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李海濤（1980－）

男，現(xiàn)任天津大唐國際盤山發(fā)電有限責(zé)任公司設(shè)備工程部熱工專業(yè)技術(shù)員。曾參與華北地區(qū)第一臺600MW火力發(fā)電機組大修工作，在機組維護期間進行了汽包水位測量方式改造、火焰監(jiān)測裝置改造、OIS改造、凝結(jié)水泵變頻改造等工作并取得良好的改造效果。

摘要：本文介紹了火力發(fā)電廠凝結(jié)水泵采用一拖二變頻控制的設(shè)計思路、方案實施、控制參數(shù)的整定及試驗。由于采用一臺高壓變頻器分別帶動兩臺凝結(jié)水泵，正常工況時變頻器帶動一臺凝結(jié)水泵運行，當(dāng)凝結(jié)水泵或者變頻器跳閘后，立即以工頻方式聯(lián)啟另一臺凝結(jié)水泵并自動將除氧器上水調(diào)整門投入自動方式運行，不但確保了除氧器水位的穩(wěn)定，降低了改造費用，而且取得了明顯的節(jié)能效果，在社會大力提倡節(jié)能增效的今天，是一種值得推廣的改造方案。

關(guān)鍵詞：凝結(jié)水泵；一拖二；變頻器；節(jié)能

Abstract: This paper describes various aspects about technology application into thermal power plant condensate pump, which includes designing, implementation adjustment and testing of control parameters, the technology is about two pumps driven by shared one converter and it works in this way: the converter powers one condensate pump in normal working conditions, but when the condensate pump or converter tripped, the converter will actuating the other pump immediately on working frequency, at the same time. It will set the water adjusting door of deaerator on the auto-run mode automatically. As result, the water level of deaerator can be stabilized and transformation cost can be lowered, besides, the obvious effect of energy saving can be achieved. So, it is worthwhile to promote this transformation mode in a society which advocates energy conservation and efficiency improvement. 

Key words: condensate pumps；two pumps driven by shared one converter；converter；energy conservation

1  火力發(fā)電廠凝結(jié)水泵的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)狀

    凝結(jié)水泵是發(fā)電廠凝結(jié)水系統(tǒng)的重要設(shè)備，單元機組中共有兩臺凝結(jié)水泵，以一用一備的方式將凝汽器中的凝結(jié)水經(jīng)過除氧器上水調(diào)節(jié)門送入除氧器水箱。傳統(tǒng)的凝結(jié)水泵大多采用工頻運行方式，在凝結(jié)水泵出口通過兩個并列且不同大小的調(diào)整門控制除氧器上水流量。正常負荷時，30%調(diào)整門全開，依靠70%調(diào)整門控制除氧器的上水量。如圖1所示。

   
 
                                   圖1   凝結(jié)水泵控制系統(tǒng)圖

    雖然機組設(shè)計采用30%調(diào)整門全開的方式來消除截流，但是70%調(diào)整門的截流損失依舊很大，這導(dǎo)致凝結(jié)水泵運行經(jīng)濟性差，當(dāng)機組非滿負荷運轉(zhuǎn)時，由于截流而損失的能耗更高；不僅如此，由于截流作用產(chǎn)生的劇烈振動，也使管道、閥門等設(shè)備處于惡劣的運行工況之下，使用壽命大大縮短。安裝在調(diào)整門上的ABB公司TZID-C智能定位器，由于振動引起的反饋桿脫落甚至定位器損壞的故障屢見不鮮，多次更換、維修定位器更是提高了生產(chǎn)成本。所以，這種控制方式很不經(jīng)濟，需要在保證機組安全生產(chǎn)的情況下，進行技術(shù)改造，來提高運行的經(jīng)濟效益。

    近年來，我國已對變頻調(diào)速技術(shù)進行了深入的研究, 通過變頻調(diào)速裝置可以使轉(zhuǎn)動設(shè)備處于最經(jīng)濟的運行狀態(tài), 大大提高運行效率, 達到節(jié)能的目的。變頻技術(shù)在中、小型設(shè)備, 如給煤機、給粉機, 中、小型風(fēng)機、水泵及其它領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。2008年，公司決定進行技術(shù)改造, 使用一臺高壓變頻器帶動凝結(jié)水泵向除氧器上水，運行效率大大提高, 從而達到節(jié)能的目的。由于只使用了一臺變頻器，在完全勝任變頻調(diào)節(jié)任務(wù)的情況下，設(shè)備改造成本也降低了一半之多，只需在邏輯控制上加以調(diào)整，則完全可以保證凝結(jié)水系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效的工作。

