660MW 機組凝泵變頻在節能改造中優化控制

朱延海 岳建華 馬天霆 史文韜

（1.神華江蘇國華陳家港發電有限公司，江蘇省鹽城市，224631；2.神華國華 （北京）電力研究院有限公司，北京市朝陽區，100025）

為了節能減排，挖掘節能潛力，發電廠將與負荷曲線有一定關系的電機實現變頻控制，其中凝結水泵變頻控制可減少除氧器上水調節閥的節流損失和低負荷時凝結水再循環損失，凝泵實現變頻調節后，需要解決的問題是在凝結水母管壓力滿足凝結水用戶的要求情況下，如何實現除氧器水位自動控制，以達到最大節能效果。由于各發電廠凝結水系統設備配置情況不同，或對節能和系統安全要求的側重點不同，凝結水泵變頻改造后變頻控制與除氧器上水調節閥控制策略也有所不同，目前存在2種控制方式。一種是除氧器上水調節閥控制除氧器水位，凝泵變頻控制凝結水母管壓力，另一種是除氧器上水調節閥控制凝結水母管壓力，凝泵變頻控制除氧器水位。根據對某電力公司的上述2種控制方案的應用情況比較分析，提出一種新的節能控制方案，并在江蘇國華陳家港發電有限公司2＃機組凝泵變頻改造項目成功應用。

1 相關電廠應用情況比較分析

出于對凝泵變頻改造項目調研不足或系統安全運行考慮，多數凝結水泵變頻改造項目沒有達到最大節能效果。對某電力公司5個電廠凝泵配置為2×100%，變頻配置為一拖二，采用2種不同的控制方式凝泵變頻改造項目的應用情況進行比較分析見表1。

表1 凝泵變頻改造項目應用情況比較分析

單機容量 凝泵配置 變頻配置 控制方案 應用分析項目4 600 MW亞臨界 2×100% 一拖二凝泵變頻調水位，上水調節閥調節壓力凝泵出口壓力設定值較高，導致除氧器水位調節門始終處于節流狀態。在300 MW 以上各負荷段，變頻器輸出頻率都維持在39Hz以上，電流在各廠對比中明顯偏大，總體節能效果較差。項目5 600 MW亞臨界 2×100% 一拖二凝泵變頻調壓力，上水調節閥調節水位由于對流量-壓力設定值曲線擬合較好，所以在低負荷段頻率和電流都較低，取得了良好的節能效果，但是在高負荷段，因除氧器水位調節門控制水位，需要留有控制裕度，所以閥門不能處于全開狀態，存在節流損失，頻率和電流上升明顯，不能最大發揮變頻器的節能作用。

從表1中可知，在凝泵變頻調節水位，上水調節閥調節壓力方式下，只要凝結水出口壓力設定值越低，在低負荷下節能效果越明顯，否則節流損失越大，節能效果越差。在凝泵變頻調節壓力，上水調節閥調節水位方式下，在低負荷時需要有較好的流量-壓力設定值擬合曲線，才能取得較好的節能效果，但在高負荷時，為保證留有調節裕度，上水調節閥不能處于全開狀態，存在節流損失，影響節能效果。

2 凝泵變頻改造節能優化控制思路

兩種除氧器水位控制方式都有其局限性，因此提出一種新的控制思路：在保證凝結水母管壓力滿足凝結水用戶的前提下，凝泵變頻和除氧器上水調節閥都控制除氧器水位，即以凝泵變頻調節為主，除氧器上水調節閥調節為輔，兩個調節控制器設定值不同，例如，在正常運行下凝泵變頻調節控制器設定值為-50mm，而除氧器上水調節閥調節控制器設定值為-10mm。在高負荷時，凝泵變頻控制除氧器水位為-50mm，除氧器上水調節閥調節控制器因設定值 （-10mm）高于實際值，其控制器輸出逐漸開大至100%。當負荷降低時，凝結變頻指令逐漸降低，當達到限值 （在凝泵特性曲線內，冷態試驗確認）時凝泵轉速不再降低，致使除氧器水位逐漸上升，當水位上升超過-10 mm 時，除氧器上水調節閥開始調節，這樣保證在高負荷時除氧器上水調節閥全開，在低負荷時，凝泵轉速最低，達到最佳節能效果。

為了達到最佳節能效果，必須確定最低允許的凝結水母管壓力，而在所有凝結水用戶中，受凝結水母管壓力限制的主要是汽動給水泵密封水和汽輪機低壓旁路減溫水，另外還要克服除氧器的高度靜壓頭，保證除氧器持續上水。

