給水泵變頻改造控制策略優化

康曉華

(山西興能發電有限責任公司，山西 古交 030206)

0 引言

電動給水泵的作用是將除氧器儲水箱內具有一定溫度、除過氧的水提高壓力后輸送給鍋爐，為鍋爐和回熱系統提供動力保障。電動給水泵變頻改造帶來的節能效應來自于三方面：①變頻節能，水泵電機的耗電功率與轉速高低有很大的關系，因此給水泵變頻調速可以帶來非常可觀的節能效應；②無功補償節能，普通水泵電機的功率因數在0.6～0.7之間，大量無功功率帶來了線損和設備發熱問題，如果變頻器的功率因數很接近1，則減少了無功損耗，增加了電網的有功功率；③軟啟動節能，由于電機為直接啟動，啟動電流是額定電流的4倍～7倍，這樣會對機電設備和供電電網造成嚴重的沖擊，而且還會對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流和振動對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命，節省了設備的維護費用。因此，本文對發電廠內的兩臺給水泵進行了變頻改造，并對其控制方式和試驗方案進行了研究。

1 項目概述

給水泵根據系統對汽包水位的要求調節變頻器轉速，使汽包水位達到系統要求，最終達到節能改造的目的。對單臺機組#1、#3兩臺給水泵組進行變頻改造，改造后的#1給水泵與#3給水泵之間無聯鎖，無法工頻運行。當其中任意一臺變頻泵運行出問題后，聯啟#2給水泵組(工頻運行)。具體的改造內容包括：①拆除原液力偶合器內部的泵輪和渦輪，改為聯軸器直連方式，將原勺管調節方式取消，以變頻調節方式替代，變頻系統主接線圖如圖1所示，用戶開關柜從高壓母線取電后，經過變頻調速系統驅動高壓電動機工作，變頻調速系統包括電阻柜和閘刀柜、變壓器柜、功率柜和控制柜；②原前置泵為電動機同軸驅動，經計算無需改造，仍由原主電機驅動；③機組現場#1、#3給水泵各自增設一臺高壓變頻器；④現場增設液力耦合器兩套，安裝方式為外置潤滑油系統；⑤針對增設的設備與控制系統，增設DCS卡件并進行對應的組態修改。

圖1 變頻系統主接線圖

2 給水泵控制策略

2.1 給水泵控制

給水來自前置泵，經給水泵升壓后，通過出口電動閥門和給水大旁路進入鍋爐給水母管，還可以由最小流量閥回流到除氧器。改造后的電動給水泵組為給水泵電機配置了高壓變頻器，通過改變電動機的供電頻率實現變頻調速功能，進而調節給水流量；原液力偶合器內部拆除泵輪、渦輪，改為聯軸器直連方式；取消原勺管調節方式，不保留液力偶合器調速功能，以變頻調節替代，廢除工頻運行功能。

2.2 跳閘互聯鎖

#1、#3給水泵經變頻改造后，#1泵與#3泵之間無聯鎖，也不再作為備用泵。#2給水泵聯鎖的啟動條件為：①投備用后，#1給水泵6 kV開關分閘或#1變頻器已停止(#1給水泵變頻器變頻停止狀態信號)，聯鎖啟動#2給水泵電動機A段(以下簡稱2A)，2A啟動超時且6 kV C段電壓大于5.8 kV時，聯鎖啟動2B；②投備用后，#3給水泵6 kV開關分閘或#3變頻器已停止(#3給水泵變頻器變頻停止狀態信號)，聯鎖啟動2B，2B啟動超時且6 kV C段電壓大于5.8 kV時，聯鎖啟動2A；③2A、2B聯鎖啟動互鎖，防止#1、#3同時跳閘聯啟2A、2B,造成6 kV A、B段沖擊。

2.3 自動調節邏輯

給水泵液力偶合器改造后，#1、#3給水泵組保留原輔助油泵(常備泵)，各自再新增1臺潤滑油泵(常運泵)。主油泵作為長期運行的潤滑油泵，輔助油泵為備用泵，主油泵故障時則啟動輔助油泵。使用原給水泵調節邏輯，自動調節邏輯的參數由常運變頻泵與備用泵的聯鎖和勺管跟蹤組成。正常情況下，改造后的#1、#3變頻給水泵組并列運行，兩臺變頻器的特性曲線一致，給水自動可正常投入。當#1、#3變頻給水泵中某一臺變頻器出現故障檢修或者泵組故障時，根據電廠實際負荷要求，為保證機組正常出力，需啟動由備用液力耦合器調節的#2給水泵，那么就會出現變頻給水泵組(#1泵組或者#3泵組)與#2工頻給水泵組并列運行的狀況。#2給水泵轉速由液力偶合器調節，變頻給水泵(#1泵組、#3泵組)轉速由高壓變頻器調節，兩者的執行機構特性曲線不一樣，若不采取方案進行調整，一臺工頻與一臺變頻泵組同時運行時，給水自動不能完全投上。

