300 MW 机组凝结水泵变频经济性方式运行研究与优化

王东旭， 张军峰， 胡佳佳， 赵大伟， 韩伟庆， 沈成喆

（三河发电有限责任公司， 河北 三河 065201）

0 引言

三河电厂二期机组凝结水系统为两台变频泵运行一台工频泵备用，在变频凝泵故障情况下，联启工频凝泵，同时正常运行变频凝结水泵指令加载到最大值至50 Hz，和联启的工频泵共同提供凝结水，保持除氧器水位在合理范围内。现有系统为单回路三冲量调节，整个凝结水系统只控制除氧器水位[1]，在此单一控制模式下，凝结水压力未实现全程控制，在凝结水压力较高的情况下，除氧器上水调门截流较大，导致凝泵变频优势未被发挥出来，凝泵电耗较高，通过系统全工况分析，提供一种全程凝结水经济运行智能化控制方案，使用系统凝结水压力控制作为除氧器水位调节的闭环控制，整个凝结水系统的压力在安全前提下，保持一个较低值，这样除氧器水位调门开度在较高值，凝结水变频泵控制凝结水泵转速，并使转速大幅下降，大量节约厂用电，该模式同样设计了安全模式和经济模式，即凝结水泵调水位、除氧器水位调门调压力为经济模式，除氧器水位调门调水位，凝结水泵调压力为安全模式，实现了除氧器水位调门调压力、调除氧器水位和凝结水泵调压力[2]、调水位四个PID 控制在不同工况下的无扰切换，考虑经济运行模式下多工况适应性，长周期的运行实践表明，该方案既保证了机组经济性又保障了安全性。

1 经济性优化原理及可行性分析

凝结水系统经济性运行的原理是在保障除氧器水位稳定并且凝结水压力满足的前提下，通过开大上水调门开度，减少上水调门截流，加大调门过水量，从而使凝结水泵转速降低，节约厂用电。从系统上分析，运行人员手动控制凝结水母管压力，为了保障系统安全，压力经常控制在较高值，系统耗电率较高。实现经济性的原理是，设计PID 使压力闭环控制，压力采用不同负荷段的安全压力，由系统自动变化，这样就能自动找到最优压力值，保障系统安全的情况下，由除氧器上水调门控制，调门在开大的同时，凝结水泵出力得到降低，从系统安全角度考虑，在异常工况下，切换至调门控水位，保障除氧器水位稳定，凝结水泵侧接管压力调节使系统一直保持在自动控制状态。通过搜集信息分析得出，凝结水母管压力理论安全值符合要求，同时全负荷段投入自动控制，减少了运行变负荷下的操作量，提高了工作效率，该方案具有可行性。

2 存在的主要问题及对策分析

1）在机组低负荷运行期间，两台凝结水变频泵运行，除氧器上水调门开度在40%～50%，节流损失较大[3]，凝结水泵水泵耗电率较高。需要实现全工况下凝结水压力监控，保持除氧器上水阀在较大开度，并在高负荷下凝结水压力具备足够的安全裕度下，由凝结水泵变频器直接控制水位，上水调门无截流。

2）凝结水泵变频和除氧器上水调门均控制除氧器水位，属于单回路三冲量控制水位方式，正常运行时不能同时投入自动调节，只能单一投入，无法实现机组除氧器水位全程化、智能化。

3）由于凝结水泵变频和除氧器水位调门有一侧处于手动状态，运行人员在变负荷，尤其是降负荷阶段，整个机组操作量较大，不能及时干预凝结水系统调节，为了保障安全，凝结水母管压力经常保持在较高值，较大地损失了凝结水泵耗电量。

4）凝结水母管压力处于运行人员手动调节变频或除氧器水位调门控制，滞后性较大。

3 解决优化方案

1）在除氧器水位原控制方式的基础上，增加凝结水母管压力自动控制回路进行闭环控制。增加两个压力调节智能PID，实现凝结水泵水泵变频和除氧器上水调门双调节机构双控压力回路，并实现控制方式的全工况无扰切换。

2）由于原设计只有一个凝结水母管压力测点，为了保障调节系统的安全性和稳定性，新增加一个凝结水母管压力测点，与原测点二取均后的压力值作为整个系统凝结水母管压力的测量值（PV 值）。

