凝结水泵变频调速控制改造

2013-05-01陈华桩

上海电气技术 2013年1期

陈华桩

（福建江隆水利水电工程有限公司，福建龙岩 364000）

对于一用一备的重要辅机，采用脉宽可调的变频控制方式无疑可以节约厂用电，但一台变频器带一台电动机（一拖一）的方式明显增加了投资，纯可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制方式也不利于模拟量自动控制系统的控制策略优化。一拖二接线、PLC和分散控制系统（Distributed Control System，DCS）联合控制方式解决了上述问题。

1 凝结水系统工艺流程

某公司装机容量为2×300MW循环流化床热电联产机组。每台机组分别安装有一用一备2台110%容量立式凝结水泵，其主要参数如表1。为有效降低某厂用电，实现节能降耗，该公司使用工程招标的方式进行凝结水泵变频控制改造。

表1 凝结水泵主要技术参数

凝结水系统工艺流程如图1所示。汽轮机低压缸排汽经凝汽器后凝结成水→凝结水泵→轴封加热器→除氧器水位调节阀（另一路经凝结水最小流量调节阀回到凝汽器）→8＃7＃6＃5＃低压加热器→除氧器，除氧后凝结水经给水泵增压后成为锅炉给水。

凝结水泵把凝结水经低压加热器加热后送入除氧器，维持除氧器水位稳定。在正常运行状态下，凝汽器内的水位主要根据机组负荷变化进行调整。当机组负荷升高时，凝结水流量增加，凝汽器内的水位相应升高；当机组负荷降低时，凝汽器内水位相应降低。要使凝汽器和除氧器这两个容器处于良好的工作状态，一个最重要的因素是要保证它们的水位在正常范围，凝汽器水位一般靠热井补水来维持，本文不再赘述。本文仅讨论除氧器水位调节。如图1所示，除氧器水位调节的执行器包括除氧器水位调节阀、凝结水最小流量调节阀和凝结水泵变频调速装置。

图1 凝结水系统工艺过程简图

2 凝结水泵变频改造电气一次接线

改变原先分别由6kV A段母线单独供电A凝结水泵、6kV B段母线单独供电B凝结水泵的情况，改造成如图2所示的“自动／手动一拖二”的接线方式。图中，QS1～QS4为旁路柜内的高压隔离刀闸，QF1和QF2为高压开关柜，U为变频器，M1、M2为凝结水泵异步电动机。KM2与KM3、KM5与KM6可靠机械互锁，KM1与KM4、KM2与KM5可靠电气互锁，保证系统安全可靠运行。

图2 凝结水泵变频改造电气一次线路图

6kV电源经2个断路器接到高压变频装置。变频装置输出经隔离开关分别送至2台电动机，即变频运行方式；6kV电源还可经旁路隔离开关直接起动电动机，即工频运行方式。变频器带A泵或B泵运行，一旦变频装置出现故障关闭，即可马上断开变频器进线及出线接触器，将变频装置隔离。同时，可将运行电动机切至工频回路或将备用电动机投入运行。在工频电源下，起动备用电动机运行，也可通过手动操作KM1～KM6隔离柜将A泵或B泵切至工频运行或变频运行（定期切换）。两台凝结水泵共用一台变频器，机组正常运行时，一台变频运行，另一台投工频备用；当变频运行故障跳闸时，另一台投工频的泵自启动。

3 凝结水泵变频器系统

凝结水泵变频器改造采用高－高电压源型变频系统，通过交－直－交变换实现变频输出。变频器分为主电路和控制电路两部分。对电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为变频器的主电路。主电路包括手动／自动旁路柜、移相变压器、功率单元。向主电路提供保护、控制及信号的电路称为控制电路，包括主控箱、工控机及PLC系统［1］。凝结水泵变频调速控制系统如图3所示，各组成部分的作用如表2所示。

图3 凝结水泵变频器调速控制示意图

表2 凝结水泵变频器控制系统组成及作用

当变频器处于本控状态时，操作人员通过工控人机主界面对变频器直接进行启动、设定运行频率、停机、急停和复位等操作；当变频器处于远控状态时，操作人员可在DCS操作员站上对变频器进行远程急停、远程复位、变频切工频、一键启动、一键停止及频率指令给定等操作，此时变频系统处于开环状态，只接收DCS频率给定，可充分利用DCS系统的强大模拟量处理功能重新构成闭环自动调节系统［2］。如图3中红色虚线所示，远控状态下工控机只作监视器用，DCS和PLC构成功能强大的联合系统。

4 改造施工

4.1 施工程序

在做好工程招标、工程设计、土建施工（主要搭建变频小室）、设备采购等前期准备工作后，办理工作施工单参照异动方案分专业有序开始施工。先进行工频盘路柜、移相变柜、功率柜、控制柜安装，再进行动力电缆、控制电缆敷设，待热控完成DCS模块增容（增加模入点2个、模出点1个、开入点31个、开出点23个共计57个检测控制点）和软件组态后，进行电缆对线接线、送电调试、空载试转、带载投运等工作。

