變頻調節技術在凝結水泵系統上的運用

魏勝孌

(華電四川發電有限公司攀枝花分公司，四川 攀枝花 617065)

1 設備概述

1.1 設備參數

華電四川發電有限公司攀枝花分公司2×150 MW汽輪機為北京某公司設計，上海某公司制造的超高壓、中間再熱、單缸、單轉子、單排汽、沖動凝汽式汽輪機組。機組凝結水系統為中壓系統，配裝2臺100%容量凝結水泵(以下簡稱凝泵)，運行方式為“一運一備”。凝泵參數見表1，凝泵電動機參數見表2。

表1 凝泵參數

表2 凝泵電動機參數

1.2 凝泵變頻改造前運行情況及存在的問題

1.2.1 凝泵變頻改造前運行情況

凝泵采用定速運行，凝結水經凝泵升壓后流經軸封加熱器，通過主凝結水調節閥(即除氧器上水調整門)和低壓加熱器進入除氧器。調整主凝結水調節閥開度來調節凝結水量，維持除氧器水位穩定以滿足機組運行需要。凝結水還供給汽輪機低壓軸封汽減溫、低壓旁路減溫及汽輪機低壓缸噴水減溫等用水。為防止機組低負荷運行時凝結水系統超壓和凝結水泵汽蝕，凝泵設計有凝結水再循環管路，再循環調節閥配合調整除氧器水位，維持系統正常壓力運行。

1.2.2 凝泵變頻改造前存在的問題

(1)除氧器水位調整是通過改變主凝結水調節閥開度進行的，因其調節線性度差、節流損失大、凝泵耗電率較高而造成能源浪費。

(2)由于閥門動作頻繁，閥門的可靠性及使用壽命降低，影響機組的安全、穩定運行。

(3)電動機啟動產生巨大的沖擊電流，不僅對同一母線上的電動機或其他設備正常工作造成極大的影響，而且交流高壓電動機直接啟動會產生轉矩沖擊，在很短的啟動過程中，轉子籠型繞組及阻尼繞組將承受很高的熱應力和機械應力，使籠條的端環斷裂，并且造成定子繞組絕緣的機械損傷和磨損，從而導致定子繞組絕緣擊穿。直接啟動時的大電流還會引起鐵芯振動，使鐵芯松弛，增加電動機發熱量。

2 變頻器的改造

2.1 電氣部分改造

此次變頻改造采用“一拖一”的接線方式，1臺機組采用1套變頻器，即1臺機組中1臺凝泵工頻運行，1臺凝泵變頻運行。此次凝泵A變頻改造電氣部分控制邏輯及狀態信號共計14個，其邏輯及各狀態信號說明如下。

2.1.1 模擬量信號3個

(1)模擬給定。開環狀態下，由分散控制系統(DCS)給定變頻器運行頻率。

(2)輸出頻率。變頻器實時輸出頻率(電動機運行頻率)反饋至DCS顯示。

(3)輸出電流。變頻器實時輸出電流(電動機運行電流)反饋至DCS顯示。

2.1.2 邏輯狀態信號8個

(1)變頻運行指示。變頻器已正常啟動運行，就地變頻器操作面板上“運行指示”綠燈長亮。

(2)重故障信號。

1)變頻器系統運行中發生重故障報警時，變頻器控制系統將自動發出高壓開關跳閘指令，6 kV高壓開關將自動跳閘，變頻器停止運行。同時閉鎖6 kV高壓開關“上電允許”信號，DCS上6 kV高壓開關合閘操作無效。就地變頻器操作面板上“故障指示”紅燈長亮。

2)變頻器控制系統將對重故障信號指示、高壓開關跳閘指令作記憶處理。即便故障消失，重故障信號指示、高壓開關跳閘指令依然保持。待故障排除并由運行人員到就地變頻器操作面板上對系統復位后，重故障信號指示才能消失，變頻器才能恢復到系統待機狀態。

3)重故障分類與報警。系統發生外部故障、變壓器過熱、電動機過流、單元故障(單元故障包括功率模塊單元缺相故障、過熱、驅動故障、光纖故障)、變頻器過流、高壓失電、接口板故障、控制器不通信、接口板不通信、系統超速、主控板故障等時，按重故障處理。