3）命名两种控制模式，在凝结水变频器和除氧器水位上水调门均投入自动情况下，若由凝结水泵变频自动控制除氧器水位，而除氧器上水调门自动控制凝结水母管压力，这种模式命名为经济模式。反之，若凝结水泵变频控压力，而除氧器上水调门控制水位，把这种模式命名为安全模式。

4）在逻辑中，凝结水泵变频侧投自动，适合于单泵和双泵，即只要有一台凝结水泵在自动状态，均为凝结水泵变频在自动调节位。同时若另一台凝结水泵变频也在运行，则跟踪投自动凝结水泵变频指令。

5）为了保障系统安全性的前提，任何工况下均能由经济模式强切换至安全模式，若要机组在经济模式下运行，设计如下条件自动全工况自主判断切换到经济模式：凝结水再循环门开度小于5%；凝结水流量大于280 t，死区20 t；除氧器水位调整阀开度大于20%；凝结水泵变频至少有一台在自动方式；无MFT；无RB；运行人员手动将按钮置于经济模式允许；凝结水泵出口压力超过2.5 MPa 后，10 min 内不允许投经济模式。

6）根据机组特性，凝结水压力安全裕度、运行规程以及通过汽轮机效率试验，各负荷段见表1。

表1 凝结水泵母管压力与机组负荷的函数

由表1 可以看出，随着负荷升高，压力设定值自动变大，且压力设定值是在满足机组安全运行的前提下，尽量压低压力设定值，在经济模式下，除氧器上水调门控制凝结水母管压力，意为尽量使除氧器上水调门开度变大，最大限度减小除氧器上水调门节流效果，挖掘凝结水泵变频的节能潜力。

7）通过以上优化方案，最终确定了凝结水变频器和除氧器上水调门控制的逻辑关系，见图1 和图2。

图1 除氧器水位调门控制逻辑

4 优化措施

1）在低负荷时，运行人员反映有时出现经济模式和安全模式来回切换，从逻辑中反映就是门控水位和门控压力切换，变频控水位和变频空压力来回切换，通过查询历史曲线，发现凝结水流量在392 t（原切换流量值）附近波动，虽然门和变频切换是无扰的，但对系统仍存在不利因素，因此将流量值由392 t 改为280 t，并增加死区。

2）在高负荷经济模式切至安全模式时，此时调门控水位，变频控压力，此时若调门开度过大造成调门无调节裕量，需要运行人员手动提高压力设定值，增大变频出力，使调门对水位回到正常调节位。

3）凝结水泵节能优化投入后，投变频泵自动时除氧器水位调节阀基本都在较大开度或全开，若一台变频泵突然跳闸，备用工频泵联启，凝结水流量瞬间变化很大，此时对三冲量的副调节扰动很大，不利于水位调节，需要将除氧器水位调阀迅速关至凝结水泵工频方式下机组负荷对应的开度，如表2 所示。

表2 负荷与开度函数

此时，除氧器水位调节门接管水位调节，当发生联启备用泵的情况下，水位自动投入的时间选择非常重要，根据阀门特性设计延时投入除氧器调门自动，同时修正除氧器水位切换曲线，让切换曲线中阀门开度略大于正常工频方式下对应的阀门开度。这样可以快速有效地补充凝结水泵切换过程中除氧器水箱中水量下降，保障切换方式下除氧器水位和自动调节的平稳。具体见图3。

图3 经济模式下变负荷期间除氧器水位与压力控制

5 应用效果

本次优化在机组检修期间完成，并启动后进行相关试验，通过在线对参数进行修改及扰动实验，实现了凝泵变频与除氧器水位调门的全负荷段双自动投入，一方面减少了运行人员变负荷情况下的操作，另一方面以提质增效为导向大大降低凝结水泵电耗，节约了能源，降低了厂用电率，提高了机组凝结水系统运行的经济性。

1）经济效益。根据对300 MW 机组水泵调节变频器150 MW 负荷时单泵运行试验数据进行分析，水泵运行时的实时电流值平均降低8 A，每日节约厂用电电量约3 800 kW·h，每年节约厂用电费用约60 万元。

2）社会效益。针对同类型的机组可以根据机组实际情况对水泵变频控制除氧器水位逻辑进行深度优化，在保障机组安全运行的基础上，充分发挥凝结水泵的节能潜力，带来一定的社会效益。