變頻調(diào)節(jié)技術(shù)在凝結(jié)水泵系統(tǒng)上的運用

魏勝孌

(華電四川發(fā)電有限公司攀枝花分公司，四川 攀枝花 617065)

1 設(shè)備概述

1.1 設(shè)備參數(shù)

華電四川發(fā)電有限公司攀枝花分公司2×150 MW汽輪機為北京某公司設(shè)計，上海某公司制造的超高壓、中間再熱、單缸、單轉(zhuǎn)子、單排汽、沖動凝汽式汽輪機組。機組凝結(jié)水系統(tǒng)為中壓系統(tǒng)，配裝2臺100%容量凝結(jié)水泵(以下簡稱凝泵)，運行方式為“一運一備”。凝泵參數(shù)見表1，凝泵電動機參數(shù)見表2。

表1 凝泵參數(shù)

表2 凝泵電動機參數(shù)

1.2 凝泵變頻改造前運行情況及存在的問題

1.2.1 凝泵變頻改造前運行情況

凝泵采用定速運行，凝結(jié)水經(jīng)凝泵升壓后流經(jīng)軸封加熱器，通過主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥(即除氧器上水調(diào)整門)和低壓加熱器進入除氧器。調(diào)整主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)節(jié)凝結(jié)水量，維持除氧器水位穩(wěn)定以滿足機組運行需要。凝結(jié)水還供給汽輪機低壓軸封汽減溫、低壓旁路減溫及汽輪機低壓缸噴水減溫等用水。為防止機組低負荷運行時凝結(jié)水系統(tǒng)超壓和凝結(jié)水泵汽蝕，凝泵設(shè)計有凝結(jié)水再循環(huán)管路，再循環(huán)調(diào)節(jié)閥配合調(diào)整除氧器水位，維持系統(tǒng)正常壓力運行。

1.2.2 凝泵變頻改造前存在的問題

(1)除氧器水位調(diào)整是通過改變主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥開度進行的，因其調(diào)節(jié)線性度差、節(jié)流損失大、凝泵耗電率較高而造成能源浪費。

(2)由于閥門動作頻繁，閥門的可靠性及使用壽命降低，影響機組的安全、穩(wěn)定運行。

(3)電動機啟動產(chǎn)生巨大的沖擊電流，不僅對同一母線上的電動機或其他設(shè)備正常工作造成極大的影響，而且交流高壓電動機直接啟動會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩沖擊，在很短的啟動過程中，轉(zhuǎn)子籠型繞組及阻尼繞組將承受很高的熱應力和機械應力，使籠條的端環(huán)斷裂，并且造成定子繞組絕緣的機械損傷和磨損，從而導致定子繞組絕緣擊穿。直接啟動時的大電流還會引起鐵芯振動，使鐵芯松弛，增加電動機發(fā)熱量。

2 變頻器的改造

2.1 電氣部分改造

此次變頻改造采用“一拖一”的接線方式，1臺機組采用1套變頻器，即1臺機組中1臺凝泵工頻運行，1臺凝泵變頻運行。此次凝泵A變頻改造電氣部分控制邏輯及狀態(tài)信號共計14個，其邏輯及各狀態(tài)信號說明如下。

2.1.1 模擬量信號3個

(1)模擬給定。開環(huán)狀態(tài)下，由分散控制系統(tǒng)(DCS)給定變頻器運行頻率。

(2)輸出頻率。變頻器實時輸出頻率(電動機運行頻率)反饋至DCS顯示。

(3)輸出電流。變頻器實時輸出電流(電動機運行電流)反饋至DCS顯示。

2.1.2 邏輯狀態(tài)信號8個

(1)變頻運行指示。變頻器已正常啟動運行，就地變頻器操作面板上“運行指示”綠燈長亮。

(2)重故障信號。

1)變頻器系統(tǒng)運行中發(fā)生重故障報警時，變頻器控制系統(tǒng)將自動發(fā)出高壓開關(guān)跳閘指令，6 kV高壓開關(guān)將自動跳閘，變頻器停止運行。同時閉鎖6 kV高壓開關(guān)“上電允許”信號，DCS上6 kV高壓開關(guān)合閘操作無效。就地變頻器操作面板上“故障指示”紅燈長亮。

