熱電廠循環水泵高壓變頻調速控制系統研究和實現

　　0引言
　　
　　循環水系統是火力發電廠的“血液”，其性能直接影響發電機組的出力。茂名熱電廠原設計2臺100MW機組運行時3臺循環泵并聯供水，約30000m3；1臺100MW機組滿負荷運行時，1臺泵供水不能滿足機組運行要求，當電網調峰負荷較低時，1臺泵供水能滿足要求，但因水壓偏低，冷油器的供水量不能保證。一般情況下，1臺100MW機組運行，都是2臺泵供水，出口壓力為0.088MPa～0.090MPa。正常情況下，1臺循環泵供水時機組可帶600MW左右負荷。為了節約廠用電和提高電廠自動化水平，對循環水泵采用變頻調速。本文設計并研制了循環水泵的高壓變頻調速控制系統，提出并實現了循環水系統“*真空”的控制策略。
　　
　　經過論證，采用“高—高”式高壓變頻器對4號機組循環泵進行調速：當2臺100MW機組滿負荷運行時，3臺泵并聯供水，變頻器不調節運行；當機組調峰低負荷運行時，變頻器調節運行；當1臺100MW機組單獨滿負荷運行時，2臺泵運行，變頻器調節運行；當冬春季節，機組調峰運行時，若能做到1臺泵供水，變頻器可退出運行。
　　
　　循環水量的調節范圍大小，目前除受機組負荷影響外，還受冷油器運行狀況的制約，而且循環水泵啟動開關與出口閥無聯動裝置，各自獨立運行。變頻調速后，要求變頻器調節切換到市電控制的過程是動態、無級的。循環水系統的控制參數為：流量、水壓、前池液位、進出水渠的液位、汽機負荷、真空。由于循環水泵為一恒功率負載，“*真空”控制器根據汽機負荷、真空的變化不斷調整循環水量，保證“*真空”，使汽機的效率*。這樣，不但節約了廠用電，而且提高了電廠自動化水平，達到了火電廠節能降耗的目的。
　　
　　1循環水系統工作原理
　　
　　茂名熱電廠4號機組的循環水系統結構如圖1所示。系統基本參數為：循環水泵型號為40ZLQ50，流量8460m3/h～12200m3/h（-8°～-20°），揚程10.5m～12.2m，轉速585r／min；驅動電機型號為JSLl5-10M，額定功率480kW，額定電壓6kV，額定電流61A，實際工作電流59A～62A，電機接線方式為Y型，功率因數0.77，絕緣等級為B；現場環境為溫度0～40℃，濕度97％。　　
　　循環水泵系統自1997年底改造成全閉式循環后，實行二級循環通水。機房前循環水泵出口壓力為10m～12m水柱，從進水渠打人凝汽器，排水人出水暗渠，回到冷卻塔升壓水泵前池，由升壓水泵提壓后（出口壓力16.9m水柱）送上冷卻塔，經降溫（9℃～12℃）后的冷卻水從水渠又回到機房前循環水泵人口，打人凝汽器，這樣不斷循環。
　　
　　循環水泵的運行主要由8m控制室遠方操作控制其啟、停。循環水泵及凝汽器進出口門也由遠方控制開啟、關閉及調節。循環水與升壓水系統的水量平衡控制表現在進水渠與回水渠的水位調節上，關鍵點是升壓水泵進水前池水位要比溢流堰標高低，產生熱水溢流，影響運行的經濟性。水量（即水位）的平衡調節主要是根據機組運行需要的水量，利用泵的運行方式組合和凝汽器的排水門來粗調，由汽機運行班長根據表盤水位的批示值下指令執行，因無法細調，難以達到水量平衡。升壓水泵系統是茂名熱電廠循環水系統的后置部份，設置有3500m2和5500m2冷卻塔升壓水泵，其控制啟、停由運行人員通過表盤遠方操作。12000HLCQ3.25-17升壓水泵出口設置有儲能式液壓（油壓）逆止門，開泵時先合上開關，聯動出口逆止門開啟后，水泵電機再啟動。停泵也是這樣，目的是防止水泵倒轉。
　　
　　2高壓變頻調速系統
　　
　　高壓變頻調速主要有以下優點：
　　
　　a．軟啟動，即啟動電流從0緩慢升至額定值，可減少對電網沖擊及機械設備的損耗；
　　
　　b．現代變頻器都采用半導體模塊及其驅動器和控制模塊，元器件數量少、可靠性高，變頻器的故障率低，即使發生了故障，也能自診斷并顯示其故障原因，以便及時排除；
　　
　　c．變頻器都留有標準接口，以備與微型機系統聯接，實現優化運行；
