300MW 机组凝结水系统高压变频全工况智能调节的应用

武长岭，李文辉，赵云迪，王忠言，司瑞才

（1.吉林电力股份有限公司，长春 130021；2.吉林电力股份有限公司浑江发电公司，吉林 白山 134302；3.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021）

目前，国内各电厂机组凝结水泵在运行过程中通常采用传统调节策略，自动控制非全程智能调节，逻辑回路系统复杂，调试困难，并且除氧器水位、凝结水压力控制不理想，低负荷及启停机时需要人为干预，吉林电力股份有限公司浑江发电公司为了节能降耗，决定对2号机组凝结水泵进行变频改造，使凝结水系统能够安全、经济地投入运行。

1 设备现状及出现的问题

2号机组凝结水泵均采用一工一备的配置，运行中采用阀门调节。机组在正常运行情况下，凝结水泵出口的除氧器上水调节阀为双路调节，主阀开度在25%～65%，阀门一直处在节流状态下工作，特别是在较低负荷或机组参与调峰时，阀门开度更小，节流损耗大，凝结水泵效率也迅速降低，能耗增大；再者，阀门长期处于较高压差下运行，磨损较大，因此采用阀门调节，精度差，除氧器水位波动大，同时频繁操作易导致阀门可靠性下降，影响机组的稳定运行。

由于300 MW 机组的凝结水系统复杂、用户多，要实现凝结水泵变频投入时除氧器水位自动控制，变频运行方式与工频运行方式的故障切换非常困难，而且存在巨大的风险。一旦系统出现异常状况，变频运行切换到工频运行，凝结水泵出口压力将突然增大，造成除氧器水位急剧升高，威胁除氧器的安全运行；同时还直接影响轴封减温控制、冷段再热器至辅汽减温控制、低压缸喷水减温控制、低压旁路减温控制等10套自动控制系统，并影响15个凝结水用户，对汽轮机的安全运行构成严重威胁。为进一步提高设备利用率，降低厂用电量，决定利用老厂关停机组吸风机高压变频装置对2号机组凝结水泵进行变频改造，从而省去由于阀门、挡板节流等带来的功率损失，以达到节能的目的。

2 变频调节的优势

a.自动调节、控制精度高。对凝结水泵进行变频改造后，除氧器上水调门全开，除氧器水位完全通过调节凝结水泵转速控制，水位高时降低转速、减小给水量；水位低时增加转速、增大给水量，使水位波动小，利于机组的稳定运行，同时减小了阀门损耗。

b.降低功耗。通过变频调速技术使泵的流量由额定值Q0降至70%Q0时，转速将由额定值n0降至70%n0，此时泵的压力由额定值p0降至49%p0，泵的轴功率由额定值P0降至34.3%P0，理论上功耗减少了65.7%。即使考虑到转速下降可能会引起电机的效率下降等因素，变频调速的节电效果仍然非常显著。当水泵的流量由Q0调低到70%Q0时，采用变频调速方式的功耗约比控制阀调节方式的功耗减少52%。

c.减少电机启动时的电流冲击。电机直接启动时的最大启动电流约为额定电流的4～7倍，软启动也要达到2.5倍。观察变频器启动的负荷曲线，可以发现启动时基本没有冲击，电流从零开始，仅是随着转速增加而上升，不会超过额定电流，因此凝结水泵变频运行解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力。

d.延长设备寿命。使用变频器可使电机转速变化沿凝结水泵的加减速特性曲线变化，没有应力负载作用于轴承上，延长了轴承的寿命。

e.降低噪音。凝结水泵改用变频器后，降低水泵转速运行的同时，也大幅度地降低了噪音。

3 电气控制及保护逻辑方案

由于此次改造所使用高压变频器为老厂使用的旧设备，考虑设备的安全稳定性后，确定电气电源接线方式为“带旁路工频一拖一变频”，电气控制接线原理见图1。

在热工保护逻辑中充分利用变频输入隔离开关G1、旁路隔离开关G2、变频输出隔离开关G3状态以实现断路器投切的闭锁条件，防止误操作等问题。设置可靠的变频与工频互锁逻辑，分别设置工频与变频的启、停允许条件，联锁保护关系，对系统流程图进行必要的修改以满足运行人员监视与操作的方便。

4 热控自动控制逻辑组态

原联调门和凝结水泵变频调节逻辑中，根据调节过程，选择优先开启方式来解决阀门节流及单阀门故障问题，并可快速响应调节系统变化的要求。凝结水泵变频模控方式为以压力优先控制逻辑，此逻辑存在调节敏感区，中负荷段调节品质很难保证，而机组大部分工作在此区段中，逻辑回路不符合机组的要求。另外，此方案对参数调节要求较高，参与调节量多，对表计的可靠性要求高，调试过程较为复杂，增加了日后维护的困难。

