300 MW 機組凝結水泵變頻經濟性方式運行研究與優化

王東旭， 張軍峰， 胡佳佳， 趙大偉， 韓偉慶， 沈成喆

（三河發電有限責任公司， 河北 三河 065201）

0 引言

三河電廠二期機組凝結水系統為兩臺變頻泵運行一臺工頻泵備用，在變頻凝泵故障情況下，聯啟工頻凝泵，同時正常運行變頻凝結水泵指令加載到最大值至50 Hz，和聯啟的工頻泵共同提供凝結水，保持除氧器水位在合理范圍內?，F有系統為單回路三沖量調節，整個凝結水系統只控制除氧器水位[1]，在此單一控制模式下，凝結水壓力未實現全程控制，在凝結水壓力較高的情況下，除氧器上水調門截流較大，導致凝泵變頻優勢未被發揮出來，凝泵電耗較高，通過系統全工況分析，提供一種全程凝結水經濟運行智能化控制方案，使用系統凝結水壓力控制作為除氧器水位調節的閉環控制，整個凝結水系統的壓力在安全前提下，保持一個較低值，這樣除氧器水位調門開度在較高值，凝結水變頻泵控制凝結水泵轉速，并使轉速大幅下降，大量節約廠用電，該模式同樣設計了安全模式和經濟模式，即凝結水泵調水位、除氧器水位調門調壓力為經濟模式，除氧器水位調門調水位，凝結水泵調壓力為安全模式，實現了除氧器水位調門調壓力、調除氧器水位和凝結水泵調壓力[2]、調水位四個PID 控制在不同工況下的無擾切換，考慮經濟運行模式下多工況適應性，長周期的運行實踐表明，該方案既保證了機組經濟性又保障了安全性。

1 經濟性優化原理及可行性分析

凝結水系統經濟性運行的原理是在保障除氧器水位穩定并且凝結水壓力滿足的前提下，通過開大上水調門開度，減少上水調門截流，加大調門過水量，從而使凝結水泵轉速降低，節約廠用電。從系統上分析，運行人員手動控制凝結水母管壓力，為了保障系統安全，壓力經?？刂圃谳^高值，系統耗電率較高。實現經濟性的原理是，設計PID 使壓力閉環控制，壓力采用不同負荷段的安全壓力，由系統自動變化，這樣就能自動找到最優壓力值，保障系統安全的情況下，由除氧器上水調門控制，調門在開大的同時，凝結水泵出力得到降低，從系統安全角度考慮，在異常工況下，切換至調門控水位，保障除氧器水位穩定，凝結水泵側接管壓力調節使系統一直保持在自動控制狀態。通過搜集信息分析得出，凝結水母管壓力理論安全值符合要求，同時全負荷段投入自動控制，減少了運行變負荷下的操作量，提高了工作效率，該方案具有可行性。

2 存在的主要問題及對策分析

1）在機組低負荷運行期間，兩臺凝結水變頻泵運行，除氧器上水調門開度在40%～50%，節流損失較大[3]，凝結水泵水泵耗電率較高。需要實現全工況下凝結水壓力監控，保持除氧器上水閥在較大開度，并在高負荷下凝結水壓力具備足夠的安全裕度下，由凝結水泵變頻器直接控制水位，上水調門無截流。

2）凝結水泵變頻和除氧器上水調門均控制除氧器水位，屬于單回路三沖量控制水位方式，正常運行時不能同時投入自動調節，只能單一投入，無法實現機組除氧器水位全程化、智能化。

3）由于凝結水泵變頻和除氧器水位調門有一側處于手動狀態，運行人員在變負荷，尤其是降負荷階段，整個機組操作量較大，不能及時干預凝結水系統調節，為了保障安全，凝結水母管壓力經常保持在較高值，較大地損失了凝結水泵耗電量。

4）凝結水母管壓力處于運行人員手動調節變頻或除氧器水位調門控制，滯后性較大。

3 解決優化方案

1）在除氧器水位原控制方式的基礎上，增加凝結水母管壓力自動控制回路進行閉環控制。增加兩個壓力調節智能PID，實現凝結水泵水泵變頻和除氧器上水調門雙調節機構雙控壓力回路，并實現控制方式的全工況無擾切換。

2）由于原設計只有一個凝結水母管壓力測點，為了保障調節系統的安全性和穩定性，新增加一個凝結水母管壓力測點，與原測點二取均后的壓力值作為整個系統凝結水母管壓力的測量值（PV 值）。

