超临界机组变频给水控制系统设计与实现

刘文军，王文斌，卫文娟

（山西漳电同华发电有限公司，山西 轩岗 034114）

超临界机组变频给水控制系统设计与实现

刘文军，王文斌，卫文娟

（山西漳电同华发电有限公司，山西 轩岗 034114）

以轩岗电厂660M W超临界机组给水系统变频改造工程为例，分析了超临界机组给水控制系统的特点，提出了变频给水控制系统设计方案。经过生产现场实践检验，取得了良好的控制效果。

超临界机组；变频给水；协调控制；中间点温度

0 引言

以山西轩岗电厂660MW超临界机组给水系统变频改造工程为例，介绍了给水系统变频改造方案，详细分析了滑压运行超临界机组给水调节系统的特点，提出了一套完整的变频给水控制策略，使3台不同容量和不同调节方式给水泵在任意组合并列运行时均具备高品质的给水调节能力和运行可靠性,为国内600MW等级超临界机组进行给水系统变频节能改造提供了成功范例。

1 给水系统变频改造的必要性和实施方案

图1为典型的液力耦合器和变频器的效率-转速曲线，从曲线数据可以看出随着转速的降低，液力耦合器的效率基本上成正比降低，而变频器在输出转速下降时效率依然保持较高值，因此变频调速的低速特性要明显优于液力耦合器。另外，高压变频器在功率因数、启动性能、调节与控制特性以及投资回报等方面也具有明显优势[1，2]。轩岗电厂一期660MW超临界机组原配置3台35%BMCR（锅炉最大连续蒸发量，Boiler Maximum Continue Rate）电动给水泵，通过液力耦合器控制给水泵转速实现给水调节。在电网ACE调节模式下，机组负荷变化较为频繁，为了满足滑压运行超临界机组给水调节要求，液力偶合器经常工作在低效区，转速比一般在0.4～0.98之间，使给水泵电耗长期居高不下。为了达到节能降耗的目的，2013年轩岗电厂和北京乐普四方方圆科技股份有限公司合作，选用西门子全水冷高压矢量控制变频器、德国亨设尔齿轮箱和上海KSB 50%BMCR给水泵组，对A和C 2台35%BMCR给水泵组进行改造，改造后日常生产中使用2台50%BMCR给水泵。因轩岗电厂2台机组的B给水泵分别由10 kV工作A段和B段两路电源供电，考虑到给水系统运行可靠性，保留35%BMCR B给水泵作为备用泵。

图1 两种调速方式效率曲线

2 变频给水控制系统设计

轩岗电厂协调控制系统采用以锅炉跟随为基础的机炉协调控制方式，该系统由负荷指令形成回路、锅炉主控、汽机主控、主汽压力设定值回路、频率校正回路以及给水主控和煤主控等回路组成。机组的目标负荷既可由运行人员手动设定也可接受电网AGC指令，目标负荷在负荷指令形成回路中经负荷上下限限制和负荷指令增、减闭锁以及速率限制等运算后，分别送往锅炉和汽机主控回路；锅炉主控负责维持机前压力，汽机主控负责调节机组负荷[3]。锅炉负荷指令作用于煤主控和给水主控，使风、煤、水步调一致地动作，以满足负荷调节的需要。

2.1 主给水控制回路

直流锅炉给水控制的主要任务是保证煤水比，实现过热汽温的粗调，并满足负荷响应。全程给水控制系统可分为两个阶段，在湿态阶段通过调节分离器至锅炉储水箱的361阀来维持分离器水位，由省煤器进口旁路调门来调节给水以满足水冷壁最小流量的要求；在干态阶段其主要任务则是保证锅炉合适的煤水比，控制锅炉分离器出口温度（中间点温度）正常变化，实现主蒸汽温度的粗调。限于篇幅本文只介绍锅炉干态时的给水控制策略。图2为轩岗电厂660MW超临界机组给水主控回路原理图，给水主控回路以煤水比控制为基础，利用锅炉主控回路输出的锅炉负荷指令叠加适量的变负荷超调指令做为锅炉综合负荷指令，经过非线性函数f1（x）转换成给水前馈指令，然后以中间点温度控制作为修正来实现锅炉干态时的给水调节。

在中间点温度偏差调节回路中，锅炉储水箱压力通过函数f2（x） 转换成中间点温度设定值Tset，使锅炉分离器出口温度在不同负荷段保持2～8℃的过热度。在机组变负荷时通过死区函数f3（x）和变积分参数来弱化中间点温度偏差调节作用，确保给水前馈回路能够快速发挥作用，提高机组负荷响应速度。

2.2 变频给水泵组流量调节回路

给水泵组流量调节回路用来完成3台给水泵的流量分配、给水流量调节、给水泵最大流量保护以及备用泵自动并泵等任务。为了使3台不同容量和不同调节方式给水泵在任意组合并列运行时均具备高品质的给水调节能力和运行可靠性，相应地对原给水泵组流量调节回路进行了重新设计和调试。本文以改造后的50%BMCR A变频给水泵为例对给水泵组流量调节回路进行分析。如图3所示，锅炉给水流量偏差信号和A给水泵流量分配回路产生的流量偏差信号叠加后，经过A给水泵最大流量保护回路限幅，作为A给水泵正常给水调节时的流量偏差信号作用于PI控制器，输出0～50 Hz频率指令给变频器来调整给水泵转速，实现A泵给水流量自动调节。因35%BMCR B给水泵为液力耦合器控制，故B给水泵流量调节回路中PI控制器输出的是0～100%勺管阀位开度指令。为了使2台不同容量和调节特性的给水泵并列运行时同样具有协调一致的给水调节速度，两种不同的PI控制器需要设置不同的比例积分参数。