2  一拖二變頻改造的設(shè)計思路

    凝結(jié)水泵變頻改造要在保證除氧器水位調(diào)節(jié)品質(zhì)不變并可以在掉泵、斷水事故發(fā)生時做出正確反應(yīng)的前提下進行升級改造。改造利用現(xiàn)有的設(shè)備與系統(tǒng)，在原兩臺凝結(jié)水泵上，加裝一臺高壓變頻器，正常使用時通過高壓變頻器帶動一臺凝結(jié)水泵運轉(zhuǎn)，另外一臺凝結(jié)水泵則不通過高壓變頻器而直接工頻方式備用，當(dāng)高壓變頻器跳閘后，備用凝結(jié)水泵以工頻方式立即啟動，將凝結(jié)水打至出口母管，以保證在變頻器跳閘時除氧器上水的穩(wěn)定。

    在凝結(jié)水泵的出口，使用大小兩個氣動調(diào)整門將母管分成并列的兩個管道向除氧器上水，即30%和70%除氧器上水調(diào)整門。兩個調(diào)整門的開度由除氧器上水調(diào)整門調(diào)節(jié)站總指令計算出。一臺凝結(jié)水泵工頻運轉(zhuǎn)時，出口壓力高、流量大，所以這兩個門不能同時全開，一般工況下，30% 調(diào)整門全開以減小截流損失，依靠70% 的調(diào)整門進行截流調(diào)節(jié)。此次變頻改造目的是希望能通過變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來保證除氧器上水量，而兩個調(diào)整門全開以減少調(diào)整門處的截流損失。所以在使用變頻器上水時，設(shè)計除氧器上水調(diào)整門調(diào)節(jié)站給出95%的總指令。95%的位置既可以使得調(diào)整門的截流損失最小（實驗證明，95%-100%的調(diào)整門開度，對應(yīng)的凝結(jié)水泵電流變化為1A-2A，所以95%位置可視為全開，且截流損失最小），也可以使得調(diào)整門關(guān)閉的響應(yīng)速度最快。

    同時，在正常工況下調(diào)整門處于全開位置，如果發(fā)生變頻器故障瞬間，另一臺凝結(jié)水泵瞬間啟動，大量的凝結(jié)水通過幾乎全開的調(diào)整門，那么除氧器水位將很難保證，所以，必須在變頻器故障跳閘的瞬間關(guān)除氧器上水調(diào)整門到合適的位置，才能阻止凝結(jié)水瞬間大量涌入除氧器。這個合適位置的計算需要通過運行人員的經(jīng)驗值曲線試驗得出。

    公司采用了ABB公司的Symphony 分散控制系統(tǒng)（DCS）作為機組的主要控制平臺，邏輯功能、畫面修改等主要操作，均通過Symphony 系統(tǒng)軟件的組態(tài)模塊設(shè)計實現(xiàn)。利用組態(tài)軟件的智能PID、特性表、操作站、邏輯塊等功能模塊實現(xiàn)對凝結(jié)水兩個調(diào)整門復(fù)雜的控制功能及調(diào)節(jié)過程，最終達到在變頻運行時除氧器水位的穩(wěn)定控制。

3  一拖二變頻改造的方案實施

3.1 一拖二變頻的電氣開關(guān)邏輯控制

    圖2顯示了凝結(jié)水泵采用一拖二手動工/變頻切換控制方案。

      
                       
                            圖2   一拖二手動工/變頻切換控制方案

    所謂一拖二手動工／變頻切換方案，是指#1、#2凝結(jié)泵共同采用一套變頻調(diào)速裝置，可以帶其中任意一臺設(shè)備運行。QF1、QF2為兩個高壓合閘開關(guān)，QS2和QS3之間、QS5和QS6之間存在完全機械互鎖；QS1和QS4之間、QS2和QS5之間均存在電氣閉鎖和邏輯閉鎖關(guān)系，防止變頻器輸出側(cè)與6kV電源側(cè)短路等嚴重事故。該方案在滿足凝結(jié)泵一用一備運行方式的前提下，提高了變頻設(shè)備的利用率，從而保證系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果。同時，系統(tǒng)可以通過高壓隔離開關(guān)QF1、QF2，通過倒泵操作實現(xiàn)兩臺凝結(jié)泵運行方式的轉(zhuǎn)變。