江蘇國華陳家港發電有限公司2＃機組低壓旁路為30%啟動旁路，其減溫水壓力低保護定值為0.3 MPa，暫不考慮啟動旁路的需求。經計算，在低負荷運行中克服除氧器的高度靜壓頭、管道阻力和除氧器壓力所需凝泵出口最低壓力約為1.1 MPa，而汽動給水泵運行時密封水壓力不得低于1.25 MPa。在凝泵最低轉速下，如果凝結水母管壓力大于1.25 MPa，即可滿足所有凝結水用戶需求，凝結水系統不需作任何改造。如果凝結水母管壓力小于1.25 MPa，將在原密封水管路上增加管道升壓泵來提升密封水壓力。在邏輯設計時，也應考慮異常情況下相關設備聯鎖保護。

3 凝結水泵變頻節能改造優化控制

江蘇國華陳家港發電有限公司2＃機組為660 MW超超臨界機組，凝結水系統為中壓凝結水系統，設置2×100%容量凝結水泵，1臺運行，1臺備用，凝泵變頻改造采用一拖二方案。

3.1 凝泵變頻控制

凝泵變頻調節除氧器水位，水位設定值為-50mm，采用單級PID 調節器，將給水需求量（高加出口給水流量）與凝結水流量的差值 （1%）作為調節器輸出前饋，以增加變負荷時除氧器水位的穩定，變頻指令輸出低限為30 Hz，如圖1 所示。機組啟動上水時，變頻器手動定頻，由除氧器上水調節閥控制。當凝泵工頻運行或除氧器水位故障時凝泵變頻控制切換為手動。

3.2 除氧器上水調節閥控制

保留原有的單沖量和串級三沖量控制邏輯，在凝泵變頻運行方式時，除氧器上水調節閥控制設定值為-10 mm，由于變頻器調節水位設定值為-50mm，所以正常運行時，保持除氧器上水調節閥全開。只有當除氧器水位高于-10 mm 時，除氧器上水調節閥才開始回關。在邏輯修改中刪除原有邏輯的除氧器水位設定的跟蹤線，以防止調節器輸出達到限值及變頻切換工頻時保持設定值不變，如圖1所示。

當凝泵由變頻切換為工頻時，除氧器上水調節閥開度指令由負荷-開度函數曲線給定，并保持40s。除氧器水位大于300mm 時，超馳關閉除氧器上水調節閥。當除氧器水位故障或除氧器上水調節閥指令與閥位偏差大于15%時延時5s或閥位故障時調節閥自動切為手動。

圖1 頻泵變頻和除氧器上水調節閥控制

3.3 凝結水再循環調節閥控制

在凝泵處于變頻運行方式時，凝結水再循環調節閥控制凝泵出口母管壓力 （PI調節器），壓力設定值為4MPa，以保證正常運行時凝結水再循環調節閥關閉。當凝泵出口母管壓力超過4.2 MPa時超馳開凝結水再循環調節閥100%；當凝結水流量低于260t／h時超馳開凝結水再循環調節閥30%。

在凝泵工頻運行方式時，凝結水再循環調節閥控制凝結水流量 （原控制方案），當凝結水流量低于320t／h時超馳開凝結水再循環調節閥30%。

當凝泵由變頻切換為工頻運行方式且負荷小于500 MW 時，超馳開凝結水再循環調節閥 （負荷為500 MW 時，開度為30%；負荷為400 MW 時，開度為40%）20s，以防凝結水母管超壓。

3.4 備用聯鎖邏輯

（1）變頻運行時，負荷大于300 MW，除氧器水位低于-400mm 時，聯啟備用工頻泵。

（2）變頻運行時，壓力低于1.25 MPa時，聯啟備用工頻泵。

（3）變頻運行時，變頻器跳閘或變頻器重故障時，聯啟備用工頻泵。

（4）工頻運行時，壓力低于2.8 MPa或運行工頻泵跳閘時，聯啟備用工頻泵。

4 凝泵變頻改造后試驗分析

4.1 冷態試驗

冷態試驗時，在凝泵再循環調節閥開度為70%，凝泵變頻指令為26Hz時，凝結水母管壓力凝結水母管壓力為1.26 MPa，但在26～28 Hz區間A、B凝泵振動較大，所以將凝泵變頻指令限制在30Hz（控制方案中變頻指令最低限值以此為依據）。

