黃思林，唐昊，王善同，王杰

(1.國家能源集團(tuán)廣東電力有限公司，廣東 廣州 510623；2.國能(惠州)熱電有限責(zé)任公司，廣東 惠州 516082)

某電廠330 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組為某石化區(qū)供熱，給水系統(tǒng)配備3臺容量為50%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continuous rating，BMCR)的電動給水泵，給水泵采用液力耦合器調(diào)速，正常運行時給水泵2臺運行1臺備用。給水泵是火力發(fā)電廠的主要輔機，也是耗能最大的輔機，其耗電量約占機組發(fā)電量的3%左右[1](受純凝、供熱、壓力等因素的影響而不同)。目前300 MW等級的機組年平均負(fù)荷率一般在75%左右，給水泵長期低效運行。為了降低廠用電率，提高機組運行經(jīng)濟(jì)性，對電動給水泵進(jìn)行變頻調(diào)速改造?？紤]到熱用戶對機組供熱可靠性要求高，本次給水泵變頻改造采用電液并存調(diào)速方案，保留工頻運行時液力耦合器的調(diào)速功能，在變頻器故障時給水泵仍然具備原有的調(diào)速功能，保證給水系統(tǒng)正常運行，提高事故情況下的容錯率。但是在原有調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上增加了變頻調(diào)節(jié)，對給水系統(tǒng)控制、聯(lián)鎖、保護(hù)的要求更高，生產(chǎn)調(diào)節(jié)更加復(fù)雜，因此變頻改造后的控制策略設(shè)置尤為重要。

1 給水泵節(jié)能分析

給水泵組技術(shù)規(guī)范見表1。

表1 給水泵組技術(shù)規(guī)范

1.1 液力耦合器特性

液力耦合器主要包括增速齒輪和相關(guān)泵輪、渦輪、勺管、循環(huán)油系統(tǒng)[2]。增速齒輪的主要作用是將給水泵電動機的額定轉(zhuǎn)速提升至滿足實際工況的運行轉(zhuǎn)速；泵輪、渦輪、勺管和循環(huán)油系統(tǒng)的作用是通過勺管對循環(huán)油進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制液力耦合器中的充油量，進(jìn)而控制渦輪轉(zhuǎn)速，最后實現(xiàn)對液力耦合器轉(zhuǎn)速的控制。

液力耦合器是一種存在轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速設(shè)備，由于滑差的存在，泵輪與渦輪的轉(zhuǎn)速不會完全相等。典型的液力耦合器效率曲線如圖1所示。由圖1可以看出，液力耦合器效率最高點為給水泵的最大出力點[3]。在變負(fù)荷工況，尤其是在給水泵低轉(zhuǎn)速比狀況下，液力耦合器的效率很低[3]。

圖1 液力耦合器效率與給水泵轉(zhuǎn)速比關(guān)系曲線

1.2 給水泵變頻節(jié)能分析

根據(jù)泵與風(fēng)機的相似定律[4]有：泵的流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，泵的揚程H與n2成正比，泵的功率P與n3成正比。據(jù)此可以計算出流量由額定值Qe下降至Q時，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的電動機理論功耗

P=(n/ne)3×Pe.

(1)

式中：Pe為額定功率；ne為額定轉(zhuǎn)速。

計算可得，當(dāng)給水泵出口流量降低至額定流量的60%時，給水泵理論功耗可下降至額定功耗的21.6%。液力耦合器調(diào)速方式下，電動機始終恒速運轉(zhuǎn)，損耗了相當(dāng)一部分功率[5]。

2 給水泵變頻改造

2.1 變頻器與液力耦合器的比較

變頻器與液力耦合器的性能對比見表2。

表2 變頻器與液力耦合器的性能對比

電動機采用變頻調(diào)速，其轉(zhuǎn)軸與負(fù)載直接相連，通過改變電動機的供電頻率來改變其轉(zhuǎn)速。變頻器的調(diào)速范圍為1%～100%，液力耦合器的調(diào)速范圍為20%～50%。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速下降時，變頻器仍能保持較高的效率，而液力耦合器效率下降較多。變頻器較液力耦合器在全范圍內(nèi)具有更高的效率[6]。