(3)輕故障信號。

1)變頻器系統運行中發生輕故障報警時，變頻器系統不停機，就地變頻器操作面板上“故障指示”紅燈閃亮。變頻器控制系統對輕故障信號不做記憶處理，僅做故障信號指示，待故障消失后，輕故障報警信號將自動消除。

2)變頻器系統輕故障包括變壓器超溫報警、柜門未關。

(4)上電允許信號。變頻器系統切換刀閘已切換至“變頻狀態”，系統自檢正常，允許合閘6 kV高壓開關。

(5)啟動允許信號。變頻器系統6 kV高壓開關已合閘，系統檢測有高壓電輸入，允許啟動變頻器運行。

(6)遠程控制信號。變頻器系統由遠方DCS操作控制。

(7)變頻狀態信號。變頻器系統切換刀閘已切換至“變頻狀態”運行。

(8)工頻狀態信號。變頻器系統切換刀閘已切換至“工頻狀態”運行，變頻器系統退出。

2.1.3 控制指令信號3個

(1)遠程啟動指令。變頻器系統由DCS發出啟動變頻器運行指令。

(2)遠程停機指令。變頻器系統由DCS發出停止變頻器運行指令。

(3)高壓緊急分斷指令。當運行人員就地檢查發現變頻器系統出現緊急狀況，或需要立即切斷變頻器高壓電源時，運行人員應按下變頻器操作面板上“高壓分斷”按鈕。此“高壓分斷”按鈕具有自鎖功能，需要復位“高壓分斷”按鈕時，只需將此按鈕順時針旋轉45°后自動復位。

2.2 熱工部分改造

2.2.1 改造概述

該項目為凝泵A變頻改造所實施的配合項目。系統總體改造情況為加裝凝泵A變頻器1臺，單獨為凝泵A提供變頻電源，凝泵B仍保持原工頻方式運行不變。熱工方面改造的總體原則是在DCS中新增凝泵A變頻器相關的I/O測點，新增凝泵A的操控界面，相應調整、變更凝泵A自動調節、保護、聯鎖、報警等邏輯，滿足變頻改造后相關系統的正常運行、調整和監視需要。

(1)就地設備部分。新增變頻室溫元件及電纜敷設。

(2)DCS部分。操作員站畫面做相應修改，替換或新增部分報警信號。原凝泵A操控邏輯、凝泵A(6 kV開關)熱機保護跳閘條件、啟動條件等做相應變更，相關泵、閥門聯鎖關系做相應變更，新增凝泵A變頻器的操控邏輯。

2.2.2 改造范圍

(1)設備部分。在凝泵A變頻器室加裝室溫元

件Pt100。

(2)DCS硬件部分。利用現有DCS備用I/O通道進行改造，不再新增卡件等硬件。

(3)DCS畫面部分。在汽機凝結水系統中設置按鈕，并新增彈出窗口，窗口內容為凝泵A變頻系統，應包含凝泵A高壓開關、變頻器等設備的操控、調節、狀態、報警監視等內容。汽輪機主控圖、凝結水系統畫面中涉及凝泵A的內容做相應更新。DCS光字牌報警、汽輪機設備安全管理做相應更新。

(4)DCS邏輯部分。

1)DPU2。根據邏輯設計方案進行除氧器水箱水位調節修改。在38組態頁新增凝泵A變頻控制。

2)DPU7。在55組態頁中新增凝泵A變頻器邏輯，包含凝泵A變頻器的操控、保護等控制邏輯以及凝泵A啟、停狀態的自動判斷邏輯。原凝結水泵A組態頁名稱修改為凝泵A高壓開關，包含凝泵A高壓開關的操控、保護等邏輯。對凝泵A出口電動門、凝泵B組態頁中的相關測點取用進行修改。根據配點情況修改點目錄文件，相應修改歷史數據收集配置文件。