2)變頻器控制系統(tǒng)將對重故障信號指示、高壓開關(guān)跳閘指令作記憶處理。即便故障消失，重故障信號指示、高壓開關(guān)跳閘指令依然保持。待故障排除并由運行人員到就地變頻器操作面板上對系統(tǒng)復位后，重故障信號指示才能消失，變頻器才能恢復到系統(tǒng)待機狀態(tài)。

3)重故障分類與報警。系統(tǒng)發(fā)生外部故障、變壓器過熱、電動機過流、單元故障(單元故障包括功率模塊單元缺相故障、過熱、驅(qū)動故障、光纖故障)、變頻器過流、高壓失電、接口板故障、控制器不通信、接口板不通信、系統(tǒng)超速、主控板故障等時，按重故障處理。

(3)輕故障信號。

1)變頻器系統(tǒng)運行中發(fā)生輕故障報警時，變頻器系統(tǒng)不停機，就地變頻器操作面板上“故障指示”紅燈閃亮。變頻器控制系統(tǒng)對輕故障信號不做記憶處理，僅做故障信號指示，待故障消失后，輕故障報警信號將自動消除。

2)變頻器系統(tǒng)輕故障包括變壓器超溫報警、柜門未關(guān)。

(4)上電允許信號。變頻器系統(tǒng)切換刀閘已切換至“變頻狀態(tài)”，系統(tǒng)自檢正常，允許合閘6 kV高壓開關(guān)。

(5)啟動允許信號。變頻器系統(tǒng)6 kV高壓開關(guān)已合閘，系統(tǒng)檢測有高壓電輸入，允許啟動變頻器運行。

(6)遠程控制信號。變頻器系統(tǒng)由遠方DCS操作控制。

(7)變頻狀態(tài)信號。變頻器系統(tǒng)切換刀閘已切換至“變頻狀態(tài)”運行。

(8)工頻狀態(tài)信號。變頻器系統(tǒng)切換刀閘已切換至“工頻狀態(tài)”運行，變頻器系統(tǒng)退出。

2.1.3 控制指令信號3個

(1)遠程啟動指令。變頻器系統(tǒng)由DCS發(fā)出啟動變頻器運行指令。

(2)遠程停機指令。變頻器系統(tǒng)由DCS發(fā)出停止變頻器運行指令。

(3)高壓緊急分斷指令。當運行人員就地檢查發(fā)現(xiàn)變頻器系統(tǒng)出現(xiàn)緊急狀況，或需要立即切斷變頻器高壓電源時，運行人員應按下變頻器操作面板上“高壓分斷”按鈕。此“高壓分斷”按鈕具有自鎖功能，需要復位“高壓分斷”按鈕時，只需將此按鈕順時針旋轉(zhuǎn)45°后自動復位。

2.2 熱工部分改造

2.2.1 改造概述

該項目為凝泵A變頻改造所實施的配合項目。系統(tǒng)總體改造情況為加裝凝泵A變頻器1臺，單獨為凝泵A提供變頻電源，凝泵B仍保持原工頻方式運行不變。熱工方面改造的總體原則是在DCS中新增凝泵A變頻器相關(guān)的I/O測點，新增凝泵A的操控界面，相應調(diào)整、變更凝泵A自動調(diào)節(jié)、保護、聯(lián)鎖、報警等邏輯，滿足變頻改造后相關(guān)系統(tǒng)的正常運行、調(diào)整和監(jiān)視需要。

(1)就地設(shè)備部分。新增變頻室溫元件及電纜敷設(shè)。

(2)DCS部分。操作員站畫面做相應修改，替換或新增部分報警信號。原凝泵A操控邏輯、凝泵A(6 kV開關(guān))熱機保護跳閘條件、啟動條件等做相應變更，相關(guān)泵、閥門聯(lián)鎖關(guān)系做相應變更，新增凝泵A變頻器的操控邏輯。