　　
　　d.小變頻器的保護功能齊全，能從電流、電壓、溫度等多方面對電機進行保護。
　　
　　高壓變頻調速系統采用直接高—高方案和美國ROBICON（羅賓康）公司的無諧波高壓變頻器（480kW/6kY），變頻器能對一臺循環水泵進行動態投入、調整、退出；在8m控制室或就地控制盤實現對變頻器的遠方調整操作；變頻器裝置安裝在備用泵上，現場的安裝、接口、調試時間相對可安排得長一些；目前循環水泵啟動開關與出口閥門無聯動裝置，各自獨立運行。變頻器調節切換到市電控制的過程是動態、無級的。
　　
　　茂名熱電廠處于華南地區，由于特殊的地理環境，對高壓變頻器的環境適應性有著特殊的要求；
　　
　　a.濕度要求：華南的潮濕氣候要求高壓變頻器能夠在至少98％濕度的環境下運行；
　　
　　b.溫度要求：高壓變頻器要保證能在技術指標規定的溫度極限下長期連續滿負荷運行；
　　
　　c.氣體要求：高壓變頻器的運行環境對各種粉塵等有嚴格要求。
　　
　　3控制系統功能
　　
　　循環水泵控制系統的結構如圖2所示?？刂破饔蒔LC（可編程控制器）系統和IPC（工業控制計算機）系統組成，控制系統安裝在循環泵房控制室。運行員可選擇在主控室（遠方）、PLC控制柜（就地）和IPC上位機對循環泵系統進行操作。　　
　　循環水泵控制系統主要的工作方式有以下幾種：
　　
　　a．2臺100MW機組同時運行，循環水3臺泵并聯供水，升壓水泵3臺泵運行，調整泵的組合方式與之對應，保持水位大致平衡。
　　
　　b．一臺100MW機組停運，另一臺100MW機組運行，由于目前配置的冷油器安裝標高較高，需保證一定的進水壓力，維持其冷卻效果，因此仍需2臺泵運行，即使是低負荷調峰，也是如此。
　　
　　c．安裝變頻器調速調節后，調峰和2臺泵運行時始終有1臺水泵采用變頻驅動，其他情況變頻調速系統可以退出或選用。
　　
　　控制系統將根據汽機負荷、真空的變化，通過控制循環水泵、升壓水泵的不同組合和使用高壓變頻器控制循環水泵的出力來不斷調整冷卻循環水量，保證在冷、熱水池不溢流的前提下控制發電機組凝汽器的真空度為*，實現節能的目的。
　　
　　循環水泵控制系統各種運行方式中的注意事項及參數如下：
　　
　　a.循環水泵和升壓水泵流量要基本達到平衡，避免熱水溢流至冷水渠。
　　
　　b.保證冷油器有一定的進水壓力。
　　
　　c.正常情況下，1臺循環水泵供水機組可帶60MW左右負荷。當2臺100MW機組滿負荷運行時，3臺泵并聯供水，變頻器不調節運行；當機組調峰低負荷運行時，變頻器調節運行；當1臺100MW機組單獨滿負荷運行時，2臺泵運行，變頻器調節運行；當冬春季節，機組調峰運行時，若能做到1臺泵供水，變頻器可退出運行。循環水量的調節范圍大小，目前除受機組負荷影響外，還受冷油器運行狀況的制約。
　　
　　d．改造后的循環水泵不可能只運行于調節狀態。
　　
　　e．循環水泵的控制參數為：流量、水壓、前池和進出水渠的液位。
　　
　　f．水泵的年平均運行時間約為5500h。
　　
　　g．冷、熱水池堰堤的標高29．2m；凝汽器真空測量用真實表。
　　
　　h．控制系統能提供反映升壓水泵流量、前池水位、水渠水位、循環泵流量、凝汽器冷卻水需量、真空等信號及指示值，能指導循環水、升壓水系統的運行操作。
　　
　　3.1PLC系統的功能
　　
　　PLC實現循環水系統*節能控制器的所有邏輯控制功能。PLC系統實現的主要功能如下：
　　
　　a．實現循環泵及其附屬設備的啟、停程序控制；
　　
　　b．實現循環泵出口門、聯絡門等的開、關程序控制及聯動功能；
　　
　　c．實現溫度、水位等保護的三選二控制邏輯，在保證“真空*”的前提下，控制變頻器使熱水池不溢流；
　　
　　d．實現重要故障的記憶邏輯功能；
　　
　　e．PLC系統失電、IPC上位機死機和重新啟動時應不影響系統控制邏輯；
　　
　　f．控制系統預留出與DCS通信的標準接口；
　　
　　g．系統出現故障信號，要在PLC控制柜、IPC和主控室都有聲光報警。