采用變頻器控制時，電動機可通過同步軟啟動方式將啟動電流限制在電動機額定電流以內(nèi)，不必考慮廠用電容量限制，對電動機和廠用電沖擊小[7]。采用液力耦合器控制時，電動機定頻啟動，對電動機和廠用電沖擊較大。液力耦合器通過改變工作腔油量大小來控制輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)精度低，響應(yīng)慢。變頻器調(diào)速的頻率改變速度快，可以在系統(tǒng)允許的最短時間內(nèi)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)精度在±0.05%以內(nèi)，可以實現(xiàn)精確控制。

高壓變頻器性能可靠，維護(hù)費用低，在設(shè)備正常運行時無消耗。變頻器裝置出現(xiàn)問題后，能以旁路方式運行，或者切換至備用泵運行，這就需要對新的給水系統(tǒng)控制策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，滿足改造后多種運行方式的穩(wěn)定運行、靈活切換，保證給水系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運行。

2.2 改造方案

電動給水泵變頻改造主要有2種技術(shù)方案[8-10]：方案1純電調(diào)變頻調(diào)速，采用更為高效的增速齒輪箱傳動裝置替換原液力耦合器；方案2電液并存調(diào)速，保留液力耦合器，使給水泵具有工頻、變頻2種運行方式，工頻運行時保持原勺管控制液力耦合器調(diào)速，變頻運行時勺管全開，液力耦合器恒效運行輸出，2種運行方式可以切換。

方案1較方案2綜合效率高2%，但是鑒于熱電聯(lián)產(chǎn)對機組的安全穩(wěn)定運行要求較高，選擇采用安全性更高的方案2(電液并存調(diào)速方案)。對A、B給水泵進(jìn)行變頻改造，C給水泵維持不變。同時考慮運行方式改變后對前置泵、液力耦合器的影響，對前置泵、液力耦合器進(jìn)行相應(yīng)的技改[11-13]：保留耦合器主傳動齒輪及潤滑油路系統(tǒng)，在泵組附近合適處增置1套供油裝置，供油裝置配備2臺螺桿泵互為備用，保證原耦合器潤滑油系統(tǒng)的需求，并保證對外設(shè)備供油。圖2為變頻器系統(tǒng)一次系統(tǒng)圖，其中：QF1為原開關(guān)；QS1、QS2、QS3為手動隔離開關(guān)；開關(guān)MQF1和電阻R構(gòu)成變頻器限流充電回路，主要用于降低變頻器合閘瞬間產(chǎn)生的勵磁涌流和充電電流；VFD為變頻調(diào)速系統(tǒng)(variable-frequency drive)；DXN為戶內(nèi)高壓帶電顯示儀(indoor high-volt charged display device)。

圖2 變頻器系統(tǒng)一次系統(tǒng)圖

2.3 控制策略

改造后的變頻調(diào)速型液力耦合器給水泵可實現(xiàn)變頻運行與工頻運行相互切換，給水泵組可實現(xiàn)“雙工頻”“雙變頻”運行方式，也能實現(xiàn)“一工一變”運行方式。為了保證改造后多種運行方式的穩(wěn)定運行、靈活切換，以及給水系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運行，對于新的給水系統(tǒng)控制策略在可靠性及自動化方面要求較高。該項目原給水系統(tǒng)工頻運行控制邏輯保持不變，新設(shè)置1套變頻控制邏輯，實現(xiàn)改造后給水泵組運行方式的靈活切換及工頻、變頻泵并列運行。

2.3.1 運行狀態(tài)設(shè)置

A、B給水泵變頻運行，當(dāng)其中1臺發(fā)生故障時，啟動C備用給水泵。當(dāng)故障給水泵系統(tǒng)修復(fù)后，如果需要進(jìn)行倒泵操作，則通過手動完成倒泵；如果不需要進(jìn)行倒泵操作，則可以將檢修好的給水泵置于工頻備用方式，執(zhí)行邏輯不變。因此，變頻改造后新增給水泵組運行狀態(tài)有以下幾種：①A、B給水泵“雙變頻”運行，C給水泵備用；②A、B給水泵“一工一變”運行，C給水泵備用；③A、C給水泵“一工一變”運行，B給水泵工頻備用；④B、C給水泵“一工一變”運行，A給水泵工頻備用。