2.2.2 改造范圍

(1)設(shè)備部分。在凝泵A變頻器室加裝室溫元

件Pt100。

(2)DCS硬件部分。利用現(xiàn)有DCS備用I/O通道進行改造，不再新增卡件等硬件。

(3)DCS畫面部分。在汽機凝結(jié)水系統(tǒng)中設(shè)置按鈕，并新增彈出窗口，窗口內(nèi)容為凝泵A變頻系統(tǒng)，應包含凝泵A高壓開關(guān)、變頻器等設(shè)備的操控、調(diào)節(jié)、狀態(tài)、報警監(jiān)視等內(nèi)容。汽輪機主控圖、凝結(jié)水系統(tǒng)畫面中涉及凝泵A的內(nèi)容做相應更新。DCS光字牌報警、汽輪機設(shè)備安全管理做相應更新。

(4)DCS邏輯部分。

1)DPU2。根據(jù)邏輯設(shè)計方案進行除氧器水箱水位調(diào)節(jié)修改。在38組態(tài)頁新增凝泵A變頻控制。

2)DPU7。在55組態(tài)頁中新增凝泵A變頻器邏輯，包含凝泵A變頻器的操控、保護等控制邏輯以及凝泵A啟、停狀態(tài)的自動判斷邏輯。原凝結(jié)水泵A組態(tài)頁名稱修改為凝泵A高壓開關(guān)，包含凝泵A高壓開關(guān)的操控、保護等邏輯。對凝泵A出口電動門、凝泵B組態(tài)頁中的相關(guān)測點取用進行修改。根據(jù)配點情況修改點目錄文件，相應修改歷史數(shù)據(jù)收集配置文件。

2.2.3 DCS邏輯設(shè)計方案

由于變頻改造后凝泵A存在2種運行方式，即變頻運行方式和工頻運行方式，需DCS操控的設(shè)備有2個，即6 kV開關(guān)和變頻器，在DCS畫面及組態(tài)中對其分別進行控制。工頻運行方式下以高壓開關(guān)的分合進行凝泵A的啟、?？刂?；變頻運行方式下，保護跳閘時直接跳高壓開關(guān)，正常啟、停時則以變頻器的啟停進行凝泵A的啟、停控制。

凝泵A啟、停狀態(tài)同樣需根據(jù)運行方式的不同采用不同的設(shè)備測點，變頻方式下選取變頻器的啟停狀態(tài)，工頻方式下選取高壓開關(guān)的啟、停狀態(tài)，通過組態(tài)邏輯實現(xiàn)自動判斷。DCS畫面中凝泵A的狀態(tài)顏色同樣采用上述方式選取。需要說明的是，變頻方式下，因變頻器只有運行狀態(tài)送至DCS，故凝泵A的畫面顏色只有紅、綠2種，無黃色狀態(tài)。

因變頻、工頻2種運行方式下保護動作均直接跳高壓開關(guān)，故變頻器控制邏輯中不設(shè)保護跳閘回路。

由于僅對單臺凝泵進行變頻改造，凝泵A將長期運行，且考慮到變頻器的啟動較為復雜，故凝泵A在變頻狀態(tài)下將不作為聯(lián)鎖備用。

關(guān)于除氧器水位自動調(diào)節(jié)，由于只有單臺凝泵進行變頻改造，B泵運行及A泵工頻運行時仍然使用凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)閥進行自動調(diào)節(jié)，故此次改造后除氧器水位自動調(diào)節(jié)繼續(xù)使用主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥。

主要邏輯設(shè)計(各類條件均為熱工側(cè)條件，不包含電氣回路)。

(1)凝泵A高壓開關(guān)邏輯條件。在變頻方式下的啟動允許條件中增加變頻器上電允許條件。凝泵A備用聯(lián)啟邏輯，需進行方式選擇，在工頻方式下可投入備用，否則不允許投備用。凝泵A聯(lián)跳邏輯，將原高壓開關(guān)合閘狀態(tài)替換為經(jīng)邏輯判斷后的泵運行狀態(tài)。

