一种实现火电厂循环水泵变频调速的方法

    循环水的作用:提供电厂凝汽器、冷油器以及发电机等设备所需的冷却水，满足汽轮机冷却循环倍率的要求，为维持凝汽器真空而提供最大限的冷却效果。如果循环水泵所提供的冷却水水量不足或因故障而中断供水，则汽轮机和发电机等就不能正常运行。电厂循环水泵的特点是供水量非常大，但所需压头较低（一般仅20mm水柱），即大流量低扬程泵。一般小机组为母管制，大机组为单元制。

2、循环水泵系统现状

    根据发电厂循环水泵的运行规程:循环水泵随机组长期连续运行。一般配置2～3台循环水泵和相应的出口液控蝶阀和入口电动蝶阀，根据运行规程切换组合运行。夏季最高时3台运行，1台备用和检修;冬季最高时2台运行，1台备用，1台检修。系统配置的阀门均为全开操作。由于循环水系统设计是考虑到夏季最恶劣的高温环境和机组最大负荷时冷却水流量的需要，而设计留有足够的富裕量。因此当环境改善，如季节变化环境温度降低，或者汽轮机在非满负荷状态下运行时，以及起停机组的时候，其循环水量就可减小。但是由于是定速运行，无法进行调速，只要泵一开启，水泵即为满负荷运行。由于循环水泵长期满负荷工作，冬季冷却水温度很低，容易造成汽轮机组凝结水过冷，凝结水溶解氧偏高等问题。若采用变频调速运行，连续调整循环水泵的出力，既可节能降耗，又提供了循环水的流量调节手段，使机组保持最经济的运行状态，并且实施后效果确实不错。 

3、采用变频器作为循环水泵普通异步电动机的前级驱动单元

    鉴于循环水泵在系统中的作用，采用变频器作为循环水泵普通异步电动机的前级驱动单元，接收调节器（单回路调节器或其他调节输出）或手操器（手/自动无扰切换输出）标准给定信号，实现调节循环水流量，进而对系统参数的有效调节控制。许多电厂已经作出了尝试:宁波舜龙热电厂、山东威海电厂、东源热电厂等。进行循环水系统变频调速改造，可改善凝汽器水侧不满水时，凝结水溶氧高、循环水水量冬、夏季温度变化较大，无法满足机组真空要求、以及循环水水量缺乏调节手段等影响机组安全性和经济运行的问题。

    鉴于循环水泵的重要性,进行一台变频器带二台泵的“一拖二、带工频旁路”的电气一次回路的变频改造，运行时，变频器拖动一台泵，如一台泵故障切换到另一台泵，如果一台泵运行无法满足工艺系统流量的要求，可软启动此泵，工频运行后，再对另一台软启动，并变频运行。为节约资金，只改造两台循环水泵，而另外两台保留原工频运行方式,如图2所示。

    由图2可见380v循环水泵电机一次电气接线，它主要适用于单机容量5万kw以下小机组的循环水泵，如果循环水泵电机为6kv（单机容量10万kw以上均为6kv电机），泵电机加热器的电源需要单独提供。北京煤矸石电厂、宁波舜龙热电厂、东源热电厂均采用图2所示的电气一次接线方案;山东威海电厂、大庆新华发电厂、烟台万华电厂、山西阳光发电厂采用“一拖一带工频旁路”的电气一次接线方案。北京煤矸石电厂采用ab变频器，宁波舜龙热电厂采用日立变频器，山东威海电厂和大庆新华发电厂采用罗宾康6kv完美无谐波变频器，山西阳光发电厂采用利德华福6kv变频器，烟台万华电厂采用ab公司6kv powerflex7000变频器。
    这些发电厂采用变频器驱动循环水泵的普通异步电动机,都取得了很好的应用效果。 

4、循环水变频调速系统的自动调节控制策略

    4.1 循环水系统传统控制方式的缺陷
    循环水系统的传统控制系统，一般均不采用调节控制回路，无法进行水量的自动调节。仅仅泵出口配置全开全关操作的液控蝶阀，泵一启动，泵电机就满负荷工作。采用这种控制方式的缺点是:能耗大，流量不能自动调节，有“水锤”现象，对管网及管网上的检测仪表的使用寿命有影响。
    4.2 自动调节的控制策略
    循环水系统变频调速系统改造的目的是实现水量的自动调节，维持最佳真空度，维持最佳循环倍率。