4.2 熱態變負荷試驗

660～300 MW 降負荷動態過程中相關數據見表2，與穩態負荷時相比較，數據相近。

表2 變負荷工況下凝結水系統數據

從凝泵變頻改造后運行情況來看，控制效果良好，節能效果明顯。負荷為660 MW 時，變頻指令為42 Hz，變頻器開關電流為133 A。負荷為390 MW 以上時，除氧器上水調節閥能達到全開，凝結水母管壓力最低達到1.4 MPa。負荷為300～390 MW 時，變頻器控制指令限制為30 Hz，凝結水母管壓力最低為1.33 MPa，汽泵密封水溫差控制穩定，滿足汽動給水泵密封水的安全需求。

4.3 對凝泵變頻改造提出的相關建議

（1）低轉速下軸瓦油膜剛度變差，對軸瓦不利，轉速越低危害越大，建議盡量不要長期在900轉 （30Hz）以下運行，須采取必要的頻率指令限制措施。

（2）對于低頻 （小于30Hz）可能出現的泵體振動大，可取消一級葉輪，以提高最小頻率。同時建議增加凝泵本體振動測點，以實時監控凝泵本體振動。

（3）在串級三沖量調節中，高加出口給水流量作為主調節輸出的前饋，當高加出口給水流量降低時，在高負荷運行時可能會導致除氧器上水調節閥回關，可將除氧器上水調節閥串級三沖量控制改為單級三沖量控制，或將副調節器的偏差死區設置合適的數值，可避免高加出口給水流量快速變化引起上水調節閥的回關。

（4）考慮低負荷時汽動給水泵密封水壓力的影響，在低負荷時還應關注汽泵密封水溫差，必要時可增加密封水升壓泵來提升汽動給水泵密封水壓力。

（5）對于機組采用大于65%低壓自動旁路時，當汽機跳閘時 （低旁動作），聯啟備用工頻泵。當機組采用小于55%低壓自動旁路時，當汽機跳閘時（低旁動作），超馳將變頻泵轉速提升到工頻。同時應做好聯啟工頻泵時除氧器水位調節門卡澀及變頻泵故障工頻泵不能正常聯啟等事故預案。

5 經濟效益分析

5.1 改造前后參數分析

凝泵變頻改造后，對機組正常運行負荷300～660 MW 區間不同負荷點與工頻狀態下各參數對比見表3。

從表3可以看出，在工頻運行方式下，凝泵電流約為200A，除氧器上水調節閥在整個負荷段處于節流狀態，負荷越低節流越大，負荷為450 MW時，凝結水再循環調節閥開啟，又進一步造成能量損失。在變頻運行方式下，凝泵電流、凝結水母管壓力隨著負荷降低而降低，負荷為380 MW 以上時，除氧器上水調節閥一直處于全開位置，負荷為380 MW 以下時，頻泵轉速降至最低值，除氧器上水調節閥隨著負荷降低逐漸關小，但凝結水再循環調節閥一直處于全關狀態，減少了凝結水再循環所造成的能量損失。從以上分析可知，在機組正常運行負荷300～660 MW 區間變頻控制節能效果顯著。

5.2 改造后經濟效益分析

對凝泵變頻項目改造后，1＃和2＃機組運行的第一個整月來橫向比較分析，1＃機組凝泵工頻運行電耗為廠用電的0.38%，而2＃組機凝泵改造后變頻運行電耗為廠用電的0.18%，兩臺機組相差0.20%。綜合各種因素，進行保守分析，凝泵變頻改造前凝泵工頻電耗為0.40%，改造后為0.2%，下降了 0.20%， 單機發電量按年度發電40億kW·h，廠用電降低0.2%，可節約廠用電800萬kW·h／a，按替代與計劃的平均上網電價0.35元／kW·h計算，可節省費用280萬元。

表3 變頻與工頻運行參數對比

6 結論

隨著節能減排的深入，凝泵實現變頻控制技術也日趨完善，在不斷總結經驗和優化控制，都能取得較好的節能效果。本文提出的凝泵變頻和除氧器上水調節閥協調控制除氧器水位控制方案在江蘇國華陳家港發電有限公司2＃機組成功應用，取得良好的節能效果和經濟效益，為同類型機組凝泵變頻改造提供參考。

［1］ 吾明良，鄭衛東，陳敏.超超臨界1000MW 機組凝結水泵深度變頻分析 ［J］.電力建設，2012 （8）

［2］ 盛喜兵，李振強，杜化仲等.330MW 機組凝結水泵變頻改造及系統運行優化 ［J］.熱力發電，2011（9）

［3］ 郗成超，俞靜.660MW 機組凝結水泵變頻控制邏輯優化 ［J］.熱力發電，2014 （1）