300 MW 機(jī)組凝結(jié)水泵變頻經(jīng)濟(jì)性方式運(yùn)行研究與優(yōu)化

王東旭， 張軍峰， 胡佳佳， 趙大偉， 韓偉慶， 沈成喆

（三河發(fā)電有限責(zé)任公司， 河北 三河 065201）

0 引言

三河電廠二期機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)為兩臺(tái)變頻泵運(yùn)行一臺(tái)工頻泵備用，在變頻凝泵故障情況下，聯(lián)啟工頻凝泵，同時(shí)正常運(yùn)行變頻凝結(jié)水泵指令加載到最大值至50 Hz，和聯(lián)啟的工頻泵共同提供凝結(jié)水，保持除氧器水位在合理范圍內(nèi)?，F(xiàn)有系統(tǒng)為單回路三沖量調(diào)節(jié)，整個(gè)凝結(jié)水系統(tǒng)只控制除氧器水位[1]，在此單一控制模式下，凝結(jié)水壓力未實(shí)現(xiàn)全程控制，在凝結(jié)水壓力較高的情況下，除氧器上水調(diào)門(mén)截流較大，導(dǎo)致凝泵變頻優(yōu)勢(shì)未被發(fā)揮出來(lái)，凝泵電耗較高，通過(guò)系統(tǒng)全工況分析，提供一種全程凝結(jié)水經(jīng)濟(jì)運(yùn)行智能化控制方案，使用系統(tǒng)凝結(jié)水壓力控制作為除氧器水位調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制，整個(gè)凝結(jié)水系統(tǒng)的壓力在安全前提下，保持一個(gè)較低值，這樣除氧器水位調(diào)門(mén)開(kāi)度在較高值，凝結(jié)水變頻泵控制凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速，并使轉(zhuǎn)速大幅下降，大量節(jié)約廠用電，該模式同樣設(shè)計(jì)了安全模式和經(jīng)濟(jì)模式，即凝結(jié)水泵調(diào)水位、除氧器水位調(diào)門(mén)調(diào)壓力為經(jīng)濟(jì)模式，除氧器水位調(diào)門(mén)調(diào)水位，凝結(jié)水泵調(diào)壓力為安全模式，實(shí)現(xiàn)了除氧器水位調(diào)門(mén)調(diào)壓力、調(diào)除氧器水位和凝結(jié)水泵調(diào)壓力[2]、調(diào)水位四個(gè)PID 控制在不同工況下的無(wú)擾切換，考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式下多工況適應(yīng)性，長(zhǎng)周期的運(yùn)行實(shí)踐表明，該方案既保證了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性又保障了安全性。

1 經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)化原理及可行性分析

凝結(jié)水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的原理是在保障除氧器水位穩(wěn)定并且凝結(jié)水壓力滿(mǎn)足的前提下，通過(guò)開(kāi)大上水調(diào)門(mén)開(kāi)度，減少上水調(diào)門(mén)截流，加大調(diào)門(mén)過(guò)水量，從而使凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速降低，節(jié)約廠用電。從系統(tǒng)上分析，運(yùn)行人員手動(dòng)控制凝結(jié)水母管壓力，為了保障系統(tǒng)安全，壓力經(jīng)?？刂圃谳^高值，系統(tǒng)耗電率較高。實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的原理是，設(shè)計(jì)PID 使壓力閉環(huán)控制，壓力采用不同負(fù)荷段的安全壓力，由系統(tǒng)自動(dòng)變化，這樣就能自動(dòng)找到最優(yōu)壓力值，保障系統(tǒng)安全的情況下，由除氧器上水調(diào)門(mén)控制，調(diào)門(mén)在開(kāi)大的同時(shí)，凝結(jié)水泵出力得到降低，從系統(tǒng)安全角度考慮，在異常工況下，切換至調(diào)門(mén)控水位，保障除氧器水位穩(wěn)定，凝結(jié)水泵側(cè)接管壓力調(diào)節(jié)使系統(tǒng)一直保持在自動(dòng)控制狀態(tài)。通過(guò)搜集信息分析得出，凝結(jié)水母管壓力理論安全值符合要求，同時(shí)全負(fù)荷段投入自動(dòng)控制，減少了運(yùn)行變負(fù)荷下的操作量，提高了工作效率，該方案具有可行性。