    正常狀態(tài)時，通過運行人員就地倒閘實現(xiàn)對#1、#2號凝結(jié)水泵的工、變頻選擇，當(dāng)QS1和QS2閉合時，QS3被機械互鎖為斷開方式，#1凝結(jié)水泵即為變頻方式待機狀態(tài)，當(dāng)運行人員發(fā)送啟泵指令時QF1高壓合閘開關(guān)閉合，電路接通，此時#1凝結(jié)水泵變頻運行。同時手動倒閘QS4和QS5處于斷開狀態(tài)，QS6閉合，#2凝結(jié)水泵工頻備用。當(dāng)?shù)贡弥噶畎l(fā)出或者變頻器發(fā)生故障時，QF1斷開，QF2閉合，從而無擾切換至#2凝結(jié)水泵工頻運行狀態(tài)。

3.2 變頻器故障時調(diào)整門動作過程

    正常運行時一臺凝結(jié)水泵變頻運行，另外一臺凝結(jié)水泵工頻備用，當(dāng)變頻運行時除氧器上水調(diào)整門總指令強制跟蹤位置為95%，變頻器通過輸出頻率的改變來調(diào)整凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，從而通過控制凝結(jié)水泵到除氧器的上水量，保證除氧器水位穩(wěn)定在運行人員的設(shè)定值范圍內(nèi)。當(dāng)水位發(fā)生波動時，通過DCS組態(tài)中以凝結(jié)水流量、主給水流量、除氧器水位三個參數(shù)構(gòu)成的串級回路，輸出轉(zhuǎn)速指令至變頻器，調(diào)整凝結(jié)水泵的上水量，以穩(wěn)定除氧器水位。

    當(dāng)就地設(shè)備發(fā)生故障，例如變頻器發(fā)“重故障報警”或者凝結(jié)水泵突然跳閘等故障發(fā)生時，故障信號觸發(fā)“凝結(jié)水泵變頻運行非計劃停運”條件，當(dāng)前凝結(jié)水泵的高壓合閘開關(guān)斷開，并閉合另外一臺工頻備用凝結(jié)水泵高壓合閘開關(guān)，備用泵工頻啟動。當(dāng)工頻泵啟動的瞬間，除氧器上水調(diào)整門開度仍然在95%位置，凝結(jié)水上水量會因此猛增，所以此時除氧器上水調(diào)整門必須立即做出反應(yīng)才能保證除氧器水位不出現(xiàn)大的擾動。如果采用PID控制調(diào)節(jié)，不但調(diào)整過程緩慢，而且非常容易發(fā)生超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)震蕩。經(jīng)過仔細的研究計算，在工頻泵啟動的瞬間，除氧器上水調(diào)整門開度只有立即強制跟蹤預(yù)先給定的位置，才能使系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動影響最小。這個位置應(yīng)該選取“負荷開度計算值”，即由當(dāng)前的負荷指令計算出調(diào)門通常應(yīng)處于的開度，這個開度也是工頻正常運行時調(diào)整門的理想開度值。當(dāng)調(diào)整門關(guān)到功率計算值位置并且穩(wěn)定后，凝結(jié)水調(diào)門控制站再自動投入自動控制，從而完成整個凝結(jié)水變頻故障的無擾切換。