2.2.3 DCS邏輯設計方案

由于變頻改造后凝泵A存在2種運行方式，即變頻運行方式和工頻運行方式，需DCS操控的設備有2個，即6 kV開關和變頻器，在DCS畫面及組態中對其分別進行控制。工頻運行方式下以高壓開關的分合進行凝泵A的啟、停控制；變頻運行方式下，保護跳閘時直接跳高壓開關，正常啟、停時則以變頻器的啟停進行凝泵A的啟、停控制。

凝泵A啟、停狀態同樣需根據運行方式的不同采用不同的設備測點，變頻方式下選取變頻器的啟停狀態，工頻方式下選取高壓開關的啟、停狀態，通過組態邏輯實現自動判斷。DCS畫面中凝泵A的狀態顏色同樣采用上述方式選取。需要說明的是，變頻方式下，因變頻器只有運行狀態送至DCS，故凝泵A的畫面顏色只有紅、綠2種，無黃色狀態。

因變頻、工頻2種運行方式下保護動作均直接跳高壓開關，故變頻器控制邏輯中不設保護跳閘回路。

由于僅對單臺凝泵進行變頻改造，凝泵A將長期運行，且考慮到變頻器的啟動較為復雜，故凝泵A在變頻狀態下將不作為聯鎖備用。

關于除氧器水位自動調節，由于只有單臺凝泵進行變頻改造，B泵運行及A泵工頻運行時仍然使用凝結水流量調節閥進行自動調節，故此次改造后除氧器水位自動調節繼續使用主凝結水調節閥。

主要邏輯設計(各類條件均為熱工側條件，不包含電氣回路)。

(1)凝泵A高壓開關邏輯條件。在變頻方式下的啟動允許條件中增加變頻器上電允許條件。凝泵A備用聯啟邏輯，需進行方式選擇，在工頻方式下可投入備用，否則不允許投備用。凝泵A聯跳邏輯，將原高壓開關合閘狀態替換為經邏輯判斷后的泵運行狀態。

經對原凝泵備用邏輯進行檢查發現存在不合理之處，即凝泵備用投入時泵的啟動允許條件隨即滿足，而備用投入的條件僅為對側泵運行及本泵停運，未考慮其他啟允許條件(凝汽器熱井水位低一值、低二值信號未發出，出口電動門關，高壓開關切遠控)，也未考慮原保護動作條件。在實際運行中，如果高壓開關未切遠控是可以投備用的，備用投入后啟允許條件也就同時滿足，而在這種情況下泵將無法聯啟。通過綜合考慮，做如下改進：考慮到備用的重要性，允許在熱井水位低一值發出的情況下投備用；熱井水位低二值與軸瓦溫度保護信號發出時不允許投備用、不允許泵啟動；備用投入時會聯開出口電動門，故出口電動門關不作為備用投入條件；高壓開關切遠控必須作為備用投入條件；取消“備用投入后泵啟動允許條件隨即滿足”這一邏輯。