2 存在的主要問(wèn)題及對(duì)策分析

1）在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行期間，兩臺(tái)凝結(jié)水變頻泵運(yùn)行，除氧器上水調(diào)門(mén)開(kāi)度在40%～50%，節(jié)流損失較大[3]，凝結(jié)水泵水泵耗電率較高。需要實(shí)現(xiàn)全工況下凝結(jié)水壓力監(jiān)控，保持除氧器上水閥在較大開(kāi)度，并在高負(fù)荷下凝結(jié)水壓力具備足夠的安全裕度下，由凝結(jié)水泵變頻器直接控制水位，上水調(diào)門(mén)無(wú)截流。

2）凝結(jié)水泵變頻和除氧器上水調(diào)門(mén)均控制除氧器水位，屬于單回路三沖量控制水位方式，正常運(yùn)行時(shí)不能同時(shí)投入自動(dòng)調(diào)節(jié)，只能單一投入，無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)組除氧器水位全程化、智能化。

3）由于凝結(jié)水泵變頻和除氧器水位調(diào)門(mén)有一側(cè)處于手動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)行人員在變負(fù)荷，尤其是降負(fù)荷階段，整個(gè)機(jī)組操作量較大，不能及時(shí)干預(yù)凝結(jié)水系統(tǒng)調(diào)節(jié)，為了保障安全，凝結(jié)水母管壓力經(jīng)常保持在較高值，較大地?fù)p失了凝結(jié)水泵耗電量。

4）凝結(jié)水母管壓力處于運(yùn)行人員手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻或除氧器水位調(diào)門(mén)控制，滯后性較大。

3 解決優(yōu)化方案

1）在除氧器水位原控制方式的基礎(chǔ)上，增加凝結(jié)水母管壓力自動(dòng)控制回路進(jìn)行閉環(huán)控制。增加兩個(gè)壓力調(diào)節(jié)智能PID，實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水泵水泵變頻和除氧器上水調(diào)門(mén)雙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)雙控壓力回路，并實(shí)現(xiàn)控制方式的全工況無(wú)擾切換。

2）由于原設(shè)計(jì)只有一個(gè)凝結(jié)水母管壓力測(cè)點(diǎn)，為了保障調(diào)節(jié)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，新增加一個(gè)凝結(jié)水母管壓力測(cè)點(diǎn)，與原測(cè)點(diǎn)二取均后的壓力值作為整個(gè)系統(tǒng)凝結(jié)水母管壓力的測(cè)量值（PV 值）。

3）命名兩種控制模式，在凝結(jié)水變頻器和除氧器水位上水調(diào)門(mén)均投入自動(dòng)情況下，若由凝結(jié)水泵變頻自動(dòng)控制除氧器水位，而除氧器上水調(diào)門(mén)自動(dòng)控制凝結(jié)水母管壓力，這種模式命名為經(jīng)濟(jì)模式。反之，若凝結(jié)水泵變頻控壓力，而除氧器上水調(diào)門(mén)控制水位，把這種模式命名為安全模式。

4）在邏輯中，凝結(jié)水泵變頻側(cè)投自動(dòng)，適合于單泵和雙泵，即只要有一臺(tái)凝結(jié)水泵在自動(dòng)狀態(tài)，均為凝結(jié)水泵變頻在自動(dòng)調(diào)節(jié)位。同時(shí)若另一臺(tái)凝結(jié)水泵變頻也在運(yùn)行，則跟蹤投自動(dòng)凝結(jié)水泵變頻指令。

5）為了保障系統(tǒng)安全性的前提，任何工況下均能由經(jīng)濟(jì)模式強(qiáng)切換至安全模式，若要機(jī)組在經(jīng)濟(jì)模式下運(yùn)行，設(shè)計(jì)如下條件自動(dòng)全工況自主判斷切換到經(jīng)濟(jì)模式：凝結(jié)水再循環(huán)門(mén)開(kāi)度小于5%；凝結(jié)水流量大于280 t，死區(qū)20 t；除氧器水位調(diào)整閥開(kāi)度大于20%；凝結(jié)水泵變頻至少有一臺(tái)在自動(dòng)方式；無(wú)MFT；無(wú)RB；運(yùn)行人員手動(dòng)將按鈕置于經(jīng)濟(jì)模式允許；凝結(jié)水泵出口壓力超過(guò)2.5 MPa 后，10 min 內(nèi)不允許投經(jīng)濟(jì)模式。

6）根據(jù)機(jī)組特性，凝結(jié)水壓力安全裕度、運(yùn)行規(guī)程以及通過(guò)汽輪機(jī)效率試驗(yàn)，各負(fù)荷段見(jiàn)表1。

表1 凝結(jié)水泵母管壓力與機(jī)組負(fù)荷的函數(shù)

