330 MW机组电动给水泵变频改造及电液并存调速控制策略研究

黄思林，唐昊，王善同，王杰

(1.国家能源集团广东电力有限公司，广东 广州 510623；2.国能(惠州)热电有限责任公司，广东 惠州 516082)

某电厂330 MW热电联产机组为某石化区供热，给水系统配备3台容量为50%锅炉最大连续蒸发量(boiler maximum continuous rating，BMCR)的电动给水泵，给水泵采用液力耦合器调速，正常运行时给水泵2台运行1台备用。给水泵是火力发电厂的主要辅机，也是耗能最大的辅机，其耗电量约占机组发电量的3%左右[1](受纯凝、供热、压力等因素的影响而不同)。目前300 MW等级的机组年平均负荷率一般在75%左右，给水泵长期低效运行。为了降低厂用电率，提高机组运行经济性，对电动给水泵进行变频调速改造。考虑到热用户对机组供热可靠性要求高，本次给水泵变频改造采用电液并存调速方案，保留工频运行时液力耦合器的调速功能，在变频器故障时给水泵仍然具备原有的调速功能，保证给水系统正常运行，提高事故情况下的容错率。但是在原有调节基础上增加了变频调节，对给水系统控制、联锁、保护的要求更高，生产调节更加复杂，因此变频改造后的控制策略设置尤为重要。

1 给水泵节能分析

给水泵组技术规范见表1。

表1 给水泵组技术规范

1.1 液力耦合器特性

液力耦合器主要包括增速齿轮和相关泵轮、涡轮、勺管、循环油系统[2]。增速齿轮的主要作用是将给水泵电动机的额定转速提升至满足实际工况的运行转速；泵轮、涡轮、勺管和循环油系统的作用是通过勺管对循环油进行调节，控制液力耦合器中的充油量，进而控制涡轮转速，最后实现对液力耦合器转速的控制。

液力耦合器是一种存在转差损耗的调速设备，由于滑差的存在，泵轮与涡轮的转速不会完全相等。典型的液力耦合器效率曲线如图1所示。由图1可以看出，液力耦合器效率最高点为给水泵的最大出力点[3]。在变负荷工况，尤其是在给水泵低转速比状况下，液力耦合器的效率很低[3]。

图1 液力耦合器效率与给水泵转速比关系曲线

1.2 给水泵变频节能分析

根据泵与风机的相似定律[4]有：泵的流量Q与转速n成正比，泵的扬程H与n2成正比，泵的功率P与n3成正比。据此可以计算出流量由额定值Qe下降至Q时，采用转速调节的电动机理论功耗

P=(n/ne)3×Pe.

(1)

式中：Pe为额定功率；ne为额定转速。

计算可得，当给水泵出口流量降低至额定流量的60%时，给水泵理论功耗可下降至额定功耗的21.6%。液力耦合器调速方式下，电动机始终恒速运转，损耗了相当一部分功率[5]。

2 给水泵变频改造

2.1 变频器与液力耦合器的比较

变频器与液力耦合器的性能对比见表2。

表2 变频器与液力耦合器的性能对比

电动机采用变频调速，其转轴与负载直接相连，通过改变电动机的供电频率来改变其转速。变频器的调速范围为1%～100%，液力耦合器的调速范围为20%～50%。当输出转速下降时，变频器仍能保持较高的效率，而液力耦合器效率下降较多。变频器较液力耦合器在全范围内具有更高的效率[6]。

采用变频器控制时，电动机可通过同步软启动方式将启动电流限制在电动机额定电流以内，不必考虑厂用电容量限制，对电动机和厂用电冲击小[7]。采用液力耦合器控制时，电动机定频启动，对电动机和厂用电冲击较大。液力耦合器通过改变工作腔油量大小来控制输出转速，调节精度低，响应慢。变频器调速的频率改变速度快，可以在系统允许的最短时间内调节，其调节精度在±0.05%以内，可以实现精确控制。

高压变频器性能可靠，维护费用低，在设备正常运行时无消耗。变频器装置出现问题后，能以旁路方式运行，或者切换至备用泵运行，这就需要对新的给水系统控制策略进行优化设置，满足改造后多种运行方式的稳定运行、灵活切换，保证给水系统的长期安全稳定运行。

