1 000 MW 機(jī)組凝結(jié)水泵變頻解耦控制在節(jié)能改造中的應(yīng)用

（廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223）

0 引言

在當(dāng)前節(jié)能降耗的政策環(huán)境下，為了滿足電網(wǎng)深度調(diào)峰和機(jī)組節(jié)能降耗的需要，針對(duì)單元機(jī)組凝結(jié)水泵進(jìn)行變頻控制技術(shù)優(yōu)化已是大型火電機(jī)組節(jié)能改造的重點(diǎn)研究方向[1]。目前，凝結(jié)水泵變頻控制技術(shù)主要有兩種應(yīng)用方式：一種是由凝結(jié)水泵變頻器控制凝結(jié)水母管壓力，由除氧器水位調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位；另一種是由凝結(jié)水泵變頻器控制除氧器水位，由除氧器水位調(diào)節(jié)閥控制凝結(jié)水母管壓力[2]。從應(yīng)用現(xiàn)狀來看，后者在減少節(jié)流損失和提高節(jié)能效果上優(yōu)于前者，但在調(diào)節(jié)過程中仍存在水位和壓力調(diào)節(jié)的相互影響和交叉耦合。雖然有些同類型機(jī)組通過優(yōu)化協(xié)同控制方案可以降低交叉耦合的影響，但至今仍沒有一種較為理想的解耦控制方案應(yīng)用于凝結(jié)水泵變頻控制技術(shù)[3-6]。

某發(fā)電廠1 000 MW 機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)配置3臺(tái)帶有變頻器的凝結(jié)水泵，采用一拖一帶旁路方式。原控制方式是凝結(jié)水母管壓力由凝結(jié)水泵變頻器定壓調(diào)節(jié)，除氧器水位由主副調(diào)節(jié)閥協(xié)同調(diào)節(jié)控制。在機(jī)組正常運(yùn)行階段（尤其帶高負(fù)荷時(shí)），這種控制方式在除氧器水位調(diào)節(jié)過程中不能保證除氧器水位調(diào)節(jié)閥全開，造成大量節(jié)流損失；機(jī)組在變負(fù)荷過程中凝結(jié)水壓力需手動(dòng)設(shè)定，不能實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致機(jī)組效率降低；同時(shí)，除氧器水位與凝結(jié)水母管壓力調(diào)節(jié)之間互相耦合、相互影響，降低了凝結(jié)水泵自動(dòng)控制的可靠性和穩(wěn)定性[7-8]。

為此，本文提出一種1 000 MW 機(jī)組凝結(jié)水泵變頻解耦控制策略，并應(yīng)用于某發(fā)電廠1 000 MW 機(jī)組凝結(jié)水泵變頻節(jié)能優(yōu)化項(xiàng)目中，以減少系統(tǒng)的節(jié)流損失，解決雙變量控制系統(tǒng)之間的強(qiáng)耦合現(xiàn)象，提高機(jī)組效率和控制性能。

1 控制策略

凝結(jié)水泵變頻解耦控制的思路是：在機(jī)組各個(gè)負(fù)荷段，根據(jù)除氧器水位調(diào)節(jié)閥和凝結(jié)水泵變頻器調(diào)節(jié)的性能特點(diǎn)，全程協(xié)同控制除氧器水位和凝結(jié)水母管壓力，保持除氧器水位和凝結(jié)水壓力穩(wěn)定；在高負(fù)荷階段除氧器水位調(diào)節(jié)閥全開，節(jié)流損失最小；在低負(fù)荷階段凝結(jié)水泵變頻轉(zhuǎn)速保持最低，凝結(jié)水泵電機(jī)功耗最小；由此，達(dá)到最優(yōu)的控制性能和最佳的節(jié)能效果[9]。凝結(jié)水泵變頻解耦的具體控制策略主要包括變頻控制和解耦控制兩個(gè)方面。

1.1 變頻控制

將機(jī)組分為啟動(dòng)階段和正常運(yùn)行階段，以負(fù)荷380 MW 為界，在機(jī)組38%額定負(fù)荷以下時(shí)，控制策略采用除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位，凝結(jié)水泵變頻器控制凝結(jié)水母管壓力，在保證各凝結(jié)水用戶需要的基礎(chǔ)上保持凝結(jié)水泵變頻轉(zhuǎn)速最低。在38%額定負(fù)荷以上時(shí)，當(dāng)以下條件同時(shí)存在，自動(dòng)切換為凝結(jié)水泵變頻器控制除氧器水位，除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制凝結(jié)水母管壓力，保證高負(fù)荷時(shí)除氧器水位調(diào)節(jié)閥保持最大開度[10]：機(jī)組負(fù)荷大于38%；除氧器水位、除氧器入口流量、鍋爐主給水流量信號(hào)質(zhì)量好；5 號(hào)低壓加熱器水路通路；任一變頻器在自動(dòng)狀態(tài)；除氧器上水調(diào)節(jié)閥在自動(dòng)狀態(tài)。

