凝結水泵變頻調速控制改造

陳華樁

（福建江隆水利水電工程有限公司，福建 龍巖 364000）

對于一用一備的重要輔機，采用脈寬可調的變頻控制方式無疑可以節約廠用電，但一臺變頻器帶一臺電動機（一拖一）的方式明顯增加了投資，純可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制方式也不利于模擬量自動控制系統的控制策略優化。一拖二接線、PLC和分散控制系統（Distributed Control System，DCS）聯合控制方式解決了上述問題。

1 凝結水系統工藝流程

某公司裝機容量為2×300MW循環流化床熱電聯產機組。每臺機組分別安裝有一用一備2臺110%容量立式凝結水泵，其主要參數如表1。為有效降低某廠用電，實現節能降耗，該公司使用工程招標的方式進行凝結水泵變頻控制改造。

表1 凝結水泵主要技術參數

凝結水系統工藝流程如圖1所示。汽輪機低壓缸排汽經凝汽器后凝結成水→凝結水泵→軸封加熱器→除氧器水位調節閥（另一路經凝結水最小流量調節閥回到凝汽器）→8＃7＃6＃5＃低壓加熱器→除氧器，除氧后凝結水經給水泵增壓后成為鍋爐給水。

凝結水泵把凝結水經低壓加熱器加熱后送入除氧器，維持除氧器水位穩定。在正常運行狀態下，凝汽器內的水位主要根據機組負荷變化進行調整。當機組負荷升高時，凝結水流量增加，凝汽器內的水位相應升高；當機組負荷降低時，凝汽器內水位相應降低。要使凝汽器和除氧器這兩個容器處于良好的工作狀態，一個最重要的因素是要保證它們的水位在正常范圍，凝汽器水位一般靠熱井補水來維持，本文不再贅述。本文僅討論除氧器水位調節。如圖1所示，除氧器水位調節的執行器包括除氧器水位調節閥、凝結水最小流量調節閥和凝結水泵變頻調速裝置。

圖1 凝結水系統工藝過程簡圖

2 凝結水泵變頻改造電氣一次接線

改變原先分別由6kV A段母線單獨供電A凝結水泵、6kV B段母線單獨供電B凝結水泵的情況，改造成如圖2所示的“自動／手動一拖二”的接線方式。圖中，QS1～QS4為旁路柜內的高壓隔離刀閘，QF1和QF2為高壓開關柜，U為變頻器，M1、M2為凝結水泵異步電動機。KM2與KM3、KM5與KM6可靠機械互鎖，KM1與KM4、KM2與KM5可靠電氣互鎖，保證系統安全可靠運行。

圖2 凝結水泵變頻改造電氣一次線路圖

6kV電源經2個斷路器接到高壓變頻裝置。變頻裝置輸出經隔離開關分別送至2臺電動機，即變頻運行方式；6kV電源還可經旁路隔離開關直接起動電動機，即工頻運行方式。變頻器帶A泵或B泵運行，一旦變頻裝置出現故障關閉，即可馬上斷開變頻器進線及出線接觸器，將變頻裝置隔離。同時，可將運行電動機切至工頻回路或將備用電動機投入運行。在工頻電源下，起動備用電動機運行，也可通過手動操作KM1～KM6隔離柜將A泵或B泵切至工頻運行或變頻運行（定期切換）。兩臺凝結水泵共用一臺變頻器，機組正常運行時，一臺變頻運行，另一臺投工頻備用；當變頻運行故障跳閘時，另一臺投工頻的泵自啟動。

3 凝結水泵變頻器系統

凝結水泵變頻器改造采用高－高電壓源型變頻系統，通過交－直－交變換實現變頻輸出。變頻器分為主電路和控制電路兩部分。對電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，稱為變頻器的主電路。主電路包括手動／自動旁路柜、移相變壓器、功率單元。向主電路提供保護、控制及信號的電路稱為控制電路，包括主控箱、工控機及PLC系統［1］。凝結水泵變頻調速控制系統如圖3所示，各組成部分的作用如表2所示。