2.2 改造方案

电动给水泵变频改造主要有2种技术方案[8-10]：方案1纯电调变频调速，采用更为高效的增速齿轮箱传动装置替换原液力耦合器；方案2电液并存调速，保留液力耦合器，使给水泵具有工频、变频2种运行方式，工频运行时保持原勺管控制液力耦合器调速，变频运行时勺管全开，液力耦合器恒效运行输出，2种运行方式可以切换。

方案1较方案2综合效率高2%，但是鉴于热电联产对机组的安全稳定运行要求较高，选择采用安全性更高的方案2(电液并存调速方案)。对A、B给水泵进行变频改造，C给水泵维持不变。同时考虑运行方式改变后对前置泵、液力耦合器的影响，对前置泵、液力耦合器进行相应的技改[11-13]：保留耦合器主传动齿轮及润滑油路系统，在泵组附近合适处增置1套供油装置，供油装置配备2台螺杆泵互为备用，保证原耦合器润滑油系统的需求，并保证对外设备供油。图2为变频器系统一次系统图，其中：QF1为原开关；QS1、QS2、QS3为手动隔离开关；开关MQF1和电阻R构成变频器限流充电回路，主要用于降低变频器合闸瞬间产生的励磁涌流和充电电流；VFD为变频调速系统(variable-frequency drive)；DXN为户内高压带电显示仪(indoor high-volt charged display device)。

图2 变频器系统一次系统图

2.3 控制策略

改造后的变频调速型液力耦合器给水泵可实现变频运行与工频运行相互切换，给水泵组可实现“双工频”“双变频”运行方式，也能实现“一工一变”运行方式。为了保证改造后多种运行方式的稳定运行、灵活切换，以及给水系统的长期安全稳定运行，对于新的给水系统控制策略在可靠性及自动化方面要求较高。该项目原给水系统工频运行控制逻辑保持不变，新设置1套变频控制逻辑，实现改造后给水泵组运行方式的灵活切换及工频、变频泵并列运行。

2.3.1 运行状态设置

A、B给水泵变频运行，当其中1台发生故障时，启动C备用给水泵。当故障给水泵系统修复后，如果需要进行倒泵操作，则通过手动完成倒泵；如果不需要进行倒泵操作，则可以将检修好的给水泵置于工频备用方式，执行逻辑不变。因此，变频改造后新增给水泵组运行状态有以下几种：①A、B给水泵“双变频”运行，C给水泵备用；②A、B给水泵“一工一变”运行，C给水泵备用；③A、C给水泵“一工一变”运行，B给水泵工频备用；④B、C给水泵“一工一变”运行，A给水泵工频备用。

为优化控制策略，提升给水系统整体可靠性，未设置A、B给水泵变频备用控制逻辑。

2.3.2 备用泵联锁逻辑设置

1台给水泵投入备用：任一运行给水泵跳闸，3 s脉冲，联锁启动备用给水泵。

2台给水泵投入备用：单台给水泵运行跳闸，3 s脉冲，联锁启动备用给水泵(优先联启C给水泵)；第1台备用泵联启失败，联锁启动第2台备用给水泵(第2台备用泵按照A、B泵顺序联启)。

备用泵联锁逻辑如图3所示。

图3 备用泵联锁逻辑

2.4 工频泵、变频泵并列调节控制

2.4.1 控制原则

在机组启动初期负荷较低时，采用单冲量控制汽包水位。当机组主蒸汽流量不小于25% BMCR时(250 t/h)，给水控制切换到三冲量；当机组主蒸汽流量小于25% BMCR时，切回到单冲量，设置2%主蒸汽流量的切换死区避免切换频繁。单冲量、三冲量调节器互为跟踪，以保证切换无扰，每个给水泵设置独立的指令偏置。

