变频调速恒压供水系统 [1000MW火电机组中变频调速系统的设计和应用]

　　[摘要]针对现代大型火电机组节能降耗的需要,采用最新的变频调速技术设计一套凝结水泵变频调速系统。该系统采用每台泵单独配置变频器的电气方案,根据变频运行的特点对工艺管路进行优化设计,采用分工况控制策略和双回路串级PID控制方式提高除氧器水位的控制精度。经过运行实践证明,该系统稳定可靠,具有显著的经济效益。
　　[关键词]变频调速凝结水泵串级PID控制
　　中图分类号:TM621.7文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1120005-02
　　
　　一、前言
　　
　　当前电力工业的要求是高效、清洁、安全和可持续发展。超超临界发电技术作为目前燃煤发电的发展趋势,为燃煤发电提供了大幅度降低资源消耗、提高机组效率、改善环境污染等经济可行的途径。在超超临界发电机组中,各种节能降耗措施和先进技术都得到了广泛应用。其中凝结水泵变频调速技术的节能效果已经在亚临界和超临界机组中得到过充分验证,现在也在百万兆瓦级的超超临界机组中得到了应用。本文将以潮州三百门电厂2×1000MW机组为例,介绍凝结水泵变频调速系统在该机组的设计方案和控制策略。
　　
　　二、设备选型和系统设计
　　
　　凝结水系统的主要设备需要根据变频调速系统的要求选取,目前电厂的凝结水泵一般选择成熟可靠,应用广泛的多级立式泵。与其配套的电机则要考虑变频系统的特殊要求,最好选择变频电机。因为普通异步电动机都是按照恒频恒压设计的,不可能完全适应变频调速的要求,变频电机相对于普通异步电动机来说,由于其特殊的电磁和结构设计,使其过载能力强、启动性能、效率和功率因数高,可靠性强。尤其改善了电动机对非正弦波电源的适应能力,且适应整个频率段运行,对于变频调速系统而言,选择变频电机具有普通电动机无法比拟的优点[4]。
　　本工程的凝结水泵采用长沙水泵厂生产的C630III-6型多级立式泵,流量1245t/h,扬程310m。配套电机则选择了湘潭电机厂生产的YSPKSL560-4型变频电机,额定功率1500KW,额定电压6kV,额定电流169.6A,恒转矩范围在30～50HZ。变频器采用北京利德华福电气技术有限公司HARSVERT-A06/180,变频装置为高-高结构,电压源型,一体化设计,具备矢量控制功能的系统,变频器效率大于96%。
　　
　　(一)电气系统设计
　　变频调速系统的电气回路采用一拖一的设计方案,每台机组凝结水泵共三台,各按50%容量设计,三台凝泵电机均各配一台变频器。正常运行时选择任意两台泵变频运行,第三台泵备用。如果其中一台故障,则由DCS系统自动启动第三台泵,此时第三台泵也为变频运行。考虑凝结水系统的可靠性和变频器检修隔离方便,变频装置增加工频旁路。旁路隔离开关为手动操作,只有在变频器检修的时候才需要操作。主回路接线见图1。此设计具有以下技术特点:
　　1.系统动力结构简单,控制策略容易实现;
　　2.三台凝结水泵均可在工频、变频两种运行方式自由切换;
　　3.每台泵的工频侧旁路隔离开关与变频器下口的隔离开关均存在机械闭锁关系,防止变频器输出与电源侧短路;
　　4.电动机与电源侧具有明显的电气隔离断电,便于设备维修维护。
　　注:图中QF表示隔离开关;U表示变频器
　　
　　(二)变频调速系统的工艺管路设计
　　本工程中采用三台50%容量的凝结水泵,2台并列运行1台备用,如果采用定速系统,凝结水泵在运行中只能采用阀门调节,机组在满负荷情况下,凝结泵出口调节阀开度在45%～65%之间,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,凝泵效率也迅速降低,能耗增大[1]。
　　本工程的凝结水系统管路专为变频调速系统优化设计,凝结水母管上设计了调节旁路和主回路,为防止机组低负荷运行时凝结水系统超压和凝结水泵汽蚀,还设计有凝结水再循环管路。凝结水系统的工艺简图如图2所示。在此系统中,正常工况下通过变频调节凝泵的转速来调节除氧器的水位;低负荷或机组启停时可以通过水位调节旁路和凝结水再循环回路来控制除氧器水位。
　　
　　三、变频调速系统的控制策略
　　
　　因本机组中三台凝结水泵均配有高压变频器,所以在变频器非故障情况下的所有工况都具备采用变频方式运行的条件,主要的控制策略如下所述:
　　1.凝泵有变频及工频两种运行方式。正常情况下,两台凝结水泵均在变频状态下运行,第三台作为备用泵。工频运行方式仅作为危急状况下的备用手段,在两台以上变频器故障或检修时,由运行人员手动切换至工频旁路。