經(jīng)對原凝泵備用邏輯進行檢查發(fā)現(xiàn)存在不合理之處，即凝泵備用投入時泵的啟動允許條件隨即滿足，而備用投入的條件僅為對側(cè)泵運行及本泵停運，未考慮其他啟允許條件(凝汽器熱井水位低一值、低二值信號未發(fā)出，出口電動門關(guān)，高壓開關(guān)切遠控)，也未考慮原保護動作條件。在實際運行中，如果高壓開關(guān)未切遠控是可以投備用的，備用投入后啟允許條件也就同時滿足，而在這種情況下泵將無法聯(lián)啟。通過綜合考慮，做如下改進：考慮到備用的重要性，允許在熱井水位低一值發(fā)出的情況下投備用；熱井水位低二值與軸瓦溫度保護信號發(fā)出時不允許投備用、不允許泵啟動；備用投入時會聯(lián)開出口電動門，故出口電動門關(guān)不作為備用投入條件；高壓開關(guān)切遠控必須作為備用投入條件；取消“備用投入后泵啟動允許條件隨即滿足”這一邏輯。

保護跳閘條件(任一條件具備)：

1)變頻器重故障；

2)凝結(jié)水泵軸瓦溫度高；

3)凝汽器熱井水位低二值。

變頻方式下合閘允許條件(所有條件同時具備)：

1)變頻器重故障消失；

2)變頻器輕故障消失；

3)變頻器來上電允許；

4)距上次跳閘超過10 min；

5)變頻器切變頻方式；

6)高壓開關(guān)切遠控。

工頻方式下合閘允許條件(所有條件同時具備)：

1)變頻器切工頻方式；

2)熱井水位低一值信號未發(fā)出或備用投入；

3)出口電動門關(guān)或備用投入；

4)高壓開關(guān)切遠控；

5)泵保護動作條件未發(fā)出。

凝泵A工頻方式下備用投入條件(所有條件同時具備)：

1)變頻器切工頻方式；

2)高壓開關(guān)切遠控；

3)泵保護動作條件未發(fā)出；

4)B泵運行；

5)A泵停運。

備用投入后，如前3項條件丟失，則備用自動退出。此時運行人員應立即聯(lián)系處理，盡快重新投入。

凝泵B備用投入條件(所有條件同時具備)：

1)高壓開關(guān)切遠控；

2)泵保護動作條件未發(fā)出；

3)A泵運行；

4)B泵停運。

備用投入后，如前3項條件丟失，則備用自動退出。此時運行人員應立即聯(lián)系處理，盡快重新投入。

變頻方式下分閘允許條件(所有條件同時具備)：

1)變頻器切變頻方式；

2)變頻器停運超過10 s。

(2)凝結(jié)水泵B邏輯中，將聯(lián)啟邏輯中A泵高壓開關(guān)合、跳狀態(tài)替換為經(jīng)邏輯判斷后的泵運行、停止狀態(tài)。

(3)凝泵A變頻器邏輯條件。

啟動允許條件(所有條件同時具備)：

1)變頻器重故障消失；

2)變頻器輕故障消失；

3)變頻器切變頻方式；

4)變頻器來啟動允許；

5)變頻器遠控狀態(tài)；

6)凝汽器熱井水位低一值信號未發(fā)出；

7)出口電動門關(guān)；

8)高壓開關(guān)切遠控；

9)泵保護動作條件未發(fā)出。

(4)凝泵A啟停狀態(tài)判斷。

(5)凝結(jié)水泵A出口門邏輯條件。出口電動門聯(lián)開、聯(lián)關(guān)邏輯中，將原高壓開關(guān)合閘、跳閘狀態(tài)替換為經(jīng)邏輯判斷后的泵運行、停止狀態(tài)。

(6)在凝泵A頻率調(diào)節(jié)邏輯中設(shè)置40%額定頻率(20 Hz)的下限，同時根據(jù)泵最低出口壓力值對頻率降低進行閉鎖，并設(shè)置閉鎖投、切開關(guān)，便于機組停運時安全停運變頻器。