3）命名兩種控制模式，在凝結水變頻器和除氧器水位上水調門均投入自動情況下，若由凝結水泵變頻自動控制除氧器水位，而除氧器上水調門自動控制凝結水母管壓力，這種模式命名為經濟模式。反之，若凝結水泵變頻控壓力，而除氧器上水調門控制水位，把這種模式命名為安全模式。

4）在邏輯中，凝結水泵變頻側投自動，適合于單泵和雙泵，即只要有一臺凝結水泵在自動狀態，均為凝結水泵變頻在自動調節位。同時若另一臺凝結水泵變頻也在運行，則跟蹤投自動凝結水泵變頻指令。

5）為了保障系統安全性的前提，任何工況下均能由經濟模式強切換至安全模式，若要機組在經濟模式下運行，設計如下條件自動全工況自主判斷切換到經濟模式：凝結水再循環門開度小于5%；凝結水流量大于280 t，死區20 t；除氧器水位調整閥開度大于20%；凝結水泵變頻至少有一臺在自動方式；無MFT；無RB；運行人員手動將按鈕置于經濟模式允許；凝結水泵出口壓力超過2.5 MPa 后，10 min 內不允許投經濟模式。

6）根據機組特性，凝結水壓力安全裕度、運行規程以及通過汽輪機效率試驗，各負荷段見表1。

表1 凝結水泵母管壓力與機組負荷的函數

由表1 可以看出，隨著負荷升高，壓力設定值自動變大，且壓力設定值是在滿足機組安全運行的前提下，盡量壓低壓力設定值，在經濟模式下，除氧器上水調門控制凝結水母管壓力，意為盡量使除氧器上水調門開度變大，最大限度減小除氧器上水調門節流效果，挖掘凝結水泵變頻的節能潛力。

7）通過以上優化方案，最終確定了凝結水變頻器和除氧器上水調門控制的邏輯關系，見圖1 和圖2。

圖1 除氧器水位調門控制邏輯

4 優化措施

1）在低負荷時，運行人員反映有時出現經濟模式和安全模式來回切換，從邏輯中反映就是門控水位和門控壓力切換，變頻控水位和變頻空壓力來回切換，通過查詢歷史曲線，發現凝結水流量在392 t（原切換流量值）附近波動，雖然門和變頻切換是無擾的，但對系統仍存在不利因素，因此將流量值由392 t 改為280 t，并增加死區。

2）在高負荷經濟模式切至安全模式時，此時調門控水位，變頻控壓力，此時若調門開度過大造成調門無調節裕量，需要運行人員手動提高壓力設定值，增大變頻出力，使調門對水位回到正常調節位。

3）凝結水泵節能優化投入后，投變頻泵自動時除氧器水位調節閥基本都在較大開度或全開，若一臺變頻泵突然跳閘，備用工頻泵聯啟，凝結水流量瞬間變化很大，此時對三沖量的副調節擾動很大，不利于水位調節，需要將除氧器水位調閥迅速關至凝結水泵工頻方式下機組負荷對應的開度，如表2 所示。

表2 負荷與開度函數

此時，除氧器水位調節門接管水位調節，當發生聯啟備用泵的情況下，水位自動投入的時間選擇非常重要，根據閥門特性設計延時投入除氧器調門自動，同時修正除氧器水位切換曲線，讓切換曲線中閥門開度略大于正常工頻方式下對應的閥門開度。這樣可以快速有效地補充凝結水泵切換過程中除氧器水箱中水量下降，保障切換方式下除氧器水位和自動調節的平穩。具體見圖3。

圖3 經濟模式下變負荷期間除氧器水位與壓力控制

5 應用效果

本次優化在機組檢修期間完成，并啟動后進行相關試驗，通過在線對參數進行修改及擾動實驗，實現了凝泵變頻與除氧器水位調門的全負荷段雙自動投入，一方面減少了運行人員變負荷情況下的操作，另一方面以提質增效為導向大大降低凝結水泵電耗，節約了能源，降低了廠用電率，提高了機組凝結水系統運行的經濟性。

1）經濟效益。根據對300 MW 機組水泵調節變頻器150 MW 負荷時單泵運行試驗數據進行分析，水泵運行時的實時電流值平均降低8 A，每日節約廠用電電量約3 800 kW·h，每年節約廠用電費用約60 萬元。

2）社會效益。針對同類型的機組可以根據機組實際情況對水泵變頻控制除氧器水位邏輯進行深度優化，在保障機組安全運行的基礎上，充分發揮凝結水泵的節能潛力，帶來一定的社會效益。