3.3 變頻器PID控制參數(shù)整定及試驗

    Symphony控制系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)組態(tài)模塊的參數(shù)由K、KP、Ki、Kd等組成，分別構(gòu)成系統(tǒng)的增益系數(shù)、比例系數(shù)、積分常數(shù)、微分常數(shù)來對調(diào)節(jié)品質(zhì)進行修正。除氧器上水變頻調(diào)節(jié)站以給水流量為前饋，除氧器水位為調(diào)節(jié)對象的主PID調(diào)節(jié)回路，輔PID調(diào)節(jié)回路中凝結(jié)水流量作為調(diào)節(jié)對象。試驗開始用原有的三沖量（三沖量調(diào)節(jié)即以凝結(jié)水流量、給水流量、除氧器水位三個模擬量為調(diào)節(jié)量的調(diào)節(jié)方式）參數(shù)進行調(diào)節(jié)試驗，三沖量調(diào)節(jié)中，變頻器的調(diào)節(jié)由主、輔兩套PID功能塊實現(xiàn)，分給主輔兩個分調(diào)節(jié)站，主站調(diào)節(jié)除氧器水位偏差，當(dāng)水位信號與給定值發(fā)生偏差時候，調(diào)節(jié)站能立刻做出調(diào)節(jié)。該主站同時引入了給水流量作前饋，當(dāng)機組負荷發(fā)生變化時，給水流量會很快做出反應(yīng)。用給水流量做前饋可以降低系統(tǒng)響應(yīng)時間，防止除氧器水位波動過大。

    變頻調(diào)節(jié)定值擾動：試驗前，首先記錄了主調(diào)回路的K、KP、Ki、Kd參數(shù)分別為：0.03、2.8、0.25、0.05；機組工況為：機組負荷450MW、調(diào)整門開度穩(wěn)定在95%。試驗中，當(dāng)給出 -100mm的擾動時，系統(tǒng)水位曲線發(fā)生了周期性震蕩，偏差在30分鐘內(nèi)無法自動調(diào)節(jié)到穩(wěn)態(tài)，周期性震蕩明顯，水位變化范圍在125mm之間，立即停止試驗。

    從水位曲線上可以分析出，應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑龃蠓e分環(huán)節(jié)與比例系數(shù)，來增強積分作用，消除靜態(tài)偏差，微分作用應(yīng)當(dāng)放小，避免超調(diào)引起的震蕩發(fā)生。將主調(diào)回路K、KP、Ki、Kd參數(shù)逐漸調(diào)整到：0.047、4.86、0.32、0.01，同時增大輔調(diào)強度，加快輔調(diào)節(jié)回路對凝結(jié)水系統(tǒng)內(nèi)擾的抵抗能力。通過多次修改參數(shù)后，得到的調(diào)節(jié)效果如圖3所示。

     

                                     圖3   水位調(diào)節(jié)曲線圖

    變頻器跳閘切換擾動：#2凝結(jié)泵變頻自動投入情況下，模擬變頻器事故跳閘。系統(tǒng)聯(lián)鎖自動啟動#1工頻泵運行，凝結(jié)水調(diào)節(jié)變頻自動切換至除氧器上水調(diào)整門控制并自投自動。整套動作在由DCS自動完成，穩(wěn)定時間控制在一個周期內(nèi)；水位最大波動幅值140mm，小于150mm合格的要求；穩(wěn)定時間6分45秒，滿足10分內(nèi)穩(wěn)定的要求。這說明通過定值擾動得到的參數(shù)值符合變頻器跳閘切換擾動的試驗要求。試驗曲線如圖4所示。

                             圖 4   變頻器跳閘切換擾動的試驗曲線圖

3.4 雙站控制的相互跟蹤與無擾切換

    “控制站”是運行人員操作的基本對象，對調(diào)節(jié)型的閥門尤為重要。在“控制站”中可以實現(xiàn)閥門的手動開度控制、控制對象的設(shè)定值、自動/手動投入選擇、偏差設(shè)置、調(diào)整門反饋顯示等多項控制功能。在除氧器水位調(diào)節(jié)中，同時有除氧器上水調(diào)整門控制調(diào)節(jié)站和變頻器轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)站兩個“控制站”。兩個“控制站”均以除氧器水位為調(diào)節(jié)對象，進行閥門開度或者變頻器轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)控制。

    要保證雙站能夠正常調(diào)節(jié)，必須保證同一時刻只能有一個調(diào)節(jié)站在工作，否則兩個調(diào)節(jié)站共同作用調(diào)節(jié)除氧器水位，必將出現(xiàn)作用過強的現(xiàn)象并引起過調(diào)，使除氧器水位發(fā)生震蕩。

    解決辦法是：當(dāng)變頻器投入自動時，變頻器自動有效信號同時接入除氧器調(diào)整門強制跟蹤指令，強制調(diào)整門開到95%位置，限制了調(diào)整門的調(diào)節(jié)作用，此時依靠變頻器的PID調(diào)節(jié)回路對除氧器水位進行調(diào)節(jié)；當(dāng)除氧器上水調(diào)整門投入自動時，限制變頻器 “控制站”強制手動，防止變頻器自動調(diào)節(jié)，帶來水位擾動，此時在變頻器轉(zhuǎn)速手動的情況下，依靠除氧器上水調(diào)整門的開度對除氧器水位進行調(diào)節(jié)。