(7)在除氧器水位調(diào)節(jié)邏輯中設(shè)置主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥超馳關(guān)邏輯：當A泵變頻方式運行中B泵聯(lián)啟時，主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥指令值在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上降低20%，同時調(diào)節(jié)閥自動切手動。

3 凝泵A變頻器改造試轉(zhuǎn)方案

此次凝泵A加裝變頻器，凝泵B保留原工頻運行方式，改造后凝泵A可在變頻和工頻2種方式下運行，工頻運行方式下凝泵A和凝泵B可以相互聯(lián)鎖。凝泵A變頻運行方式下，只能由凝泵A聯(lián)鎖凝泵B。動態(tài)試轉(zhuǎn)前，電氣和熱工靜態(tài)調(diào)試完畢，各邏輯和信號正確。凝泵A變頻方式下試轉(zhuǎn)分為2種：一種是電動機空載試轉(zhuǎn)，另一種是帶負荷試轉(zhuǎn)(主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥全開)。

3.1 凝泵A電動機空載試轉(zhuǎn)

將凝泵A電動機聯(lián)軸器拆開。

3.1.1 工頻工況下

(1)將變頻裝置切至工頻，檢查工頻方式下合閘允許條件是否滿足。啟動凝泵A查看電動機的轉(zhuǎn)向是否正確，否則電動機調(diào)相。

(2)工頻聯(lián)鎖試驗：聯(lián)鎖試驗前對凝泵A，B電氣保護進行傳動試驗，保護正常后，做凝泵A，B互聯(lián)動試驗。

3.1.2 變頻工況下

(1)將變頻裝置切至變頻位置，檢查變頻方式下合閘允許條件滿足。

(2)正常啟動變頻器，變頻器頻率自動整定為40%額定頻率(即20 Hz)，觀察電動機轉(zhuǎn)速，出口電動門是否聯(lián)動開啟，穩(wěn)定后逐步(步長為5 Hz)將頻率加至100%額定頻率(50 Hz)，記錄每個頻率下電動機電流、轉(zhuǎn)速和振動情況。

(3)變頻空載工況下聯(lián)鎖試驗：凝泵A變頻運行正常，凝泵B聯(lián)鎖備用。按下凝泵A變頻器緊急分斷按鈕，凝泵A停閘，凝泵B聯(lián)動正常。試驗凝泵A變頻器非正常停運，6 kV開關(guān)不跳情況下，凝泵B聯(lián)動正常。

3.2 凝泵A變頻帶負荷試運行

(1)凝泵A變頻空載試轉(zhuǎn)正常后，將#12機組凝泵A電動機聯(lián)軸器聯(lián)接上。

(2)檢查凝泵A切至變頻位置，合閘允許條件滿足，主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥全開。

(3)正常啟動變頻器，變頻器頻率自動整定為40%額定頻率(即20 Hz)，觀察電動機轉(zhuǎn)速，出口電動門是否聯(lián)動打開，記錄泵的出口壓力，觀察低轉(zhuǎn)速下電動機和泵的振動。穩(wěn)定后逐步(步長為5 Hz)將頻率加至100%額定頻率(50 Hz)，并記錄各個頻率下泵的出口壓力、流量、電流、振動頻率。根據(jù)系統(tǒng)對泵出口壓力的要求，確定凝泵A運行中最低頻率的限制。

(4)確定凝泵A運行中最低頻率后，熱工對最低頻率限制進行修改后試驗邏輯是否正常。

(5)配合廠家人員進行變頻裝置負載參數(shù)測試和試驗。

(6)變頻帶負荷下聯(lián)鎖試驗。凝泵A變頻穩(wěn)定運行，凝泵B聯(lián)鎖備用。凝泵A變頻器重故障跳閘，凝泵B聯(lián)動正常，主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥指令值在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上降低20%，同時主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥自動切手動。觀察、記錄凝結(jié)水流量、凝泵出口壓力變化。