2.3 流量分配回路设计

图2 给水主控回路原理图

图3中流量分配回路不仅需要满足2台50% BMCR变频调节给水泵并列运行时的流量平衡要求，还需解决2台不同容量给水泵并列运行时的流量分配问题。由于变频器和液力耦合器调节特性不同以及给水泵本身的容量差异，为确保2台给水泵的工作点均落在安全高效区，并避免出现2台泵抢水现象，综合分析了330～560MW负荷段对应给水压力下不同容量给水泵的流量-扬程曲线和流量-效率曲线，拟合出流量分配函数，使不同容量给水泵按照预设的要求进行流量调节。图4为轩岗电厂2号机组在电网AGC调节模式下处于370～510MW负荷段运行时，2A和2B给水泵并列运行曲线。

图3 A给水泵流量调节回路原理图

图4 不同容量给水泵并列运行曲线

图5 A给水泵自动并泵切换回路图

2.4 备用给水泵自动并泵调节回路

轩岗电厂给水泵组流量调节回路中设计了备用泵自动并泵逻辑，用来实现事故情况下备用泵联启后自动提高泵组转速，使备用泵能够快速发挥给水流量调节功能，提高了给水系统运行可靠性。图5为A给水泵自动并泵切换回路图，其他2台泵与此类似。给水泵自动并泵过程可分为三个阶段，备用泵事故情况联启后，在初始的50 s内进入备用联启模式，流量调节回路记忆跳闸泵事故前的给水流量作为备用泵的目标流量，通过流量偏差调节回路使备用泵快速提升转速；50 s后进入升压模式，在该阶段把给水母管压力和给水管路沿程阻力的和作为备用泵出口压力的目标值，通过压力偏差调节回路使备用泵出口压力达到给水母管压力；当备用泵出口压力接近给水母管压力时进入正常调节模式，此时备用泵已经具备锅炉给水调节能力，开始参与锅炉给水流量的自动调节［4-6］。

3 工程实施效果

轩岗电厂分别于2013年6月和2014年4月完成了2台660MW超临界机组给水系统变频改造工程。表1为改造前后各负荷段给水泵组总耗电量对比表，考虑到机组背压、热力系统和主汽压力对给水泵组出力的影响，为准确对比技改前后节电效果，以给水泵实际出力（即总有效功率）为对比基准，根据2013年1号机组运行数据和各负荷段年平均负荷权重计算可知，1号机组给水泵组技改前全年总耗电量为177 365MW·h，技改后为118 667MW·h，全年平均节电率为33.09%。

表1 改造前后各负荷段给水泵组总耗电量对比表

另外，通过对控制器参数现场整定，给水控制系统的调节精度和响应速度完全能够满足电网ACE调节模式的需要，改造后机组负荷调节速度达到10MW/min，负荷响应时间不超过42 s，各项性能指标均优于华北网“两个细则”考核要求。

4 结束语

轩岗电厂一期660MW超临界机组完成给水系统变频改造后，经过一年多时间的实践检验，高压变频器和给水泵组运行安全可靠，节电效果显著，给水控制系统功能完善，调节精度和响应速度能够完全满足电网ACE调节的需要，极具借鉴推广价值。

［1］ 张忠银.液力耦合器和变频调速比较［J］.电气传动，2009（12）：74-76.

［2］ 范维浩.高压变频器和液力耦合器调速的比较［J］.变频器世界, 2004（10）：64-67.

［3］ 刘文军.基于ACE模式的超临界机组协调控制策略［J］.中国科技纵横，2012（9）：10-12.

［4］ 吴建平，祝建飞.1 000MW超超临界机组给水控制系统分析及其优化［J］.华东电力，2012（6）：26-30.

［5］ 庄建华.600MW超临界机组全程给水自动控制系统的控制策略［J］.发电设备，2007（3）：9-11.

［6］ 张利勇，刘潇.1 000MW超超临界机组给水全程控制的设计和应用［J］.浙江电力，2013（8）：33-35.

Design and Application of Frequency Conversion Feed W ater Control System of Supercritical Units

LIUW enjun,WANG W enbin,WEIW enjuan
（Shanxi Zhangdian Tonghua Power Generation Co.,Ltd.，Xuangang，Shanxi 034114，China）

Taking660MW supercriticalunit frequency conversion feedwater system reconstruction project in Xuangang power plant as an example,the characteristics of supercritical units feed water control system are analyzed,and the designing scheme of frequency conversion feedwatersystem isput forward.Through practical test,controlling isachieved effectively.

supercriticalunit；frequency conversion feedwater；coordinated control；intermediate point temperature

TP273

A

1671-0320（2015）02-0058-04

2015-01-14，

2015-02-01

刘文军（1972），男，山西河曲人，2006年毕业于太原理工大学控制理论与控制工程专业，工程师，硕士，从事智能控制和协调控制的应用研究；

王文斌（1974），男，山西大同人，2008年毕业于西南大学计算机科学与技术专业，工程师，从事火电厂热控专业管理工作；

卫文娟（1988），女，陕西咸阳人，2011年毕业于华北电力大学测控技术与仪器专业，助理工程师，从事火电厂热控专业生产工作。