為優(yōu)化控制策略，提升給水系統(tǒng)整體可靠性，未設(shè)置A、B給水泵變頻備用控制邏輯。

2.3.2 備用泵聯(lián)鎖邏輯設(shè)置

1臺給水泵投入備用：任一運行給水泵跳閘，3 s脈沖，聯(lián)鎖啟動備用給水泵。

2臺給水泵投入備用：單臺給水泵運行跳閘，3 s脈沖，聯(lián)鎖啟動備用給水泵(優(yōu)先聯(lián)啟C給水泵)；第1臺備用泵聯(lián)啟失敗，聯(lián)鎖啟動第2臺備用給水泵(第2臺備用泵按照A、B泵順序聯(lián)啟)。

備用泵聯(lián)鎖邏輯如圖3所示。

圖3 備用泵聯(lián)鎖邏輯

2.4 工頻泵、變頻泵并列調(diào)節(jié)控制

2.4.1 控制原則

在機組啟動初期負(fù)荷較低時，采用單沖量控制汽包水位。當(dāng)機組主蒸汽流量不小于25% BMCR時(250 t/h)，給水控制切換到三沖量；當(dāng)機組主蒸汽流量小于25% BMCR時，切回到單沖量，設(shè)置2%主蒸汽流量的切換死區(qū)避免切換頻繁。單沖量、三沖量調(diào)節(jié)器互為跟蹤，以保證切換無擾，每個給水泵設(shè)置獨立的指令偏置。

“雙工頻”“雙變頻”“一工一變”3種運行方式設(shè)置工頻運行、變頻聯(lián)運(“雙變頻”或“一工一變”)2套控制回路。工頻運行和變頻聯(lián)運各獨立設(shè)置1套單/三沖量控制回路，工頻運行和變頻聯(lián)運互為閉鎖投自動，具體體現(xiàn)為任一給水泵變頻在自動狀態(tài)，所有給水泵勺管切手動狀態(tài)；任一給水泵勺管在自動狀態(tài)，所有給水泵變頻切手動狀態(tài)。變頻聯(lián)運時給水變頻調(diào)節(jié)回路投入自動，變頻泵與工頻泵同時接受變頻調(diào)節(jié)器指令，再將頻率指令送入工頻泵控制回路的變頻-工頻控制指令轉(zhuǎn)換函數(shù)f(x)，根據(jù)計算出的給水泵變頻器指令與勺管位置之間的對應(yīng)關(guān)系設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，頻率指令會被f(x)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的勺管指令。改造后及時完成變頻泵變頻特性試驗[14-18]，得出勺管開度與頻率指令間的函數(shù)關(guān)系。變頻聯(lián)運時，變頻泵和工頻泵同時接受變頻調(diào)節(jié)指令，通過函數(shù)關(guān)系折算得到勺管開度，可以保證調(diào)節(jié)品質(zhì)，使2臺泵的轉(zhuǎn)速基本保持一致。

2.4.2 給水泵變頻特性試驗

給水泵變頻改造后，進(jìn)行工頻、變頻運行對照試驗，得到液力耦合器勺管開度與二次轉(zhuǎn)子速度對應(yīng)關(guān)系，見表3。

由表3數(shù)據(jù)得出，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min時，勺管開度與勺管開度系數(shù)的關(guān)系曲線如圖4所示。

表3 液力耦合器勺管開度與二次轉(zhuǎn)子速度對應(yīng)關(guān)系

圖4 勺管開度與勺管開度系數(shù)的關(guān)系曲線

由圖4(以A耦合器為例)可知：當(dāng)勺管開度大于40%時，勺管開度系數(shù)約為76；當(dāng)勺管開度大于70%時，勺管開度系數(shù)約為71。以上數(shù)據(jù)有一定的規(guī)律性，同時也存在一定的離散性。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可得出頻率指令與勺管位置的對應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。