保護跳閘條件(任一條件具備)：

1)變頻器重故障；

2)凝結水泵軸瓦溫度高；

3)凝汽器熱井水位低二值。

變頻方式下合閘允許條件(所有條件同時具備)：

1)變頻器重故障消失；

2)變頻器輕故障消失；

3)變頻器來上電允許；

4)距上次跳閘超過10 min；

5)變頻器切變頻方式；

6)高壓開關切遠控。

工頻方式下合閘允許條件(所有條件同時具備)：

1)變頻器切工頻方式；

2)熱井水位低一值信號未發出或備用投入；

3)出口電動門關或備用投入；

4)高壓開關切遠控；

5)泵保護動作條件未發出。

凝泵A工頻方式下備用投入條件(所有條件同時具備)：

1)變頻器切工頻方式；

2)高壓開關切遠控；

3)泵保護動作條件未發出；

4)B泵運行；

5)A泵停運。

備用投入后，如前3項條件丟失，則備用自動退出。此時運行人員應立即聯系處理，盡快重新投入。

凝泵B備用投入條件(所有條件同時具備)：

1)高壓開關切遠控；

2)泵保護動作條件未發出；

3)A泵運行；

4)B泵停運。

備用投入后，如前3項條件丟失，則備用自動退出。此時運行人員應立即聯系處理，盡快重新投入。

變頻方式下分閘允許條件(所有條件同時具備)：

1)變頻器切變頻方式；

2)變頻器停運超過10 s。

(2)凝結水泵B邏輯中，將聯啟邏輯中A泵高壓開關合、跳狀態替換為經邏輯判斷后的泵運行、停止狀態。

(3)凝泵A變頻器邏輯條件。

啟動允許條件(所有條件同時具備)：

1)變頻器重故障消失；

2)變頻器輕故障消失；

3)變頻器切變頻方式；

4)變頻器來啟動允許；

5)變頻器遠控狀態；

6)凝汽器熱井水位低一值信號未發出；

7)出口電動門關；

8)高壓開關切遠控；

9)泵保護動作條件未發出。

(4)凝泵A啟停狀態判斷。

(5)凝結水泵A出口門邏輯條件。出口電動門聯開、聯關邏輯中，將原高壓開關合閘、跳閘狀態替換為經邏輯判斷后的泵運行、停止狀態。

(6)在凝泵A頻率調節邏輯中設置40%額定頻率(20 Hz)的下限，同時根據泵最低出口壓力值對頻率降低進行閉鎖，并設置閉鎖投、切開關，便于機組停運時安全停運變頻器。

(7)在除氧器水位調節邏輯中設置主凝結水調節閥超馳關邏輯：當A泵變頻方式運行中B泵聯啟時，主凝結水調節閥指令值在現有的基礎上降低20%，同時調節閥自動切手動。

3 凝泵A變頻器改造試轉方案

此次凝泵A加裝變頻器，凝泵B保留原工頻運行方式，改造后凝泵A可在變頻和工頻2種方式下運行，工頻運行方式下凝泵A和凝泵B可以相互聯鎖。凝泵A變頻運行方式下，只能由凝泵A聯鎖凝泵B。動態試轉前，電氣和熱工靜態調試完畢，各邏輯和信號正確。凝泵A變頻方式下試轉分為2種：一種是電動機空載試轉，另一種是帶負荷試轉(主凝結水調節閥全開)。

3.1 凝泵A電動機空載試轉

將凝泵A電動機聯軸器拆開。

3.1.1 工頻工況下

(1)將變頻裝置切至工頻，檢查工頻方式下合閘允許條件是否滿足。啟動凝泵A查看電動機的轉向是否正確，否則電動機調相。

(2)工頻聯鎖試驗：聯鎖試驗前對凝泵A，B電氣保護進行傳動試驗，保護正常后，做凝泵A，B互聯動試驗。

3.1.2 變頻工況下

(1)將變頻裝置切至變頻位置，檢查變頻方式下合閘允許條件滿足。

(2)正常啟動變頻器，變頻器頻率自動整定為40%額定頻率(即20 Hz)，觀察電動機轉速，出口電動門是否聯動開啟，穩定后逐步(步長為5 Hz)將頻率加至100%額定頻率(50 Hz)，記錄每個頻率下電動機電流、轉速和振動情況。

(3)變頻空載工況下聯鎖試驗：凝泵A變頻運行正常，凝泵B聯鎖備用。按下凝泵A變頻器緊急分斷按鈕，凝泵A停閘，凝泵B聯動正常。試驗凝泵A變頻器非正常停運，6 kV開關不跳情況下，凝泵B聯動正常。

3.2 凝泵A變頻帶負荷試運行

(1)凝泵A變頻空載試轉正常后，將#12機組凝泵A電動機聯軸器聯接上。

(2)檢查凝泵A切至變頻位置，合閘允許條件滿足，主凝結水調節閥全開。

(3)正常啟動變頻器，變頻器頻率自動整定為40%額定頻率(即20 Hz)，觀察電動機轉速，出口電動門是否聯動打開，記錄泵的出口壓力，觀察低轉速下電動機和泵的振動。穩定后逐步(步長為5 Hz)將頻率加至100%額定頻率(50 Hz)，并記錄各個頻率下泵的出口壓力、流量、電流、振動頻率。根據系統對泵出口壓力的要求，確定凝泵A運行中最低頻率的限制。