(7)在凝泵A停運過程中，根據(jù)泵最低出口壓力值對頻率降低進行閉鎖試驗。

4 經(jīng)濟效益及可靠性分析

4.1 節(jié)能

異步感應電動機的轉(zhuǎn)速n與電壓頻率f、轉(zhuǎn)差率s、電機極對數(shù)p有如下關(guān)系：n=60f(1-s)/p。改變電壓頻率f可以改變電動機轉(zhuǎn)速。由于凝泵對轉(zhuǎn)速精度要求不是非常高,在異步感應電動機的設(shè)計制造完成后,在帶負載運行過程中由于負載變化,轉(zhuǎn)差率會略有變化,但變化極小，因此可以認為電動機轉(zhuǎn)速與變頻器輸出電壓頻率成線性關(guān)系。所以，將頻率不變的工網(wǎng)電壓變換為不同的頻率電壓時，電動機轉(zhuǎn)速也會隨之改變。

在進行變頻調(diào)速改造前，凝泵電動機始終處于100%工作負荷狀態(tài)下，調(diào)節(jié)凝結(jié)器和除氧器中的水位，即凝結(jié)泵的出水量完全通過主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥門開度改變管路的阻力來實現(xiàn)。當水量減小時，電動機功率并沒有明顯下降。如圖1所示，當需要減小流量時，減小閥門開度，凝泵工作點從A點移到D點，忽略泵機和電動機效率變化，電動機功率變化不明顯。當采用變頻調(diào)速后，節(jié)能效果是明顯的。凝泵A變頻改造參數(shù)見表1。

圖1 水泵類負載工作特性曲線

4.2 減少電動機啟動時的電流沖擊

電動機工頻直接啟動時的最大啟動電流為額定電流的7倍，星角啟動為4.5倍，電動機軟啟動也達到2.5倍。變頻器可以做到啟動轉(zhuǎn)矩高且平滑無沖擊，減少對電網(wǎng)的沖擊，保證機組正常運行。觀察變頻器啟動的負荷曲線，可以發(fā)現(xiàn)其在啟動時基本沒有沖擊，電流從0開始，僅是隨著轉(zhuǎn)速增加而上升，不管怎樣都不會超過額定電流。因此凝泵變頻運行解決了電動機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電動機、傳動系統(tǒng)和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養(yǎng)費用。

4.3 延長設(shè)備壽命

使用變頻器可使電動機轉(zhuǎn)速變化隨凝泵的加減速特性曲線變化，沒有應力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。而且機械壽命與轉(zhuǎn)速的倒數(shù)成正比，降低凝泵轉(zhuǎn)速可成倍地提高凝泵壽命，降低了凝泵使用費用。

4.4 降低噪音

凝泵改用變頻器后，降低水泵轉(zhuǎn)速的同時，噪聲大幅度降低。同時消除了啟動和停止時的打滑和尖嘯聲，消除了由于調(diào)門線性度不好、調(diào)節(jié)品質(zhì)差而引起的管道沖擊和振動。

表1 凝泵A變頻改造參數(shù)

5 此次變頻改造的影響因素

(1)一是單臺凝泵變頻改造，二是單臺變頻器的情況下未設(shè)置變頻器在兩泵間的自動切換功能，制約節(jié)能潛力的進一步發(fā)揮。

(2)除氧器水位自動執(zhí)行單元采用主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥，因其已使用較長年限，調(diào)節(jié)特性偏移導致自動投入效果不佳，帶來一定的附加損失。

(3)改造后熱工聯(lián)鎖邏輯變得復雜，B泵聯(lián)啟時不可避免地造成凝結(jié)水流量及母管壓力大幅波動，對除氧器及熱井水位的精確控制造成一定影響。

6 結(jié)論

通過改造，不但實現(xiàn)了DCS的軟操作，有效避免了電動機啟動時的強力沖擊，保證了設(shè)備的安全，同時滿足除氧器水位調(diào)節(jié)的需要和各種異常工況變化的要求，有效解決了凝結(jié)水系統(tǒng)管道在低負荷振動大、閥門節(jié)流大、控制系統(tǒng)滯后、相互耦合嚴重以及控制對象特性不確定等難題，更重要的是降低了凝泵耗電率，為機組的安全、經(jīng)濟運行奠定基礎(chǔ)，也是企業(yè)節(jié)能減排的重要舉措。