圖5 頻率指令與勺管開度的對應(yīng)關(guān)系

2.4.3 給水泵控制方式

a)“雙工頻”運行狀態(tài)：給水泵勺管保持原控制邏輯不變。

b)變頻聯(lián)運(“雙變頻”)運行狀態(tài)：給水泵在變頻方式，3 s脈沖超馳開本泵勺管至100%，速率40%/s，變頻方式下本泵勺管保持全開。

c)變頻聯(lián)運(“一工一變”)狀態(tài)：變頻泵勺管保持全開，頻率指令經(jīng)函數(shù)f(x)折算后用于工頻泵勺管指令及備用泵的勺管跟蹤。f(x)函數(shù)初設(shè)值為設(shè)計計算值，后經(jīng)對比試驗得出f(x)準(zhǔn)確頻率指令與勺管開度的對應(yīng)關(guān)系；否則由勺管指令用于備用泵的勺管跟蹤。給水泵在停止?fàn)顟B(tài)時，此泵頻率、勺管指令均不用于備用泵的勺管跟蹤。

d)給水自動控制回路操作設(shè)計：為防止給水系統(tǒng)工頻運行及變頻聯(lián)運控制回路的監(jiān)視、操作出現(xiàn)錯誤，分別設(shè)置變頻聯(lián)運和工頻純勺管2套控制回路，共用1個汽包水位設(shè)定入口，2個主要操作面板分開進(jìn)行操作，工頻運行操作控制面板畫面如圖6所示(給水泵轉(zhuǎn)速控制面板)，“變頻聯(lián)運”操作控制面板畫面如圖7所示(給水泵頻率控制面板)；當(dāng)給水旁路調(diào)節(jié)閥、變頻聯(lián)運、純勺管控制均為手動時，水位設(shè)定跟蹤實際水位。

圖6 給水泵轉(zhuǎn)速控制面板

圖7 給水泵頻率控制面板

e)勺管控制回路自動切換邏輯設(shè)計：勺管在手動狀態(tài)下且滿足切換條件時出現(xiàn)切換模式，即允許操作切換控制回路。切換邏輯設(shè)計3 s脈沖閉鎖，以確?？刂苹芈犯櫷戤?，給水泵可無擾切換工頻運行和變頻聯(lián)運模式。當(dāng)A、B給水泵任意一臺變頻運行時，C給水泵勺管在手動狀態(tài)，勺管程序自動切換至變頻聯(lián)運模式，投入給水自動時，通過變頻(單/三沖量調(diào)節(jié))控制回路輸出C給水泵勺管自動控制指令，操作面板“變頻聯(lián)運”指示字體顯示綠色背景。當(dāng)A、B給水泵均不在變頻運行時，C給水泵勺管在手動狀態(tài)，C給水泵勺管程序復(fù)位變頻聯(lián)運模式，投入給水自動時，通過原給水系統(tǒng)工頻純勺管(單/三沖量)控制回路輸出A、B、C給水泵勺管自動控制指令，操作面板“變頻聯(lián)運”指示字體顯示灰色背景。

2.4.4 工頻泵與變頻泵并列實際運行

變頻聯(lián)運可分為“雙變頻”“一工一變”運行，技術(shù)難點主要在工頻泵與變頻泵并列調(diào)節(jié)運行，以及變頻泵故障跳閘聯(lián)鎖啟動備用工頻泵并列運行，容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)速偏差大、2臺泵運行出力不均導(dǎo)致?lián)屗痊F(xiàn)象。

在“一工一變”運行狀態(tài)，給水變頻調(diào)節(jié)回路投入自動，變頻泵與工頻泵同時接受變頻調(diào)節(jié)指令，頻率指令經(jīng)函數(shù)f(x)折算后作為工頻泵勺管指令，這樣2臺泵的轉(zhuǎn)速可大致保持相等。根據(jù)給水變頻調(diào)節(jié)實際投入運行曲線，變頻調(diào)節(jié)的給水泵與工頻勺管調(diào)節(jié)的給水泵轉(zhuǎn)速偏差約為70 r/min，變頻調(diào)節(jié)器控制參數(shù)設(shè)置不變，“一工一變”運行的調(diào)節(jié)品質(zhì)與“雙變頻”或“雙工頻”運行的調(diào)節(jié)品質(zhì)接近。并列運行給水泵的調(diào)節(jié)性能、工頻備用泵聯(lián)啟后的調(diào)節(jié)性能均與f(x)的匹配精度有較大關(guān)系，在1號機組給水泵變頻改造中，為了找出精確的折算函數(shù)f(x)，對給水泵分別在不同負(fù)荷段進(jìn)行工頻、變頻頻率與勺管開度的比對試驗，設(shè)計27段折算函數(shù)f(x)，以有效保證“一工一變”并列運行的穩(wěn)定。

