1 引言
我公司現有三臺390MW燃氣-蒸汽聯合循環機組,燃機為日本三菱的M701F燃機,設計為調峰機組,采用朝啟晚停兩班制運行方式,一般晚上調峰停機后,為保持各凝結水用戶安全,凝結水泵還需繼續運行,但停機后凝結水用量小,凝結水絕大部分經再循環管道注回凝汽器,造成大量的能量損失;機組運行時,凝結水主要用戶是低壓汽包,通過調節閥控制給水流量,機組高負荷是調節閥開度一般不超過55%,產生了巨大的節流損失。
凝結水泵實際負荷經常處于其低負荷區,能耗大,為降低能耗,對三臺機的A凝結水泵進行變頻節能改造。改造工作主要分兩部分,一是增加集裝箱模塊化結構的變頻器及其附屬硬件設備,保留了工頻運行開關回路;二是需設計一套自動控制,以實現凝結水泵全程變速控制,即不論機組在停止、啟動、低負荷、高負荷和停機的全過程中,凝結水泵的轉速控制都處于自動控制[1]。
2 凝泵全程變速控制系統
2.1 人機界面
在凝結水泵電機電源回路中加裝變頻器后,實現變頻器的啟停操作即是所需要的基本操作功能,對變頻器的操作是通過調用操作回路模板并結合所需功能進行組態后實現的,實現了“啟動”和“停止”操作、“手動”與“自動”切換及手動給定功能,并具有相應的顯示,包括PV、SV、MV數值和棒圖。
變頻器的啟動操作有一個為5秒的狀態反饋確認,當點擊啟動后的5秒內未收到變頻器已啟動的信號,認為存在異常,將發出停止指令。
對于變頻器運行參數,則在原來凝結水系統畫面的空余區增加了“凝泵轉速”、“凝泵電流”、“環境溫度”和“環境濕度”的顯示,以及對變頻器進行操作的操作回路板的點擊區,如下圖1所示:
2.2 設備聯鎖
保證凝結水泵在變頻控制下節能運行的前提是設備安全,因此,在原有凝結水泵間故障聯鎖基礎上,增加了A凝結水泵變頻器與A泵故障(即6kV斷路器故障)間的跳閘聯鎖和啟動備用B泵;而B泵故障時則不聯鎖啟動變頻器,仍保留了聯鎖處于工頻備用的A泵。
2.3 出口母管壓力低聯鎖
系統保留了工頻狀態時出口母管壓力低聯鎖啟動備用泵,另外增加了A泵變頻狀態下出口母管壓力低聯鎖,該壓力低設定值(1.1MPa)比工頻的設定值(2.3MPa)低。
2.4 凝泵最小轉速
凝泵在額定轉速下最小流量不能小于200t/h,眾多凝結水用戶的壓力需求最小不能能低于1.2MPa,機組在370MW時,凝泵出口壓力3.05MPa,流量385t/h;在停機再循環閥全開時,出口壓力3.26MPa,流量220t/h,根據變速泵性能曲線相似理論,可求出降速后的凝泵最小轉速n2為:
為保證出口壓力不低于1.2MPa,凝結水泵變頻的最低轉速定為950rpm,此轉速下允許的最小壓力P2和最小流量應不小于以下值:
停機后再循環閥全開時凝泵出口壓力為1.34MPa,出口流量為140t/h。
在機組負荷升高給水需求增大時,凝結水流量325t/h時,凝結水泵轉速從950rpm開始升高,這時的壓力為1.30MPa,轉速升高后凝泵出口壓力也有升高,由此也可以判斷,凝泵一直運行在安全經濟區域。
3 凝泵全程變速控制系統
3.1 出口最小流量和最小壓力控制系統
一般變速泵給水控制系統有三個子系統,一是出口最小壓力控制系統;二是最小流量控制系統,三是變速給水調節系統。
凝泵變速給水的出口最小壓力調節和最小流量調節系統均采用單回路調節系統,兩個調節系統分別產生最小壓力調節指令(PCSO)和最小流量調節指令(FLCSO)。
在950rpm的最小轉速下,凝結水泵再循環閥全開時,其壓力為1.34MPa,流量為140t/h,均大于最小轉速所需的壓力和流量需求,因此,最小壓力控制系統在實際運行中不會啟用到。
3.2 低壓汽包變速給水控制系統
3.2.1 變速給水控制系統結構
