1 引言
我公司现有三台390MW燃气-蒸汽联合循环机组,燃机为日本三菱的M701F燃机,设计为调峰机组,采用朝启晚停两班制运行方式,一般晚上调峰停机后,为保持各凝结水用户安全,凝结水泵还需继续运行,但停机后凝结水用量小,凝结水绝大部分经再循环管道注回凝汽器,造成大量的能量损失;机组运行时,凝结水主要用户是低压汽包,通过调节阀控制给水流量,机组高负荷是调节阀开度一般不超过55%,产生了巨大的节流损失。
凝结水泵实际负荷经常处于其低负荷区,能耗大,为降低能耗,对三台机的A凝结水泵进行变频节能改造。改造工作主要分两部分,一是增加集装箱模块化结构的变频器及其附属硬件设备,保留了工频运行开关回路;二是需设计一套自动控制,以实现凝结水泵全程变速控制,即不论机组在停止、启动、低负荷、高负荷和停机的全过程中,凝结水泵的转速控制都处于自动控制[1]。
2 凝泵全程变速控制系统
2.1 人机界面
在凝结水泵电机电源回路中加装变频器后,实现变频器的启停操作即是所需要的基本操作功能,对变频器的操作是通过调用操作回路模板并结合所需功能进行组态后实现的,实现了“启动”和“停止”操作、“手动”与“自动”切换及手动给定功能,并具有相应的显示,包括PV、SV、MV数值和棒图。
变频器的启动操作有一个为5秒的状态反馈确认,当点击启动后的5秒内未收到变频器已启动的信号,认为存在异常,将发出停止指令。
对于变频器运行参数,则在原来凝结水系统画面的空余区增加了“凝泵转速”、“凝泵电流”、“环境温度”和“环境湿度”的显示,以及对变频器进行操作的操作回路板的点击区,如下图1所示:
2.2 设备联锁
保证凝结水泵在变频控制下节能运行的前提是设备安全,因此,在原有凝结水泵间故障联锁基础上,增加了A凝结水泵变频器与A泵故障(即6kV断路器故障)间的跳闸联锁和启动备用B泵;而B泵故障时则不联锁启动变频器,仍保留了联锁处于工频备用的A泵。
2.3 出口母管压力低联锁
系统保留了工频状态时出口母管压力低联锁启动备用泵,另外增加了A泵变频状态下出口母管压力低联锁,该压力低设定值(1.1MPa)比工频的设定值(2.3MPa)低。
2.4 凝泵最小转速
凝泵在额定转速下最小流量不能小于200t/h,众多凝结水用户的压力需求最小不能能低于1.2MPa,机组在370MW时,凝泵出口压力3.05MPa,流量385t/h;在停机再循环阀全开时,出口压力3.26MPa,流量220t/h,根据变速泵性能曲线相似理论,可求出降速后的凝泵最小转速n2为:
为保证出口压力不低于1.2MPa,凝结水泵变频的最低转速定为950rpm,此转速下允许的最小压力P2和最小流量应不小于以下值:
停机后再循环阀全开时凝泵出口压力为1.34MPa,出口流量为140t/h。
在机组负荷升高给水需求增大时,凝结水流量325t/h时,凝结水泵转速从950rpm开始升高,这时的压力为1.30MPa,转速升高后凝泵出口压力也有升高,由此也可以判断,凝泵一直运行在安全经济区域。
3 凝泵全程变速控制系统
3.1 出口最小流量和最小压力控制系统
一般变速泵给水控制系统有三个子系统,一是出口最小压力控制系统;二是最小流量控制系统,三是变速给水调节系统。
凝泵变速给水的出口最小压力调节和最小流量调节系统均采用单回路调节系统,两个调节系统分别产生最小压力调节指令(PCSO)和最小流量调节指令(FLCSO)。
在950rpm的最小转速下,凝结水泵再循环阀全开时,其压力为1.34MPa,流量为140t/h,均大于最小转速所需的压力和流量需求,因此,最小压力控制系统在实际运行中不会启用到。
3.2 低压汽包变速给水控制系统
3.2.1 变速给水控制系统结构