圖3 凝結水泵變頻器調速控制示意圖

表2 凝結水泵變頻器控制系統組成及作用

當變頻器處于本控狀態時，操作人員通過工控人機主界面對變頻器直接進行啟動、設定運行頻率、停機、急停和復位等操作；當變頻器處于遠控狀態時，操作人員可在DCS操作員站上對變頻器進行遠程急停、遠程復位、變頻切工頻、一鍵啟動、一鍵停止及頻率指令給定等操作，此時變頻系統處于開環狀態，只接收DCS頻率給定，可充分利用DCS系統的強大模擬量處理功能重新構成閉環自動調節系統［2］。如圖3中紅色虛線所示，遠控狀態下工控機只作監視器用，DCS和PLC構成功能強大的聯合系統。

4 改造施工

4.1 施工程序

在做好工程招標、工程設計、土建施工（主要搭建變頻小室）、設備采購等前期準備工作后，辦理工作施工單參照異動方案分專業有序開始施工。先進行工頻盤路柜、移相變柜、功率柜、控制柜安裝，再進行動力電纜、控制電纜敷設，待熱控完成DCS模塊增容（增加模入點2個、模出點1個、開入點31個、開出點23個共計57個檢測控制點）和軟件組態后，進行電纜對線接線、送電調試、空載試轉、帶載投運等工作。

4.2 施工方法

將變頻器的調節功能和除氧器水位反饋信號接入DCS系統控制，在DCS系統進行變頻器的頻率自動和手動調節，進而實現凝結水泵轉速和水量的自動和手動控制。同時，將變頻器的保護、監視、聯鎖信號接入DCS系統。為了保證變頻器具有良好的運行環境，確保變頻室內溫度不超過40℃，在凝結水泵變頻小室內安裝了2臺11.62kW空調對變頻器進行冷卻。針對變頻器功率模塊散發熱量多的情況，在變頻器功率柜頂部排風扇加裝了通風道，將熱風引出室外，有效地解決了變頻器溫度過高的問題，同時減少了空調冷卻制冷的耗電量。

4.3 工期控制

工程從2011年1月22日正式施工，2011年2月22日竣工，帶載模擬各種工況運行一周后，于2011年2月28日完成設備運行總驗收，做好各項統計并完成設備異動竣工報告，后續工作轉為設備節能分析和運行維護。

5 節能分析

5.1 控制性能分析

由于變頻調速裝置的功率單元采用了先進的絕緣柵雙極型功率管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）逆變橋（圖4中 A＋、A－、B＋、B－全控晶閘管等組成［3］），工作頻率可在10～20kHz之間，輸出波形為脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）［4］波形，大大減小了諧波分量和轉矩的脈動幅度，功率單元疊加后輸出波形正弦度好，從而使異步電動機能在更大范圍內實現無級調速，不存在調節閥死區、空行程大等影響控制精度的問題，這正是變頻調速能實現精密控制的關鍵所在。

圖4 變頻器功率單元結構和輸出波形

當變頻器處在遠控狀態，即構成DCS和PLC聯合控制系統（如圖3所示）時，可以把除氧器水位、除氧器壓力、除氧器溫度、轉速反饋等模擬量信號加入到復雜的DCS頻率給定運算邏輯中，甚至還可以把與現代先進控制理論相對應的邏輯加入到DCS中，從而大大改善變頻調速系統的調節性能。

5.2 改造費用

項目按照“一拖二方式”（兩臺凝結水泵共用一臺變頻器）施工（如圖2所示），可比“一拖一方式”（兩臺凝結水泵用兩臺變頻器）節省約50%施工費用。凝泵變頻改造各項費用如表3所示。