在進行凝結水泵變頻節能改造的項目中,實現低壓汽包的變速給水控制是控制系統設計的主要目標;因機組為調峰機組,啟停頻繁,而凝結水泵變速運行的最低轉速是950rpm,因此,凝結水泵變速控制系統與普通變速給水控制系統相似[2],保持了原有的低壓汽包水位自動調節系統邏輯和調節閥不作改動,而是在凝結水泵變速控制系統中另外增加低壓汽包變速給水控制子系統,該子系統與普通變速給水控制中相應子系統不同的是控制對象的不同,這也就使凝結水泵變速給水控制系統與普通變速給水控制系統不同。低壓汽包變速給水控制系統原理圖及凝泵全程變速給水控制系統原理圖如下圖2所示。
為防止兩個調節系統相互沖突,低壓汽包變速給水控制系統與低壓汽包水位自動調節系統有四個相同的參量:低壓主蒸汽流量、低壓汽包給水流量、中壓汽包給水流量和高壓汽包給水流量。不同的參量是調節對象的不同,低壓汽包水位自動調節系統的主調節參數是低壓汽包水位,而低壓汽包變速給水控制系統的調節對象是低壓汽包水位自動調節系統的輸出信號,即低壓汽包水位調節閥指令信號,并設定85%作為低壓汽包變速給水控制系統的調節目標。
3.2.2 變速給水控制過程
機組在停運及低負荷時,低壓汽包水位自動調節系統的輸出信號小于85%時,使低壓汽包變速控制系統的輸入偏差為負,使其輸出維持低值,低壓汽包水位由給水調節閥控制。因凝結水流量小,凝泵一般在950rpm(對應控制信號為64.2%)的最低轉速下運行。
當低壓汽包水位自動調節系統產生的控制信號隨機組負荷升高而增大到大于85%時,低壓汽包變速控制系統的輸入偏差為正值,通過調節器產生的控制信號就從64.2%開始增大,以增加凝泵轉速,增大出口壓力,使水位調節閥回到85%的位置即能滿足低壓汽包需要的給水量。
當低壓汽包水位自動調節系統產生的控制信號小于85%時,低壓汽包變速控制系統輸入偏差為負,其輸出也跟著減小,適當降低凝泵轉速,減小出口壓力,使水位調節閥在85%的位置才能滿足低壓汽包需要的給水量。
機組在負荷變化過程中,會按以上調節過程,使低壓汽包給水調節閥盡量維持在85%位置,直至凝結水泵轉速降低到最低,汽包水位自動調節系統產生的控制信號才會從85%開始減小,以適應減小給水量的需求。
3.3 凝泵轉速控制指令
凝結水泵出口最小流量、最小壓力和低壓汽包變速給水流量都是必須保證的,因此,這三個控制系統中產生的指令都必須滿足,因此,可在這三個指令中選擇一個最大的指令作為凝結水泵變速控制的指令來控制凝結水泵轉速,被選擇的這個較大的指令也是能夠滿足另外二個控制指令的。變頻控制指令選擇邏輯圖如下圖五所示。
當低壓汽包水位自動調節系統處于手動狀態時,低壓汽包變速給水控制系統和凝泵全程變速控制系統都將保持原有的控制信號不變,以減少來自給水側的干擾。
4 運行情況及節能效果
下圖是#3機低壓汽包水位凝泵變速調節系統及低壓汽包水位調閥調節系統過程曲線,圖中紅色曲線是機組負荷曲線,黑色曲線是調閥信號曲線,藍色線是汽包水位曲線,綠色是凝泵轉速曲線,從圖中可以看出凝泵轉速在給水調節閥達到85%時開始升高,在給水調節閥降到85%時凝泵轉速下降,以減小能耗,達到了良好的節能效果。
2011年9月18日17:13后到17:53凝泵變轉速調節低壓汽包水位階段,低壓汽包水位比17:13以前單汽包水位調節閥調節水位時更加穩定,調節閥動作幅度也較小。
三臺機組凝結水泵變頻改造以來,根據機組調峰特性分段計算,凝結水泵平均每日節約電能約6000kWh左右,節電率約為53%,按一年運行300天計算,可節電約6000*300=180萬度,折合上網電價:180×0.54=95.7萬元。一年即可收回凝結水泵變頻節能改造投入成本,節能效益相當可觀！實現了節能改造的全部目的和要求。
參考文獻:
[1] 鄭體寬.熱力發電廠[M]．北京:中國電力出版社,2001:85-89.
[2] 徐玉紅.變頻控制調速技術及其在鍋爐控制系統中的應用[D].貴州工業大學,2006.
作者簡介:羅國平(1975-),男,高級工程師,從事熱控專業工作。