“双工频”“双变频”“一工一变”3种运行方式设置工频运行、变频联运(“双变频”或“一工一变”)2套控制回路。工频运行和变频联运各独立设置1套单/三冲量控制回路，工频运行和变频联运互为闭锁投自动，具体体现为任一给水泵变频在自动状态，所有给水泵勺管切手动状态；任一给水泵勺管在自动状态，所有给水泵变频切手动状态。变频联运时给水变频调节回路投入自动，变频泵与工频泵同时接受变频调节器指令，再将频率指令送入工频泵控制回路的变频-工频控制指令转换函数f(x)，根据计算出的给水泵变频器指令与勺管位置之间的对应关系设置相应参数，频率指令会被f(x)转化为对应的勺管指令。改造后及时完成变频泵变频特性试验[14-18]，得出勺管开度与频率指令间的函数关系。变频联运时，变频泵和工频泵同时接受变频调节指令，通过函数关系折算得到勺管开度，可以保证调节品质，使2台泵的转速基本保持一致。

2.4.2 给水泵变频特性试验

给水泵变频改造后，进行工频、变频运行对照试验，得到液力耦合器勺管开度与二次转子速度对应关系，见表3。

由表3数据得出，当转速大于3 000 r/min时，勺管开度与勺管开度系数的关系曲线如图4所示。

表3 液力耦合器勺管开度与二次转子速度对应关系

图4 勺管开度与勺管开度系数的关系曲线

由图4(以A耦合器为例)可知：当勺管开度大于40%时，勺管开度系数约为76；当勺管开度大于70%时，勺管开度系数约为71。以上数据有一定的规律性，同时也存在一定的离散性。根据试验数据可得出频率指令与勺管位置的对应关系，如图5所示。

图5 频率指令与勺管开度的对应关系

2.4.3 给水泵控制方式

a)“双工频”运行状态：给水泵勺管保持原控制逻辑不变。

b)变频联运(“双变频”)运行状态：给水泵在变频方式，3 s脉冲超驰开本泵勺管至100%，速率40%/s，变频方式下本泵勺管保持全开。

c)变频联运(“一工一变”)状态：变频泵勺管保持全开，频率指令经函数f(x)折算后用于工频泵勺管指令及备用泵的勺管跟踪。f(x)函数初设值为设计计算值，后经对比试验得出f(x)准确频率指令与勺管开度的对应关系；否则由勺管指令用于备用泵的勺管跟踪。给水泵在停止状态时，此泵频率、勺管指令均不用于备用泵的勺管跟踪。

d)给水自动控制回路操作设计：为防止给水系统工频运行及变频联运控制回路的监视、操作出现错误，分别设置变频联运和工频纯勺管2套控制回路，共用1个汽包水位设定入口，2个主要操作面板分开进行操作，工频运行操作控制面板画面如图6所示(给水泵转速控制面板)，“变频联运”操作控制面板画面如图7所示(给水泵频率控制面板)；当给水旁路调节阀、变频联运、纯勺管控制均为手动时，水位设定跟踪实际水位。

图6 给水泵转速控制面板

图7 给水泵频率控制面板

e)勺管控制回路自动切换逻辑设计：勺管在手动状态下且满足切换条件时出现切换模式，即允许操作切换控制回路。切换逻辑设计3 s脉冲闭锁，以确保控制回路跟踪完毕，给水泵可无扰切换工频运行和变频联运模式。当A、B给水泵任意一台变频运行时，C给水泵勺管在手动状态，勺管程序自动切换至变频联运模式，投入给水自动时，通过变频(单/三冲量调节)控制回路输出C给水泵勺管自动控制指令，操作面板“变频联运”指示字体显示绿色背景。当A、B给水泵均不在变频运行时，C给水泵勺管在手动状态，C给水泵勺管程序复位变频联运模式，投入给水自动时，通过原给水系统工频纯勺管(单/三冲量)控制回路输出A、B、C给水泵勺管自动控制指令，操作面板“变频联运”指示字体显示灰色背景。

2.4.4 工频泵与变频泵并列实际运行

变频联运可分为“双变频”“一工一变”运行，技术难点主要在工频泵与变频泵并列调节运行，以及变频泵故障跳闸联锁启动备用工频泵并列运行，容易出现转速偏差大、2台泵运行出力不均导致抢水等现象。