在高負(fù)荷階段，除氧器水位調(diào)節(jié)與凝結(jié)水母管壓力調(diào)節(jié)之間存在強(qiáng)耦合作用，主要表現(xiàn)為當(dāng)凝結(jié)水泵變頻器指令增加時(shí)除氧器水位升高，同時(shí)凝結(jié)水母管壓力也增加；為了維持凝結(jié)水母管壓力，調(diào)節(jié)閥開大，這又導(dǎo)致除氧器水位繼續(xù)升高，從而引起凝結(jié)水泵變頻器指令減小。除氧器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)和凝結(jié)水母管壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是雙變量的強(qiáng)耦合控制系統(tǒng)，若要應(yīng)用于實(shí)際控制系統(tǒng)，必須對(duì)其進(jìn)行解耦控制[11-12]。耦合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

式中：L 為液位信號(hào)；P 為壓力信號(hào)；U1（S），U2（S）為輸出函數(shù)；G11（S），G12（S），G21（S），G22（S）為傳遞函數(shù)。

1.2 解耦控制

解耦控制的設(shè)計(jì)思路就是解除控制回路或被控變量之間的耦合，使得控制器與被控變量之間成為一對(duì)一的獨(dú)立控制系統(tǒng)。對(duì)角陣解耦、單位陣解耦、反饋解耦、前饋補(bǔ)償解耦都是耦合系統(tǒng)常用的解耦方法和措施，而工程實(shí)際中的常用措施是使用前饋補(bǔ)償法進(jìn)行解耦控制。前饋補(bǔ)償解耦控制方式是基于不變性原理設(shè)計(jì)解耦控制器，從而消除多個(gè)控制系統(tǒng)的耦合關(guān)聯(lián)性，達(dá)到對(duì)其解耦控制的目的[13]。應(yīng)用前饋補(bǔ)償法進(jìn)行解耦的控制邏輯如圖1 所示，其中：R1（S），R2（S）為系統(tǒng)輸入；Y1（S），Y2（S）為系統(tǒng)輸出；Gc1（S），Gc2（S）為系統(tǒng)控制器；D21（S），D12（S）為前饋補(bǔ)償解耦控制器傳遞函數(shù)。

圖1 解耦控制邏輯

根據(jù)前饋補(bǔ)償法解耦原理，由圖1 可以看出，為了使輸出Y2（S）與輸入R1（S）無關(guān)聯(lián)、輸出Y1（S）與輸入R2（S）無關(guān)聯(lián)，各傳遞函數(shù)必須滿足以下關(guān)系：

由此可得前饋補(bǔ)償解耦控制器傳遞函數(shù)為：

綜上分析，利用前饋補(bǔ)償法進(jìn)行解耦控制可以消除系統(tǒng)之間的相互耦合，使各系統(tǒng)成為互不相關(guān)的獨(dú)立控制回路。所以，在高負(fù)荷階段，針對(duì)除氧器水位調(diào)節(jié)與凝結(jié)水母管壓力調(diào)節(jié)之間的強(qiáng)耦合現(xiàn)象，凝結(jié)水泵變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)可采用靜態(tài)前饋補(bǔ)償解耦的控制方式解除兩者之間的耦合作用，即采用鍋爐主給水流量作為凝結(jié)水泵變頻控制除氧器水位的前饋信號(hào)，同時(shí)采用凝結(jié)水母管壓力信號(hào)進(jìn)行修正，以達(dá)到解耦控制的目的。變頻解耦優(yōu)化后的除氧器水位控制邏輯如圖2 所示。

優(yōu)化后控制策略如下：

（1）低負(fù)荷階段（38%額定負(fù)荷以下），除氧器水位由主、副調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，凝結(jié)水母管壓力由凝結(jié)水泵變頻器調(diào)節(jié)控制。除氧器水位按照原控制方案進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，即當(dāng)機(jī)組負(fù)荷低于20%額定負(fù)荷（200 MW）時(shí)，由副調(diào)節(jié)閥采用單沖量方式控制除氧器水位；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷高于25%額定負(fù)荷（250 MW）時(shí)，轉(zhuǎn)由主調(diào)節(jié)閥采用三沖量方式控制除氧器水位。