4.2 施工方法

将变频器的调节功能和除氧器水位反馈信号接入DCS系统控制，在DCS系统进行变频器的频率自动和手动调节，进而实现凝结水泵转速和水量的自动和手动控制。同时，将变频器的保护、监视、联锁信号接入DCS系统。为了保证变频器具有良好的运行环境，确保变频室内温度不超过40℃，在凝结水泵变频小室内安装了2台11.62kW空调对变频器进行冷却。针对变频器功率模块散发热量多的情况，在变频器功率柜顶部排风扇加装了通风道，将热风引出室外，有效地解决了变频器温度过高的问题，同时减少了空调冷却制冷的耗电量。

4.3 工期控制

工程从2011年1月22日正式施工，2011年2月22日竣工，带载模拟各种工况运行一周后，于2011年2月28日完成设备运行总验收，做好各项统计并完成设备异动竣工报告，后续工作转为设备节能分析和运行维护。

5 节能分析

5.1 控制性能分析

由于变频调速装置的功率单元采用了先进的绝缘栅双极型功率管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）逆变桥（图4中 A＋、A－、B＋、B－全控晶闸管等组成［3］），工作频率可在10～20kHz之间，输出波形为脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）［4］波形，大大减小了谐波分量和转矩的脉动幅度，功率单元叠加后输出波形正弦度好，从而使异步电动机能在更大范围内实现无级调速，不存在调节阀死区、空行程大等影响控制精度的问题，这正是变频调速能实现精密控制的关键所在。

图4 变频器功率单元结构和输出波形

当变频器处在远控状态，即构成DCS和PLC联合控制系统（如图3所示）时，可以把除氧器水位、除氧器压力、除氧器温度、转速反馈等模拟量信号加入到复杂的DCS频率给定运算逻辑中，甚至还可以把与现代先进控制理论相对应的逻辑加入到DCS中，从而大大改善变频调速系统的调节性能。

5.2 改造费用

项目按照“一拖二方式”（两台凝结水泵共用一台变频器）施工（如图2所示），可比“一拖一方式”（两台凝结水泵用两台变频器）节省约50%施工费用。凝泵变频改造各项费用如表3所示。

表3 凝泵异动投入材料及费用统计表

5.3 节能分析

按照电机学的基本原理，交流异步电动机的转速满足关系式［5］n＝60f（1－s）／p。由式可知，在电动机极对数p、转差率s不变的情况下，电动机的同步转速n正比于供电频率f。由流体力学可知，P（功率）＝Q（流量）×H（压力），即流量与转速的一次方成正比，压力与转速的平方成正比。功率与转速的立方成正比。若水泵的效率一定，当调节流量下降时，转速将成比例下降，此时输出功率成立方关系下降，即水泵电动机的耗电功率与转速约成立方比关系，可见降低转速大大降低轴功率，从而达到节电的目的，这就是变频器的调速节能原理。

关于凝结水泵变频调速控制能够实现节能的原因，还可以站在自动控制的角度加以分析。如图1所示，凝结水自动调节系统各执行器的用途如表4所示。在工频状态下，除氧器水位调节阀调节除氧器水位，凝结水最小流量调节阀调整凝结水母管压力。凝结水泵无论机组负荷高低均保持额定转速1480r／min，即凝结水泵出口保持高压头。当负荷较低时，为了使除氧器水位在正常值，必须调整除氧器水位调节阀以相应减少凝结水流量；当凝结水流量变得很小时，凝结水泵无法正常工作，此时应打开凝结水最小流量调节阀，以维持凝结水泵正常运行。在高压头下，除氧器水位调节阀关小，节流损失较大，而此时若打开凝结水最小流量调节阀，则由于开度很小节流损失更大，且仅作为凝结水泵正常运行的附带条件，不对除氧器水位产生调节效果。在变频状态下，由调节性能更好的凝泵变频调节装置代替除氧器水位调节阀担任主要的除氧器水位调节任务；担任凝结水母管压力调节任务的除氧器水位调节阀尽量保持全开，凝结水最小流量调节阀无调节任务保持全关，有效降低了节流损耗。

表4 凝结水系统执行器的用途

工程试验中，安排凝结水泵分别在工频方式和变频方式下运行，记录机组典型工况时凝结水泵的电流，见表5。由表中数据可知，机组负荷越低，输入电流降得越多，凝结水泵电动机从电网输入的功率越低，节电效果越明显。本文采用估算法进行节能分析（还有一种常用的测量统计法，即将变频方式机组发电量和凝泵耗电量直接与工频数据进行比较。估算法简单快捷，用过去推算将来；测量统计法按月度、季度或年度计算，统计周期长但较为准确。估算法的结论需要测量统计法的结论来验证）。根据表5数据计算得到变频器的平均节电率不低于45%，按2010年电厂发电量27TW·h计算，工频状态凝结水泵电耗0.4447%，则凝泵将节约厂用电（27×108×0.45×0.004447＝5403105）约540GW·h。按税后电价0.3489／（kW·h）计算，折合约（5403105×0.3489＝1885143）约180万元。该项目投资约130万元，预计不到一年即可回收成本。