    根据图3所示的水泵的流量、功率、压力与转速的关系和在不同负载方式下电机电力消耗特性曲线,可得到:
    ｑ∝ｋ×ｎ（流量正比于速度）
    ｈ∝ｋ×n2（压力正比于速度平方）
    ｐ∝ｋ×n3（功率正比于速度立方）
    式中:ｑ—流量;
    ｈ—水压;
    ｐ—电机功率;
    ｋ—比例系数。 
    由此可知，只要调节泵的速度就可以得到用户期望的流量，并节约电能。
    4.3 循环水泵转速调节方式
    循环水泵转速调节方式分为两种:手动调节方式、自动带后备手操调节方式。
    （1） 手动调节方式
    采用手操器进行手动调节变频器频率，就可以调节循环水泵转速。
    （2） 自动带后备手操调节方式
    循环水系统变频改造的目的是实现水量的自动调节，即在机组变负荷、循环水温变化条件下（如冬、夏季节温度变化）时，最优化运行。为了保证系统高效、可靠、安全地运行，设计水量自动优化控制系统是必须的。
    （3） 说明
    火电厂的循环水是保障机组安全，经济运行的基本条件，由于影响循环水流量要求、压力、温度的因素很多（如负荷变化、系统扰动、系统的大惯性及纯滞后等因素）使得基于常规pid算法的自动控制系统在变工况、季节转换的情况下，难以长期稳定地投入自动。手动控制则跟踪太慢且变化幅度大,容易造成系统不稳定。
    （4） 自动优化控制的控制策略
    根据机组最佳真空（倍率）同循环水量的相互关系，以机组的最佳真空为目标函数。循环水系统优化运行的目标函数是在汽机热耗量不变的前提下，汽机发电量与循环水泵耗电量的差额达到最大时所得到的间接函数关系。
    由于整个循环水系统的优化等价于所有子系统的优化，因此循环水系统优化数学模型按以下4个方面建立:
    汽机在一定排汽量条件下（热负荷一定）循环水量与发电机功率特性;
    循环水泵流量与功耗的关系特性;
    循环水泵的扬程特性;
    循环水系统管网的阻力特性。
    （5） 调节循环水泵的转速，进而调节循环水流量，维持最佳循环倍率，维持机组凝汽器的最佳真空度。
    （6） 工程实施时的策略图
    如图4所示。图4中，q为循环水流量;p为压力;t为循环水进出温度。

    （7） 工程实施时的策略
    根据机组最佳真空（倍率）同循环水量的相互关系，以机组的最佳真空为目标函数。控制系统主要采集汽轮机调节级压力、大气压力、凝汽器真空、机组负荷以及循环水泵出入水温参数变化值，进行优化运算，确定最佳真空（倍率）同循环水量的拟合曲线，通过比例积分控制对变频器进行控制，以维持冷却效果的恒定，维持最佳真空度。
    最佳真空度是通过计算分析凝汽器的传热系数、排汽压力以及其他参数，采用逐次循环逼近的优化运算方法得到。
    循环水流量是通过检测机组排汽焓降、机组排汽流量、循环水进出水温计算得到。
    循环水流量q=k×h×q1/（t1-t2）
    式中: h为排汽焓降;
    q1为排汽流量;
    t1、t2为循环水进出温度;
    k为系数。
    （8） 控制系统以pid调节运算为基础，进行优化协调控制，其输出控制变频器的频率，调节水泵转速，调节循环水流量，维持最佳真空度。采用此系统有助于防止由于在冬季循环水温度过低，特别在负荷较低情况下，出现凝结水溶氧变高的问题。
    （9） 系统硬件
    为了便于自动优化控制的实现，方便运行人员的使用及管理，拟采用小型集散控制系统。 

5、结束语

    电厂循环水系统的节能主要表现在循环水泵的高效运行和流量的有效调节等几方面。在变频调速技术的参与下，通过优化控制得到合适的调速比，保证循环水压力和流量满足冷却效果要求，维持凝汽器最佳真空、最佳循环倍数，节约能源。通过许多电厂的尝试，通过自动优化变频控制系统可改变原来循环泵系统能源浪费大、自动化程度低的状况。此系统具有较强的现实意义，也是实现循环水泵无人值守控制系统的基础之一。在此抛砖引玉，以推广新技术在电厂的应用。