　　2.高压变频器在DCS控制时,有自动、手动两种方式。手动状态时,运行人员可通过画面上的凝泵转速手操器来手动设置凝泵转速。自动状态下,DCS根据内部设定的除氧器水位定值自动控制高压变频器转速。
　　3.主凝结水再循环调节阀根据凝泵出口流量和母管压力调节,当除氧器入口流量小于300t/h,用流量信号调节,再循环调节阀开启维持最小流量;当除氧器入口流量大于300t/h,用压力信号调节,维持凝泵出口压力≤2.6MPa,当压力超过定值时,再循环调节阀开启,开启幅度决定于压差值大小。
　　4.当除氧器入口流量小于300T/H时,凝泵变频器工作在最低频率下,不具备流量调节功能。此时除氧器水位由旁路水位调节阀和再循环流量调节阀进行调节。当除氧器入口流量大于300T/H时,为了减少管路损失,由运行人员手动进行管路切换,主回路闸阀全开,旁路水位调节阀关闭。凝结水系统进入变频运行工况,除氧器水位由变频器转速调节。
　　变频运行工况下,变频调速控制系统组态框图如图3所示。由图中可见,除氧器水位调节采用双回路控制。根据机组负荷,可以自动在单PID控制回路和串级PID控制回路之间切换。当省煤器入口流量小于1200t/h,负荷在400MW以下时,采用单回路的PID控制器,根据除氧器水位和水位设定值的偏差,控制变频器转速达到调节除氧器水位;在省煤器入口流量大于1200t/h后,为改善除氧器水位效果,引入机组的除氧器入口流量信号和省煤器流量信号,采用串级PID控制系统,以提高系统的负荷适应能力。
　　串级控制系统的主、副调节器均采用PID调节器,以“除氧器水位”为主变量,“除氧器入口凝结水流量”和“省煤器入口流量”作为副变量。采用这种控制方式,能够迅速克服机组负荷变化带来的二次扰动,使系统能够快速适应负荷的变化,改善了过程的动态特性,提高了系统控制质量。控制回路中的函数发生器可以抵消较小扰动对输出的影响,维持输出的稳定,使凝结水泵的转速不反复波动,有利于机组的正常稳定运行。
　　
　　四、变频调速系统的效益分析
　　
　　采用凝结水泵变频调速系统,可以带来以下几个方面的效益:
　　1.采用凝结水泵变频调速系统可以节约电能。在理论上,泵的流量Q与泵转速N的一次方成正比,与转速N的三次方成正比关系,根据计算,据计算,当将离心式水泵的流量由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%[3]。表1中列出了不同流量下凝结水泵电动机的运行参数,根据表中数据可以看出,在综合工况下,采用变频调速系统的应有30%的左右的节能效果,而且负荷率越低,节能效果越是显著。
　　2.采用凝结水泵变频调速系统有利于系统稳定运行,减少运行维护量。通过变频调节凝泵的转速来调节除氧器的水位;变频调节具有平滑性好,精度高的特点,使水位波动小,利于机组的稳定运行;而且采用变频调节后,除氧器水位不再采用调节阀门控制,减少了阀门损耗,也减少了阀门的维护工作量[2]。
　　3.变频调速解决了启动时大电流对电机的冲击,延长了电机的使用寿命。异步电机直接启动时,其最大启动电流约为额定电流的7倍,采用星三角启动也达到了4-5倍。而变频启动时,基本上无冲击电流,其电流是从零开始,随着转速的上升而增加,最大不会超过额定电流,这就消除了对电机的冲击应力,延长了电机的使用寿命。
　　
　　五、总结
　　
　　此次凝结水泵变频调速系统在潮州三百门电厂2×1000MW超超临界机组中的成功应用,进一步证明高压变频调速系统技术成熟,经济效益明显。在目前电力市场供求关系的变化,机组的利用小时和负荷率不断下降的背景下,对电力企业节能降耗,提高经济效益具有重要意义,值得在百万兆瓦级机组中广泛推广应用。
　　
　　参考文献:
　　[1]刘海东、吴克锋,凝泵电动机采用变频调速的控制策略[J].华东电力,2003,10:60-61.
　　[2]王玉彬,基于高压变频器的火电厂凝结水泵一拖二变频调速改造[J].工矿自动化,2006,6:88-89.
　　[3]张宝、樊印龙、童小忠,凝结水泵变速运行节能潜力分析[J].动力工程,2009,4:384-388.
　　[4]刘林虎、常旭东、邸若冰、李军亮,凝结水泵变频改造的经济性与安全性措施[J].电力学报,2009,02:56-58.
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