(4)確定凝泵A運行中最低頻率后，熱工對最低頻率限制進行修改后試驗邏輯是否正常。

(5)配合廠家人員進行變頻裝置負載參數測試和試驗。

(6)變頻帶負荷下聯鎖試驗。凝泵A變頻穩定運行，凝泵B聯鎖備用。凝泵A變頻器重故障跳閘，凝泵B聯動正常，主凝結水調節閥指令值在現有的基礎上降低20%，同時主凝結水調節閥自動切手動。觀察、記錄凝結水流量、凝泵出口壓力變化。

(7)在凝泵A停運過程中，根據泵最低出口壓力值對頻率降低進行閉鎖試驗。

4 經濟效益及可靠性分析

4.1 節能

異步感應電動機的轉速n與電壓頻率f、轉差率s、電機極對數p有如下關系：n=60f(1-s)/p。改變電壓頻率f可以改變電動機轉速。由于凝泵對轉速精度要求不是非常高,在異步感應電動機的設計制造完成后,在帶負載運行過程中由于負載變化,轉差率會略有變化,但變化極小，因此可以認為電動機轉速與變頻器輸出電壓頻率成線性關系。所以，將頻率不變的工網電壓變換為不同的頻率電壓時，電動機轉速也會隨之改變。

在進行變頻調速改造前，凝泵電動機始終處于100%工作負荷狀態下，調節凝結器和除氧器中的水位，即凝結泵的出水量完全通過主凝結水調節閥門開度改變管路的阻力來實現。當水量減小時，電動機功率并沒有明顯下降。如圖1所示，當需要減小流量時，減小閥門開度，凝泵工作點從A點移到D點，忽略泵機和電動機效率變化，電動機功率變化不明顯。當采用變頻調速后，節能效果是明顯的。凝泵A變頻改造參數見表1。

圖1 水泵類負載工作特性曲線

4.2 減少電動機啟動時的電流沖擊

電動機工頻直接啟動時的最大啟動電流為額定電流的7倍，星角啟動為4.5倍，電動機軟啟動也達到2.5倍。變頻器可以做到啟動轉矩高且平滑無沖擊，減少對電網的沖擊，保證機組正常運行。觀察變頻器啟動的負荷曲線，可以發現其在啟動時基本沒有沖擊，電流從0開始，僅是隨著轉速增加而上升，不管怎樣都不會超過額定電流。因此凝泵變頻運行解決了電動機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電動機、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養費用。

4.3 延長設備壽命

使用變頻器可使電動機轉速變化隨凝泵的加減速特性曲線變化，沒有應力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。而且機械壽命與轉速的倒數成正比，降低凝泵轉速可成倍地提高凝泵壽命，降低了凝泵使用費用。

4.4 降低噪音

凝泵改用變頻器后，降低水泵轉速的同時，噪聲大幅度降低。同時消除了啟動和停止時的打滑和尖嘯聲，消除了由于調門線性度不好、調節品質差而引起的管道沖擊和振動。

表1 凝泵A變頻改造參數

5 此次變頻改造的影響因素

(1)一是單臺凝泵變頻改造，二是單臺變頻器的情況下未設置變頻器在兩泵間的自動切換功能，制約節能潛力的進一步發揮。

(2)除氧器水位自動執行單元采用主凝結水調節閥，因其已使用較長年限，調節特性偏移導致自動投入效果不佳，帶來一定的附加損失。

(3)改造后熱工聯鎖邏輯變得復雜，B泵聯啟時不可避免地造成凝結水流量及母管壓力大幅波動，對除氧器及熱井水位的精確控制造成一定影響。

6 結論

通過改造，不但實現了DCS的軟操作，有效避免了電動機啟動時的強力沖擊，保證了設備的安全，同時滿足除氧器水位調節的需要和各種異常工況變化的要求，有效解決了凝結水系統管道在低負荷振動大、閥門節流大、控制系統滯后、相互耦合嚴重以及控制對象特性不確定等難題，更重要的是降低了凝泵耗電率，為機組的安全、經濟運行奠定基礎，也是企業節能減排的重要舉措。