在“一工一变”运行状态，给水变频调节回路投入自动，变频泵与工频泵同时接受变频调节指令，频率指令经函数f(x)折算后作为工频泵勺管指令，这样2台泵的转速可大致保持相等。根据给水变频调节实际投入运行曲线，变频调节的给水泵与工频勺管调节的给水泵转速偏差约为70 r/min，变频调节器控制参数设置不变，“一工一变”运行的调节品质与“双变频”或“双工频”运行的调节品质接近。并列运行给水泵的调节性能、工频备用泵联启后的调节性能均与f(x)的匹配精度有较大关系，在1号机组给水泵变频改造中，为了找出精确的折算函数f(x)，对给水泵分别在不同负荷段进行工频、变频频率与勺管开度的比对试验，设计27段折算函数f(x)，以有效保证“一工一变”并列运行的稳定。

3 改进效果评价

2022年1月某电厂1号机组电动给水泵变频改造顺利完成，A、B给水泵改造为变频泵，C给水泵工频备用。经过3个月的运行观察，控制系统运行稳定，完全满足机组安全经济运行的设计要求。改造前后相同给水流量的给水运行数据汇总见表4，改造前后相同流量给水泵电流对比如图8所示。

由表4和图8可知，给水泵变频改造后：给水入口流量516 t/h工况下，A给水泵电流下降79.32 A(降幅16.49%)，B给水泵电流下降80.22 A(降幅16.56%)；给水入口流量410 t/h工况下，A给水泵电流下降145.60 A(降幅36.73%)，B给水泵电流下降136.92 A(降幅34.62%)；给水入口流量340 t/h工况下，A给水泵电流下降86.69 A(降幅27.15%)，B给水泵电流下降79.93 A(降幅26.65%)。

表4 给水泵参数

图8 改造前、后给水泵电流对比

汽包水位扰动试验曲线如图9所示，试验扰动量±60 mm。14时36分08秒，汽包水位设定值向上阶跃 60 mm；14时40分06秒，汽包水位进入稳态，波动小于±25 mm，稳定时间为238 s，衰减率Ψ=0.9。14时44分57秒，汽包水位设定值向下阶跃 60 mm；14时47分34秒，汽包水位进入稳态，波动小于±25 mm，稳定时间为157 s，衰减率Ψ=0.9。由试验结果可知，给水泵变频给水自动调节品质良好。

图9 给水泵并列运行汽包水位扰动试验曲线

给水泵联锁启动试验曲线如图10所示。15时01分38秒，A给水泵变频运行跳闸，C给水泵联锁启动；15时01分41秒C给水泵勺管开至84%，C前置泵出口流量达到685 t/h最大流量，B前置泵出口流量达到664 t/h。备用泵联锁启动正常，给水系统自动调节运行稳定。

图10 变频泵跳闸备用泵工频联启试验曲线

4 结束语

保留液力耦合器的给水泵变频改造，原给水泵组未改动，变频器故障退出后电动给水泵仍能通过液力耦合器调速工频运行，提高了事故情况下的容错率。

电液并存调速控制变频联运的技术难点主要在工频泵与变频泵并列调节运行，以及变频泵故障跳闸联锁启动备用工频泵并列运行，容易出现转速偏差大、2台泵出力不均导致抢水等现象。通过控制策略优化，变频调节给水泵与工频勺管调节给水泵运行转速偏差控制在70 r/min以内，从而实现给水泵组工频、变频联运多种运行方式及给水泵系统故障状态下给水系统运行稳定。

通过给水泵组控制方式的优化设计，机组运行期间给水泵可无扰切换变频联运及工频运行模式，实现给水泵组“双工频”“双变频”“一工一变”多种运行方式的灵活切换。

改造后及时完成变频泵变频特性试验，得出勺管开度与频率指令间的函数关系，通过函数关系折算勺管开度。变频联运时，变频泵和工频泵同时接受变频调节指令，在较大扰动时控制汽包水位波动小于±25 mm，充分发挥变频器频率信号精确的调节特性，有效保证给水自动调节品质。

根据改造后机组的运行数据，从控制系统的安全可靠性、机组运行的稳定性和节能效果等方面综合分析，认为电液并存调速给水泵变频改造方案技术上可行，综合降低厂用电率约0.51%，达到了预期的改造效果。