在进行凝结水泵变频节能改造的项目中,实现低压汽包的变速给水控制是控制系统设计的主要目标;因机组为调峰机组,启停频繁,而凝结水泵变速运行的最低转速是950rpm,因此,凝结水泵变速控制系统与普通变速给水控制系统相似[2],保持了原有的低压汽包水位自动调节系统逻辑和调节阀不作改动,而是在凝结水泵变速控制系统中另外增加低压汽包变速给水控制子系统,该子系统与普通变速给水控制中相应子系统不同的是控制对象的不同,这也就使凝结水泵变速给水控制系统与普通变速给水控制系统不同。低压汽包变速给水控制系统原理图及凝泵全程变速给水控制系统原理图如下图2所示。
为防止两个调节系统相互冲突,低压汽包变速给水控制系统与低压汽包水位自动调节系统有四个相同的参量:低压主蒸汽流量、低压汽包给水流量、中压汽包给水流量和高压汽包给水流量。不同的参量是调节对象的不同,低压汽包水位自动调节系统的主调节参数是低压汽包水位,而低压汽包变速给水控制系统的调节对象是低压汽包水位自动调节系统的输出信号,即低压汽包水位调节阀指令信号,并设定85%作为低压汽包变速给水控制系统的调节目标。
3.2.2 变速给水控制过程
机组在停运及低负荷时,低压汽包水位自动调节系统的输出信号小于85%时,使低压汽包变速控制系统的输入偏差为负,使其输出维持低值,低压汽包水位由给水调节阀控制。因凝结水流量小,凝泵一般在950rpm(对应控制信号为64.2%)的最低转速下运行。
当低压汽包水位自动调节系统产生的控制信号随机组负荷升高而增大到大于85%时,低压汽包变速控制系统的输入偏差为正值,通过调节器产生的控制信号就从64.2%开始增大,以增加凝泵转速,增大出口压力,使水位调节阀回到85%的位置即能满足低压汽包需要的给水量。
当低压汽包水位自动调节系统产生的控制信号小于85%时,低压汽包变速控制系统输入偏差为负,其输出也跟着减小,适当降低凝泵转速,减小出口压力,使水位调节阀在85%的位置才能满足低压汽包需要的给水量。
机组在负荷变化过程中,会按以上调节过程,使低压汽包给水调节阀尽量维持在85%位置,直至凝结水泵转速降低到最低,汽包水位自动调节系统产生的控制信号才会从85%开始减小,以适应减小给水量的需求。
3.3 凝泵转速控制指令
凝结水泵出口最小流量、最小压力和低压汽包变速给水流量都是必须保证的,因此,这三个控制系统中产生的指令都必须满足,因此,可在这三个指令中选择一个最大的指令作为凝结水泵变速控制的指令来控制凝结水泵转速,被选择的这个较大的指令也是能够满足另外二个控制指令的。变频控制指令选择逻辑图如下图五所示。
当低压汽包水位自动调节系统处于手动状态时,低压汽包变速给水控制系统和凝泵全程变速控制系统都将保持原有的控制信号不变,以减少来自给水侧的干扰。
4 运行情况及节能效果
下图是#3机低压汽包水位凝泵变速调节系统及低压汽包水位调阀调节系统过程曲线,图中红色曲线是机组负荷曲线,黑色曲线是调阀信号曲线,蓝色线是汽包水位曲线,绿色是凝泵转速曲线,从图中可以看出凝泵转速在给水调节阀达到85%时开始升高,在给水调节阀降到85%时凝泵转速下降,以减小能耗,达到了良好的节能效果。
2011年9月18日17:13后到17:53凝泵变转速调节低压汽包水位阶段,低压汽包水位比17:13以前单汽包水位调节阀调节水位时更加稳定,调节阀动作幅度也较小。
三台机组凝结水泵变频改造以来,根据机组调峰特性分段计算,凝结水泵平均每日节约电能约6000kWh左右,节电率约为53%,按一年运行300天计算,可节电约6000*300=180万度,折合上网电价:180×0.54=95.7万元。一年即可收回凝结水泵变频节能改造投入成本,节能效益相当可观！实现了节能改造的全部目的和要求。
参考文献:
[1] 郑体宽.热力发电厂[M]．北京:中国电力出版社,2001:85-89.
[2] 徐玉红.变频控制调速技术及其在锅炉控制系统中的应用[D].贵州工业大学,2006.
作者简介:罗国平(1975-),男,高级工程师,从事热控专业工作。