（2）高負(fù)荷階段（38%額定負(fù)荷以上），除氧器水位由凝結(jié)水泵變頻器調(diào)節(jié)控制，凝結(jié)水母管壓力由除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制。凝結(jié)水泵變頻器控制除氧器水位采用三沖量方式，除氧器實(shí)際水位與水位設(shè)定值的偏差經(jīng)PID（比例-積分-微分）調(diào)節(jié)器輸出，再加上鍋爐主給水流量的前饋信號(hào)作為除氧器入口流量的設(shè)定值，此流量設(shè)定值與實(shí)際除氧器入口流量的偏差再經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出，控制凝結(jié)水泵變頻器指令，從而調(diào)節(jié)除氧器水位達(dá)到設(shè)定值。

圖2 優(yōu)化后除氧器水位控制邏輯

（3）除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制凝結(jié)水母管壓力采用單回路PID 調(diào)節(jié)，被調(diào)量為凝結(jié)水泵出口母管壓力，設(shè)定值由運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定。正常運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水泵出口壓力設(shè)定值為最低1.3 MPa，在汽輪機(jī)跳閘且鍋爐未跳閘時(shí)，壓力設(shè)定自動(dòng)調(diào)整為最低1.5 MPa。

1.3 聯(lián)鎖保護(hù)

如凝結(jié)水泵備用聯(lián)啟，則有以下聯(lián)鎖：

（1）當(dāng)備用凝結(jié)水泵為工頻啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)行變頻泵的指令將自動(dòng)加至100%，同時(shí)將變頻泵切至手動(dòng)方式。

（2）當(dāng)備用凝結(jié)水泵為兩用一備變頻啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)行變頻泵的指令將跟蹤凝結(jié)水泵公共指令。

（3）當(dāng)備用凝結(jié)水泵為一用一備變頻啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)行變頻泵的指令切至85%。

（4）當(dāng)凝結(jié)水泵停止后，其變頻器的指令將自動(dòng)降為0%并切至手動(dòng)方式。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

為了保證新的控制策略在1 000 MW 機(jī)組凝結(jié)水泵變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)中取得良好的節(jié)能優(yōu)化效果，對(duì)除氧器水位調(diào)節(jié)、凝結(jié)水壓力控制及機(jī)組升降負(fù)荷時(shí)的控制策略進(jìn)行了不同工況下的擾動(dòng)試驗(yàn)，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)控制回路進(jìn)行了反向優(yōu)化調(diào)整，使凝結(jié)水泵變頻器及除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制能夠正確、合理、可靠地投入自動(dòng)，從而保證凝結(jié)水泵變頻解耦控制策略取得良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)和最佳的節(jié)能效果。

2.1 除氧器水位控制試驗(yàn)

在上述試驗(yàn)條件具備的情況下，切除除氧器上水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)，投入運(yùn)行的凝結(jié)水泵變頻器自動(dòng)，進(jìn)行參數(shù)整定。運(yùn)行人員手動(dòng)將除氧器水位設(shè)定值由2 141 mm 降至2 100 mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示；運(yùn)行人員手動(dòng)將除氧器水位設(shè)定值由2 100 mm 升至2 195 mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。圖3 至圖7 中，左、右方框內(nèi)的數(shù)值分別為圖中左、右虛線對(duì)應(yīng)時(shí)刻的參數(shù)值，由上至下分別為：除氧器水位調(diào)節(jié)閥開度，%；除氧器水位設(shè)定值，mm；除氧器入口流量，t/h；主給水流量，t/h；凝結(jié)水泵變頻指令，%；除氧器水位，mm；機(jī)組負(fù)荷，MW；凝結(jié)水泵壓力，MPa；凝結(jié)水泵A 反饋指令，%；凝結(jié)水泵B 反饋指令，%；凝結(jié)水泵壓力設(shè)定值，MPa。

投入凝結(jié)水泵變頻器自動(dòng)控制除氧器水位，通過上述設(shè)定值擾動(dòng)試驗(yàn)可以看出：在進(jìn)行-40 mm 擾動(dòng)試驗(yàn)中，水位變化能夠快速跟蹤設(shè)定值變化，穩(wěn)態(tài)偏差小；在進(jìn)行+95 mm 擾動(dòng)試驗(yàn)中，水位動(dòng)態(tài)偏差最大達(dá)到50 mm 左右，穩(wěn)態(tài)偏差在20 mm 以內(nèi)。以上偏差均滿足生產(chǎn)運(yùn)行要求。

2.2 凝結(jié)水壓力控制試驗(yàn)

在除氧器水位控制自動(dòng)投入并調(diào)試完成后，投入除氧器上水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)，控制凝結(jié)水泵出口母管壓力，進(jìn)行參數(shù)整定。運(yùn)行人員手動(dòng)將凝結(jié)水泵出口母管壓力設(shè)定值由1.84 MPa 降至1.65 MPa，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖3 除氧器水位定值減小擾動(dòng)試驗(yàn)