3 改進(jìn)效果評價

2022年1月某電廠1號機組電動給水泵變頻改造順利完成，A、B給水泵改造為變頻泵，C給水泵工頻備用。經(jīng)過3個月的運行觀察，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，完全滿足機組安全經(jīng)濟(jì)運行的設(shè)計要求。改造前后相同給水流量的給水運行數(shù)據(jù)匯總見表4，改造前后相同流量給水泵電流對比如圖8所示。

由表4和圖8可知，給水泵變頻改造后：給水入口流量516 t/h工況下，A給水泵電流下降79.32 A(降幅16.49%)，B給水泵電流下降80.22 A(降幅16.56%)；給水入口流量410 t/h工況下，A給水泵電流下降145.60 A(降幅36.73%)，B給水泵電流下降136.92 A(降幅34.62%)；給水入口流量340 t/h工況下，A給水泵電流下降86.69 A(降幅27.15%)，B給水泵電流下降79.93 A(降幅26.65%)。

表4 給水泵參數(shù)

圖8 改造前、后給水泵電流對比

汽包水位擾動試驗曲線如圖9所示，試驗擾動量±60 mm。14時36分08秒，汽包水位設(shè)定值向上階躍 60 mm；14時40分06秒，汽包水位進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，波動小于±25 mm，穩(wěn)定時間為238 s，衰減率Ψ=0.9。14時44分57秒，汽包水位設(shè)定值向下階躍 60 mm；14時47分34秒，汽包水位進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，波動小于±25 mm，穩(wěn)定時間為157 s，衰減率Ψ=0.9。由試驗結(jié)果可知，給水泵變頻給水自動調(diào)節(jié)品質(zhì)良好。

圖9 給水泵并列運行汽包水位擾動試驗曲線

給水泵聯(lián)鎖啟動試驗曲線如圖10所示。15時01分38秒，A給水泵變頻運行跳閘，C給水泵聯(lián)鎖啟動；15時01分41秒C給水泵勺管開至84%，C前置泵出口流量達(dá)到685 t/h最大流量，B前置泵出口流量達(dá)到664 t/h。備用泵聯(lián)鎖啟動正常，給水系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)運行穩(wěn)定。

圖10 變頻泵跳閘備用泵工頻聯(lián)啟試驗曲線

4 結(jié)束語

保留液力耦合器的給水泵變頻改造，原給水泵組未改動，變頻器故障退出后電動給水泵仍能通過液力耦合器調(diào)速工頻運行，提高了事故情況下的容錯率。

電液并存調(diào)速控制變頻聯(lián)運的技術(shù)難點主要在工頻泵與變頻泵并列調(diào)節(jié)運行，以及變頻泵故障跳閘聯(lián)鎖啟動備用工頻泵并列運行，容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)速偏差大、2臺泵出力不均導(dǎo)致?lián)屗痊F(xiàn)象。通過控制策略優(yōu)化，變頻調(diào)節(jié)給水泵與工頻勺管調(diào)節(jié)給水泵運行轉(zhuǎn)速偏差控制在70 r/min以內(nèi)，從而實現(xiàn)給水泵組工頻、變頻聯(lián)運多種運行方式及給水泵系統(tǒng)故障狀態(tài)下給水系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

通過給水泵組控制方式的優(yōu)化設(shè)計，機組運行期間給水泵可無擾切換變頻聯(lián)運及工頻運行模式，實現(xiàn)給水泵組“雙工頻”“雙變頻”“一工一變”多種運行方式的靈活切換。

改造后及時完成變頻泵變頻特性試驗，得出勺管開度與頻率指令間的函數(shù)關(guān)系，通過函數(shù)關(guān)系折算勺管開度。變頻聯(lián)運時，變頻泵和工頻泵同時接受變頻調(diào)節(jié)指令，在較大擾動時控制汽包水位波動小于±25 mm，充分發(fā)揮變頻器頻率信號精確的調(diào)節(jié)特性，有效保證給水自動調(diào)節(jié)品質(zhì)。

根據(jù)改造后機組的運行數(shù)據(jù)，從控制系統(tǒng)的安全可靠性、機組運行的穩(wěn)定性和節(jié)能效果等方面綜合分析，認(rèn)為電液并存調(diào)速給水泵變頻改造方案技術(shù)上可行，綜合降低廠用電率約0.51%，達(dá)到了預(yù)期的改造效果。