    因為控制采用雙站調(diào)節(jié)，所以除氧器水位設(shè)定值也有兩個值，當(dāng)水位控制回路自動進行切換時，將造成人為的水位定值擾動。為了解決這個問題，我們使用了Symphony系統(tǒng)的“控制站”模塊的反饋值跟蹤功能，該模塊的S29輸入端輸入為0后，當(dāng)控制站位于非自動狀態(tài)時，控制站水位設(shè)定值跟隨當(dāng)前的水位反饋值，在切換的瞬間水位設(shè)定值就是當(dāng)前的水位真實值，從而解決了雙站切換的定值擾動問題。

3.5 凝結(jié)水泵出口壓力低，聯(lián)泵條件的修改

    當(dāng)凝結(jié)泵變頻運行過程中，出現(xiàn)泵體斷軸、凝結(jié)水母管泄漏、變頻調(diào)節(jié)失靈不能跟蹤等異常情況時，由于流量突然失去，變頻輔調(diào)PID將由于凝結(jié)水流量的突變而迅速將指令增至95％以上，此時指令大于95%的條件與凝泵出口母管壓力低的條件，共同觸發(fā)母管壓力低保護動作，將另一臺凝結(jié)水泵聯(lián)啟以維持壓力。伴隨著另一臺凝結(jié)水泵的工頻啟動，凝結(jié)水母管壓力瞬間升高，而除氧器上水調(diào)整門此時還在95%位置，所以工頻泵啟動后，除氧器上水調(diào)整門將立刻強制跟蹤到當(dāng)前功率設(shè)定值以穩(wěn)定除氧器水位，12秒后調(diào)門調(diào)節(jié)站自投自動進行調(diào)節(jié)。（此過程與變頻器跳閘試驗的過程類似。）

4  凝泵一拖二變頻改造經(jīng)驗總結(jié)

    在整個改造項目中，機組的穩(wěn)定運行是改造成功的前提條件，在邏輯設(shè)計之初，除了充分考慮變頻器調(diào)節(jié)保持除氧器水位穩(wěn)定的同時，還考慮到了其它各種擾動給機組帶來的影響，有包括變頻器跳閘切工頻的邏輯，雙站自動切換時的無擾切換，當(dāng)凝結(jié)水泵母管壓力低時聯(lián)啟工頻泵等的邏輯組態(tài)，都是以穩(wěn)定除氧器水位為原則設(shè)計的。

    在機組50%負荷凝結(jié)水變頻泵跳閘試驗時，通過對變頻泵跳閘瞬間凝結(jié)水流量的研究發(fā)現(xiàn)，在第12秒調(diào)整門PID調(diào)節(jié)站投入自動的瞬間，即凝結(jié)水流量從大流量到小流量的變化瞬間，此時流量曲線斜率（曲線示意可參照圖4），導(dǎo)致PID輸出參數(shù)也非常大，很容易出現(xiàn)PID的超調(diào)，這個時候投自動會對系統(tǒng)的擾動很大。研究發(fā)現(xiàn)，如果功率經(jīng)驗值足夠精確，通過將調(diào)整門置于強制跟蹤位可以使凝結(jié)水泵切換時擾動最小。通過試驗，將調(diào)整門強制跟蹤功率經(jīng)驗值的時間從12秒延長至25秒后，調(diào)門投入自動的瞬間PID參數(shù)輸出值明顯變小，從而真正實現(xiàn)了凝結(jié)水變頻泵跳閘的無擾切換，為機組穩(wěn)定運行奠定了可靠的基礎(chǔ)。

    這次改造后投入運行，各項測試性能指標(biāo)良好。兩個調(diào)整門截流噪音及震動明顯減小，凝結(jié)水泵電流節(jié)約50% ~ 80%，除氧器上水壓力由3.7MPa下降到1.2MPa，特別是低負荷的時候，凝結(jié)水泵電流由原來的200A降低到60A 左右，節(jié)能效果十分明顯，為公司的節(jié)能工作做出了杰出貢獻。