圖4 除氧器水位定值增大擾動(dòng)試驗(yàn)

圖5 出口壓力定值擾動(dòng)試驗(yàn)

投入除氧器上水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)，通過出口壓力定值擾動(dòng)試驗(yàn)可以看出：進(jìn)行-0.19 MPa 擾動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，在設(shè)定值下降的瞬間，調(diào)節(jié)閥迅速打開一定開度，此時(shí)實(shí)際壓力開始下降，但由于調(diào)節(jié)閥開啟導(dǎo)致凝結(jié)水流量上升，此時(shí)凝結(jié)水泵變頻器為了維持水位必須適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，在此過程中，除氧器上水調(diào)節(jié)閥與凝結(jié)水泵變頻器控制存在互相影響，只要維持在合適范圍之內(nèi)即可。由圖5 可看出，在升負(fù)荷過程中，凝結(jié)水泵出口母管壓力控制平穩(wěn)，控制偏差基本維持在0.1 MPa 范圍內(nèi)。

2.3 變負(fù)荷時(shí)的控制品質(zhì)

為了檢測控制策略在機(jī)組變負(fù)荷過程中的運(yùn)行情況，在機(jī)組變負(fù)荷過程中投入自動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)行曲線如圖6、圖7 所示。在機(jī)組快速大幅升降負(fù)荷過程中：除氧器水位最大控制偏差50～60 mm，絕大部分時(shí)間維持在40 mm 以內(nèi)；凝結(jié)水壓力最大控制偏差約在0.15 MPa，絕大部分時(shí)間維持在0.1 MPa 以內(nèi)。以上偏差均滿足生產(chǎn)運(yùn)行要求。

3 節(jié)能分析

圖6 機(jī)組升負(fù)荷試驗(yàn)

圖7 機(jī)組降負(fù)荷試驗(yàn)

不同負(fù)荷下凝結(jié)水泵控制策略優(yōu)化前后的功耗比較見表1，可以看出：控制策略實(shí)施前，除氧器水位調(diào)節(jié)閥整個(gè)負(fù)荷段一直處于未全開狀態(tài)，隨著負(fù)荷降低，開度越小，節(jié)流損失越大，且各負(fù)荷段凝結(jié)水母管壓力較高，凝結(jié)水泵電流較大；控制策略實(shí)施后，除氧器水位調(diào)節(jié)閥在660 MW 負(fù)荷以上一直處于全開狀態(tài)，且在低負(fù)荷階段也保持較大開度，整個(gè)負(fù)荷段凝結(jié)水母管壓力保持較低值，凝結(jié)水泵電流下降明顯。從以上分析可知，在機(jī)組正常運(yùn)行階段，即負(fù)荷400～1 000 MW 區(qū)間，凝結(jié)水泵變頻解耦控制策略能夠有效提高機(jī)組的節(jié)能效果和自動(dòng)控制水平。

由表1 可知，控制策略優(yōu)化后凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)功耗平均下降33%左右，單臺(tái)凝結(jié)水泵6 kV電動(dòng)機(jī)的電功率為485 kW。某發(fā)電廠兩臺(tái)1 000 MW 機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)凝結(jié)水泵為兩運(yùn)一備運(yùn)行方式，按照機(jī)組全年運(yùn)行3 600 h 計(jì)算，凝結(jié)水泵變頻解耦控制策略應(yīng)用實(shí)施后，兩臺(tái)1 000 MW機(jī)組將節(jié)省電負(fù)荷費(fèi)用為944 935 元，可見該控制策略可顯著提升機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

凝結(jié)水泵變頻解耦控制策略實(shí)施后，機(jī)組實(shí)現(xiàn)了全程自動(dòng)控制除氧器水位并保持凝結(jié)水母管壓力維持在合理范圍內(nèi)，現(xiàn)場控制效果也充分驗(yàn)證了這種控制策略具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)和節(jié)能效果。該控制策略具有前瞻性，反應(yīng)快，控制偏差小，有效解決了雙變量控制系統(tǒng)之間的強(qiáng)耦合，增強(qiáng)了凝結(jié)水泵變頻控制的抗擾動(dòng)和抗干擾能力，提高了機(jī)組自動(dòng)控制水平，保證了系統(tǒng)控制的可靠性和穩(wěn)定性[14]。同時(shí)，通過降低系統(tǒng)節(jié)流損失和廠用電率，提高了機(jī)組效率，取得了良好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。在當(dāng)前節(jié)能減排的大環(huán)境下，本文所提出的控制策略和優(yōu)化思路具有很好的推廣價(jià)值。

表1 不同負(fù)荷下凝結(jié)水泵控制策略優(yōu)化前后的功耗比較