图1 电气控制接线原理图

传统逻辑中，工频凝结水泵设备联动时产生系统压力冲击均采用了预控函数的解决方案。实际应用中，阀门特性发生变化及系统不同工况时，调节过程并不理想，没有完全解决系统的冲击，反而对凝结水系统中的其他减温调节系统产生了阶跃影响，并增加了调节系统的故障点。对多种凝结水泵变频控制方案分析后，在原凝结水系统联调阀智能控制的基础上，设计了一套全新的模控系统，使其在不同自动控制下全负荷段自由切换，采用适当对低限保护值进行闭锁调节，在保证凝结水保护系统安全的基础上，使整个调节回路简单实用，运行可靠。

4.1 凝结水泵变频调节逻辑

凝结水泵变频调节逻辑由最低凝结水压力调节回路、除氧器水位调节回路、保护切自动回路、闭锁回路组成。压力调节回路与水位调节回路通过压力判断实现切换，高于最低压力时无扰切换至水位调节回路，实现全负荷段线性调节并可逆切换，无须切除自动。

a.最低凝结水压力调节回路。该回路由凝结水压力滤波、定压值比较积分回路与低压判断闭锁回路组成区间模糊调节，可以保证凝结水压力低于最小允许压力时的稳定调节，在初投自动及压力保护闭锁切换时防止调节系统产生冲击。

b.除氧器水位调节回路。该回路由除氧器水位单冲量与除氧器水位主信号、凝结水流量、给水流量三冲量调节回路组成，在低负荷或流量信号故障时无扰切换至单冲量调节。

c.保护切自动回路。主要在信号故障、调节偏差及工频变化等异常情况下起作用，及时切除自动，防止调节异常。

d.闭锁回路。设置为最低保证压力，防止出现低压调节，变频器设定值还设置了最低启动值，这与变频器及水泵厂家要求有关。

4.2 除氧器水位调节切换逻辑

除氧器水位调节切换逻辑由跳自动保护逻辑与三冲量切换条件组成，以实现信号故障、负荷变化时自动方式的保护切换。

4.3 凝结水至除氧器调节门逻辑

凝结水至除氧器调节门逻辑由除氧器水位调节回路、除氧器水位高紧急关保护回路、水位设定切换选择回路、信号判断回路及重叠分配回路组成。

a.设置除氧器水位高保护回路，高三值保护作用双调门至最小。

b.水位设定切换选择回路是保证无论投入哪种自动方式时，设定值与信号值之间的无扰切换功能。

c.实现主信号的选择、滤波及故障判断。

d.除氧器水位调节为主调节阀与副调节阀双联调门，通过对两个阀门进行流量特性试验来确定重叠度的大小，以保证阀门的线性区调节，回路采用开环方式，逻辑简单，实际应用性较强。

5 改造效果

变频凝结水泵在调节过程中首先要保证凝结水系统最低安全压力，机组启动和低负荷时需要调门进行调节，调节逻辑保证切换过程自动切换，调门与变频泵调节同时投入自动，智能切换调节，无须人为干预。变频凝结水泵在变频“自动”方式下运行时，上水门在以保证最低压力的最大开度下运行，安全性和经济性都得以保障，调节系统动作平稳，调节品质较高，在机组工况变化时双调互动，及时适应工况变化。正常运行时，变频凝结水泵运行，定速凝结水泵备用，上水调整门指令为三冲量自动控制。如果此时备用泵联动，三冲量调节迅速将系统调到新的平稳状态。极低负荷时，保障在最低压力下，调节门工作在较低阀位线性区内；发生联泵时，由再循环与除氧器水位调门同时作用，同样会快速将系统调到新稳态下。利用变频凝结水泵的变频对除氧器水位进行自动调节：低负荷时，当凝结水压力低于下限时，闭锁凝结水泵转速下降指令，确保变频凝结水泵和凝结水供给其他辅助设备的安全运行。变频凝结水泵切换时，相应自动关系可以达到自动切换。凝结水流量低时，自动开启凝结水再循环调门，防止凝结水泵气蚀。

6 结束语

变频改造后的2号机组凝结水泵于2014年12月25日11：00正式投入运行。此次改造，在引进优秀控制方案的同时，针对自身设备特点，优化方案，设计出一套适合本机组的控制逻辑，优化了凝结水泵的运行状况和生产工艺，更好地稳定了机组运行，实现了自动控制。2 号机组以日平均负荷为180 MW 为例，凝结水泵变频改造后电流减少45A/h，月节电28.6×104kW·h，合计约8.6万元，节能效果显著。