表3 凝泵異動投入材料及費用統計表

5.3 節能分析

按照電機學的基本原理，交流異步電動機的轉速滿足關系式［5］n＝60f（1－s）／p。由式可知，在電動機極對數p、轉差率s不變的情況下，電動機的同步轉速n正比于供電頻率f。由流體力學可知，P（功率）＝Q（流量）×H（壓力），即流量與轉速的一次方成正比，壓力與轉速的平方成正比。功率與轉速的立方成正比。若水泵的效率一定，當調節流量下降時，轉速將成比例下降，此時輸出功率成立方關系下降，即水泵電動機的耗電功率與轉速約成立方比關系，可見降低轉速大大降低軸功率，從而達到節電的目的，這就是變頻器的調速節能原理。

關于凝結水泵變頻調速控制能夠實現節能的原因，還可以站在自動控制的角度加以分析。如圖1所示，凝結水自動調節系統各執行器的用途如表4所示。在工頻狀態下，除氧器水位調節閥調節除氧器水位，凝結水最小流量調節閥調整凝結水母管壓力。凝結水泵無論機組負荷高低均保持額定轉速1480r／min，即凝結水泵出口保持高壓頭。當負荷較低時，為了使除氧器水位在正常值，必須調整除氧器水位調節閥以相應減少凝結水流量；當凝結水流量變得很小時，凝結水泵無法正常工作，此時應打開凝結水最小流量調節閥，以維持凝結水泵正常運行。在高壓頭下，除氧器水位調節閥關小，節流損失較大，而此時若打開凝結水最小流量調節閥，則由于開度很小節流損失更大，且僅作為凝結水泵正常運行的附帶條件，不對除氧器水位產生調節效果。在變頻狀態下，由調節性能更好的凝泵變頻調節裝置代替除氧器水位調節閥擔任主要的除氧器水位調節任務；擔任凝結水母管壓力調節任務的除氧器水位調節閥盡量保持全開，凝結水最小流量調節閥無調節任務保持全關，有效降低了節流損耗。

表4 凝結水系統執行器的用途

工程試驗中，安排凝結水泵分別在工頻方式和變頻方式下運行，記錄機組典型工況時凝結水泵的電流，見表5。由表中數據可知，機組負荷越低，輸入電流降得越多，凝結水泵電動機從電網輸入的功率越低，節電效果越明顯。本文采用估算法進行節能分析（還有一種常用的測量統計法，即將變頻方式機組發電量和凝泵耗電量直接與工頻數據進行比較。估算法簡單快捷，用過去推算將來；測量統計法按月度、季度或年度計算，統計周期長但較為準確。估算法的結論需要測量統計法的結論來驗證）。根據表5數據計算得到變頻器的平均節電率不低于45%，按2010年電廠發電量27TW·h計算，工頻狀態凝結水泵電耗0.4447%，則凝泵將節約廠用電（27×108×0.45×0.004447＝5403105）約540GW·h。按稅后電價0.3489／（kW·h）計算，折合約（5403105×0.3489＝1885143）約180萬元。該項目投資約130萬元，預計不到一年即可回收成本。

表5 典型工況下凝結水泵電流比較

6 結 語

通過以上分析可知，自動／手動一拖二方式可在改造時減少投入，PLC和DCS聯合控制方式能充分發揮PLC強于邏輯量運算和DCS強于模擬量控制的優點，改善調節性能，有利于將現代先進控制理論用于變頻調速控制。以變頻調速為核心的自動調節模式為企業節能降耗開辟了重要途徑。

［1］郭世明.電力電子技術［M］.成都：西南交通大學出版社，2008.

［2］訾貴昌，王夢文，孫秀芬，等.自動控制原理與應用［M］.北京：煤炭工業出版社，2007.

［3］嚴震池.電機學［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［4］陳瑞陽.機電一體化控制技術［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［5］丁斗章.變頻調速技術與系統應用［M］.北京：機械工業出版社，2007.