在前期邏輯設計中，為保證一臺變頻給水泵組(#1泵或者#3泵)與一臺工頻給水泵組(#2泵組)并列運行時給水自動能夠正常投入，在#2給水泵組DCS組態邏輯中的MA站前加勺管/頻率f(x)函數。通過查詢DCS歷史數據庫，獲取液力偶合器勺管開度與其對應給水泵轉速參數。通過電動機轉速以及液力偶合器的齒輪比計算出變頻改造后設定值與給水泵轉速之間的關系，通過給水泵轉速搭橋，獲取勺管開度與變頻改造后設定值的關系，得到理論上的f(x)函數，因為函數都是通過理論計算所得，設備正式投運后需根據實際情況進行調整。

3 試驗方案

3.1 自動控制擾動試驗

汽包鍋爐給水控制系統由電動調速給水泵組成單沖量/三沖量給水控制系統和給水泵最小流量再循環控制系統。給水泵自動控制擾動試驗前，汽包水位由獨立測量信號進行必要的參數修正后獲得。給水自動控制邏輯修改完成，并且手/自動實現無擾切換，控制器作用方向正確，控制器參數設置完成，符合初始控制要求。給水控制系統的品質指標包括：①汽包鍋爐給水控制穩態品質指標，其值為±25 mm，控制系統的執行機構不應頻繁動作；②汽包水位定值擾動(擾動量為±60 mm)，過渡過程衰減率為0.75～0.9，穩定時間小于5 min。試驗過程中，若汽包水位失控，運行人員應將給水控制模式切換為手動模式，手動將水位控制到可控范圍內，并重新對控制器參數進行整定和修改，重新進行試驗，直到控制達到給水控制系統的品質指標。

3.2 搶水試驗

當機組負荷、機組各主要參數、汽包水位均穩定時，可以進行搶水試驗。對單臺機組#1、#3兩臺給水泵組變頻運行時，改造后的#1給水泵與#3給水泵之間無聯鎖，無法工頻運行。當其中任意一臺變頻泵運行出現問題后，聯啟投備用#2給水泵組(工頻運行)，并且#2泵啟動后勺管能迅速響應到跳閘變頻泵所對應的負荷指令，從而維持汽包水位在可調節控制范圍內，防止機組因為汽包水位無法控制影響機組帶負荷，減少經濟損失。#1、#3變頻泵運行，#2泵備用，且變頻泵連鎖啟動#2泵靜態試驗完成；即手動模擬一臺變頻泵跳閘，#2泵啟動運行且勺管指令10 s內達到目標值，其中目標值根據變頻指令折算出對應的勺管指令。試驗過程中，若備用泵未能成功連鎖啟動或者勺管指令無法加到預定指令，則機組應該迅速減負荷，即將鍋爐主控制模式切換為手動模式，機組進入機跟隨運行狀態(TF)，迅速停一臺磨煤機，減少鍋爐出力，防止給水和鍋爐出力失調，迅速使鍋爐出力達到一臺給水泵運行時匹配的負荷。搶水成功后，如果汽包水位依然很低，可以手動增加已運行泵的給水流量設定值偏置，提高給水流量設定，使汽包水位迅速達到穩定。

3.3 RB試驗

RB試驗的主要目的是檢驗火電機組在輔機發生故障跳閘導致鍋爐出力低于給定功率時，自動控制系統將機組負荷快速降低到實際所能達到的相應出力的能力，是對機組自動控制系統性能和功能的考驗。本項目的RB發生條件包括：①機組運行在協調方式；②給水泵電負荷大于90%；③RUNBACK按鈕投入。當以上3個條件同時滿足時，任意一臺給水泵跳閘，即發生給水泵RUNBACK。

鍋爐降負荷速率根據不同工況確定RUNBACK目標值。RUNBACK發生后的動作過程如下：首先，機組由協調方式切換為機跟隨方式；其次，自動跳閘最上層的磨煤機，至少保留最下層3臺磨煤機運行，并投入底層微油油槍；然后，以最少3臺磨煤機運行作為條件，決定是否在延時10 s后跳閘第二臺磨煤機(根據實際情況，可調整跳磨間隔時間)；最后，在機跟隨方式下處于滑壓運行，壓力設定目標值自動給定并且以0.4 MPa/min速率下降。

4 結束語

本文根據系統對汽包水位的要求調節變頻器的輸出電壓，進而調節給水泵轉速，使汽包水位達到系統要求，最終達到節能改造的目的。并制定了自動控制擾動試驗、搶水試驗和RB試驗的試驗方案，對電廠給水泵改造項目具有指導意義。