dāng)負(fù)荷在250～400MW之間時(shí)，且除氧器水位、給水流量及凝結(jié)水流量測點(diǎn)無壞點(diǎn)，2臺變頻凝泵運(yùn)行且均在自動(dòng)時(shí)，由主閥三沖量控制方式調(diào)節(jié)除氧器水位，變頻泵由負(fù)荷指令控制（壓力控制）。

（4）負(fù)荷在350～400MW之間時(shí)，凝結(jié)水壓力由2.3MPa降為1.5MPa。

（5）負(fù)荷大于400MW時(shí)，凝結(jié)水壓力設(shè)定調(diào)整為1.5MPa。

（6）負(fù)荷在400～450MW之間時(shí)，保持原來控制方式。

（7）負(fù)荷大于450MW，2臺變頻凝泵運(yùn)行且均在自動(dòng)時(shí)，由變頻泵調(diào)節(jié)除氧器水位，除氧器水位調(diào)閥開度由負(fù)荷控制，根據(jù)負(fù)荷和閥位曲線調(diào)節(jié)，并用凝結(jié)水母管壓力進(jìn)行閥位修正，壓力設(shè)定值由當(dāng)前值切換到默認(rèn)值1.5MPa，變化速率為1 kPa/s。

（8）當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增加至750MW以上時(shí)，除氧器副調(diào)閥以一定的速率全開，但不參與調(diào)節(jié)。但機(jī)組負(fù)荷降至800MW以下時(shí)，除氧器副調(diào)閥以一定的速率全關(guān)，也不參與調(diào)節(jié)。

（9）當(dāng)變送器故障、單臺變頻泵運(yùn)行、主燃料跳閘（main fuel trip，MFT）動(dòng)作、運(yùn)行變頻泵不在自動(dòng)、除氧器水位高、負(fù)荷小于400MW任一條件滿足時(shí)，除氧器水位主、輔調(diào)節(jié)閥切手動(dòng)，變頻泵由負(fù)荷指令控制。

（10）機(jī)組低負(fù)荷時(shí)，凝結(jié)水流量波動(dòng)大，再循環(huán)門經(jīng)常打開泄流，增大了凝泵電流，影響機(jī)組安全[9]。凝結(jié)水再循環(huán)流量單臺凝泵運(yùn)行由原來的600 t/h降至400 t/h，2臺凝泵運(yùn)行由原來的1 200 t/h降至800 t/h。

（11）除氧器上水調(diào)閥PID前饋為負(fù)荷指令的函數(shù)，修改負(fù)荷對主閥位的對應(yīng)關(guān)系，達(dá)到降低節(jié)流損失的目的[10]，具體修改數(shù)據(jù)見表2。

表2 負(fù)荷與凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥開度對應(yīng)表Tab.2 Load and corresponding valve opening of condensatew water

（12）邏輯修改前后凝結(jié)水母管出口壓力曲線如圖1所示。

圖1 邏輯修改前后凝結(jié)水出口母管壓力與機(jī)組負(fù)荷對應(yīng)關(guān)系Fig.1 The correlation between the pressure of condensatewat erand the units load before and after logicalmodification

（13）修改前后的邏輯見圖2，虛線內(nèi)的區(qū)域是修改前的邏輯，點(diǎn)劃線內(nèi)的區(qū)域是變化的邏輯。

3.4 邏輯修改后對機(jī)組安全性的影響

邏輯修改后對機(jī)組進(jìn)行了輔機(jī)故障快速減負(fù)荷（run back，RB）安全性試驗(yàn)，負(fù)荷由1 000MW甩至500MW，試驗(yàn)證明機(jī)組RB后除氧器水位基本維持在正常水位不變（除氧器由正常水位2.25m增加至最高2.263m），凝汽器熱井水位也維持在正常范圍之內(nèi)（凝汽器由正常水位1m增加至最高1.239m），試驗(yàn)證明邏輯修改后凝結(jié)水系統(tǒng)能響應(yīng)負(fù)荷快速變化的要求，能滿足機(jī)組安全性的要求，RB試驗(yàn)曲線見圖3。

4 節(jié)能效果分析

邏輯修改前后，變頻凝泵電流變化如表3所示（每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行1 h，變頻凝泵A、B的電流取該時(shí)間段的平均值）。

表3 邏輯修改前后變頻凝泵電流變化值Tab.3 Currentvariation of condensate pump before and after logicalmodifica ation

機(jī)組在負(fù)荷500～600 MW之間運(yùn)行4 h左右，600～800MW之間運(yùn)行3 h左右，800～1 036MW之間運(yùn)行17 h左右，上網(wǎng)電價(jià)按0.5元/（kW·h）計(jì)算，每天大概節(jié)約3 779.9元，每年大概可以節(jié)約138萬元。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，機(jī)組負(fù)荷620MW以下保留1臺凝泵運(yùn)行，相對于以前2泵運(yùn)行的方式，500～620MW之間大約運(yùn)行5 h，每天大概節(jié)約112元，每年大概可以節(jié)約4萬元。

上述2種節(jié)能方案單臺機(jī)組每年可節(jié)約142萬元，節(jié)能降耗效果非常顯著。

5 結(jié)語

本文通過對凝結(jié)水系統(tǒng)凝泵及除氧器上水調(diào)門的全程控制策略進(jìn)行優(yōu)化，不但達(dá)到了變頻、工頻凝泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且節(jié)能降耗效果非常顯著。凝結(jié)水系統(tǒng)投入自動(dòng)后，運(yùn)行人員不用任何操作，實(shí)現(xiàn)全過程自動(dòng)控制，也滿足了機(jī)組自動(dòng)啟停系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)運(yùn)行的安全系數(shù)高，既防止了凝結(jié)水系統(tǒng)的超壓，也滿足機(jī)組異常工況下凝結(jié)水系統(tǒng)仍然能處于自動(dòng)狀態(tài)，減少運(yùn)行人員誤操作的可能性。凝結(jié)水系統(tǒng)的自動(dòng)控制能夠在機(jī)組的任何狀態(tài)下全程投入，避免機(jī)組負(fù)荷在250～290MW時(shí)鍋爐濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)時(shí)的擾動(dòng)。同時(shí)邏輯修改后，也滿足了機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，給水泵密封水、旁路噴水的要求。

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