　　
　　3.21PC系統的功能
　　
　　IPC系統實現的主要功能是操作、記錄、顯示和查詢等管理功能：
　　
　　a．通過IPC進行各泵的啟、停及閥門的開關操作；
　　
　　b．系統圖是運行人員監視和操作設備的主畫面；
　　
　　c．在系統圖上點擊某設備進行操作，要有是否滿足啟動／停止該設備的“幫助”提示；
　　
　　d．系統圖上水路、密封水路和油路以及閥門的開關狀態要有明顯的顏色區分；
　　
　　e．系統圖上設備的工作、停止和故障狀態要有明顯的顏色區分；
　　
　　f．系統圖上模擬量測點位置有實時數據和工程單位顯示；
　　
　　g．系統具有記錄運行員的操作的功能，記錄時間要求準確到秒級；
　　
　　h．系統具有對所有輸入／輸出開關量信號的記錄功能；
　　
　　i.系統具有模擬量趨勢圖顯示功能，歷史趨勢的存儲周期為1星期；
　　
　　j.系統對所有報警和故障跳閘信號有實時顯示和事故追憶功能。
　　
　　4控制系統的實現
　　
　　4.1PLC系統的實現
　　
　　循環水系統工作的可靠性至關重要，因此，它的控制系統也要求*的可靠性。根據系統的要求，選擇Schneider公司的Quantum系列具有雙機熱備用功能的PLC系統作為核心控制器。以日本OMRON公司為代表的PLC雙機熱備用系統，實際上是“溫備”，它是把2個CPU模塊放在一個基板上；而以Schneider公司為代表的PLC雙機熱備用系統，是2套PLC系統互為熱備用，可靠性更高。
　　
　　如圖3所示，循環水泵控制系統配置由雙機熱備用的PLC系統和IPC系統組成。PLC系統中，CHS單元為雙機熱備用單元，通過光纖連接；CPU單元和IPC系統通過屏蔽雙絞線組成MB+網絡，傳輸速率為1Mbit/s；CRP單元和CRA單元組成遠程I/O控制系統，通過同軸電纜連接；CPS為電源模塊單元。　　4.2IPC系統的實現
　　
　　IPC上位機系統完成所有控制命令的發出和設備狀態的顯示、信號的查詢等功能。IPC系統的監控軟件選擇北京亞控公司的組態王6.0，通過SA85網卡與PLC系統通信，組成MB+網，很好地完成了系統要求的功能。為可靠運行，系統安裝WindowsNT作為操作系統。IPC工控機選擇Advantech的PⅢ-866機型（硬盤40GB），顯示器選擇Philips純平顯示器。
　　
　　循環水泵控制系統還給DCS預留了MB+網絡通信接口，為控制系統的擴展做好準備。
　　
　　循環水泵控制系統主程序框圖如圖4所示。　　
　　4.3“*真空”控制器
　　
　　“*真空”的獲得方法是：選擇機組分別在60％，70％，80％，85％，90％和100％負荷不變的情況下，保證汽機蒸汽人口壓力／溫度不變，保證水的過冷度滿足要求，調節循環水流量（通過變頻調速，也可以在使用變頻調速之前的系統上測量），測出汽機的*熱效率曲線。綜合考慮汽機的機械特性、*效率等得到的對應凝汽器真空就是“*真空”，此時循環水泵的速度就保證了在“*真空”下使汽機的工作狀態*。
　　
　　“*真空”的測量根據季節的不同，至少要在冬季和夏季分別進行測量，冬季在一月份左右測量，夏季在七八月份左右測量；每個測量點要保證系統能夠正常運行2h～4h，測量數據一定要折算到標準工況。測量數據的后處理工作也很重要，綜合各種因素進行曲線擬合，對奇異點進行具體分析，必要時要重新測量該點的數據。“*真空”的測量可以由電廠自己完成，也可以由中試所或熱工所來進行。測量的方法根據循環水系統的構造、凝汽器的配置、高低壓缸的出力情況等有所不同，本文的方法僅供參考。
　　
　　5結語
　　
　　本文設計并研制了茂名熱電廠4號機組的循環水泵高壓變頻調速監視控制系統。該控制系統根據汽機負荷、真空的變化，通過控制循環水泵、升壓水泵的不同組合和使用高壓變頻器控制循環水泵的出力來實現循環水系統的*節能控制器的控制策略，保證了在冷、熱水池不溢流的前提下控制發電機組凝汽器的真空度為*，實現了節能的目的。