由表1 可以看出，隨著負(fù)荷升高，壓力設(shè)定值自動(dòng)變大，且壓力設(shè)定值是在滿(mǎn)足機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，盡量壓低壓力設(shè)定值，在經(jīng)濟(jì)模式下，除氧器上水調(diào)門(mén)控制凝結(jié)水母管壓力，意為盡量使除氧器上水調(diào)門(mén)開(kāi)度變大，最大限度減小除氧器上水調(diào)門(mén)節(jié)流效果，挖掘凝結(jié)水泵變頻的節(jié)能潛力。

7）通過(guò)以上優(yōu)化方案，最終確定了凝結(jié)水變頻器和除氧器上水調(diào)門(mén)控制的邏輯關(guān)系，見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 除氧器水位調(diào)門(mén)控制邏輯

4 優(yōu)化措施

1）在低負(fù)荷時(shí)，運(yùn)行人員反映有時(shí)出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)模式和安全模式來(lái)回切換，從邏輯中反映就是門(mén)控水位和門(mén)控壓力切換，變頻控水位和變頻空壓力來(lái)回切換，通過(guò)查詢(xún)歷史曲線，發(fā)現(xiàn)凝結(jié)水流量在392 t（原切換流量值）附近波動(dòng)，雖然門(mén)和變頻切換是無(wú)擾的，但對(duì)系統(tǒng)仍存在不利因素，因此將流量值由392 t 改為280 t，并增加死區(qū)。

2）在高負(fù)荷經(jīng)濟(jì)模式切至安全模式時(shí)，此時(shí)調(diào)門(mén)控水位，變頻控壓力，此時(shí)若調(diào)門(mén)開(kāi)度過(guò)大造成調(diào)門(mén)無(wú)調(diào)節(jié)裕量，需要運(yùn)行人員手動(dòng)提高壓力設(shè)定值，增大變頻出力，使調(diào)門(mén)對(duì)水位回到正常調(diào)節(jié)位。

3）凝結(jié)水泵節(jié)能優(yōu)化投入后，投變頻泵自動(dòng)時(shí)除氧器水位調(diào)節(jié)閥基本都在較大開(kāi)度或全開(kāi)，若一臺(tái)變頻泵突然跳閘，備用工頻泵聯(lián)啟，凝結(jié)水流量瞬間變化很大，此時(shí)對(duì)三沖量的副調(diào)節(jié)擾動(dòng)很大，不利于水位調(diào)節(jié)，需要將除氧器水位調(diào)閥迅速關(guān)至凝結(jié)水泵工頻方式下機(jī)組負(fù)荷對(duì)應(yīng)的開(kāi)度，如表2 所示。

表2 負(fù)荷與開(kāi)度函數(shù)

此時(shí)，除氧器水位調(diào)節(jié)門(mén)接管水位調(diào)節(jié)，當(dāng)發(fā)生聯(lián)啟備用泵的情況下，水位自動(dòng)投入的時(shí)間選擇非常重要，根據(jù)閥門(mén)特性設(shè)計(jì)延時(shí)投入除氧器調(diào)門(mén)自動(dòng)，同時(shí)修正除氧器水位切換曲線，讓切換曲線中閥門(mén)開(kāi)度略大于正常工頻方式下對(duì)應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)度。這樣可以快速有效地補(bǔ)充凝結(jié)水泵切換過(guò)程中除氧器水箱中水量下降，保障切換方式下除氧器水位和自動(dòng)調(diào)節(jié)的平穩(wěn)。具體見(jiàn)圖3。

圖3 經(jīng)濟(jì)模式下變負(fù)荷期間除氧器水位與壓力控制

5 應(yīng)用效果

本次優(yōu)化在機(jī)組檢修期間完成，并啟動(dòng)后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，通過(guò)在線對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改及擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了凝泵變頻與除氧器水位調(diào)門(mén)的全負(fù)荷段雙自動(dòng)投入，一方面減少了運(yùn)行人員變負(fù)荷情況下的操作，另一方面以提質(zhì)增效為導(dǎo)向大大降低凝結(jié)水泵電耗，節(jié)約了能源，降低了廠用電率，提高了機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

1）經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)對(duì)300 MW 機(jī)組水泵調(diào)節(jié)變頻器150 MW 負(fù)荷時(shí)單泵運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，水泵運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)電流值平均降低8 A，每日節(jié)約廠用電電量約3 800 kW·h，每年節(jié)約廠用電費(fèi)用約60 萬(wàn)元。

2）社會(huì)效益。針對(duì)同類(lèi)型的機(jī)組可以根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況對(duì)水泵變頻控制除氧器水位邏輯進(jìn)行深度優(yōu)化，在保障機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮凝結(jié)水泵的節(jié)能潛力，帶來(lái)一定的社會(huì)效益。