（电气工程专业论文）300mw火电机组凝结水泵变频调速系统的应用研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 近年来，随着火电厂对节能减排技术的迫切需求，如何对火电厂的用电 设备进行改造成为了节能的重要方法之一。高压变频技术的发展为节能提供 了先进技术。本文认真分析了包头第三热电厂凝结水泵的运行情况，比较了 凝结水泵的节能改造方法，提出了这种水泵变频改造的计划。并对1 号机组 的凝结水泵进行了变频改造，改造后节能效果显著，节电率提高了2 5 。 关键词：凝结水泵，变频调速，节能 a bs t r a c t t l l l e 辩y e a 娼，w i t ht h ee x i g e n td e m a n do fe n e r g yc o n a t i o ni np o w e rp l a n tg e n e r a t i l l g e l e c t r i c i t yw 汕c o a l ，h o wt or e b u d df o rp o w e rp l a n t se l e c t r o e q u i p m 曲t sb e c o m e e0 f i m p o r t a n tm e 粗so fe n e 哟，c o n 矧v a t i 1 n h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n 眦h n o l o g ) r 丽t hh i g l l v o l t a g e o 恤r e da d v a n c e dt e c h n o l o 留f o re n e r g yc o n s e a t i o n 1 nt h i sp a p e r i ti s 柚a l y z e dt h em n n i n g c o u r o fc o n c r e t i n gp u 唧a b o u tn o 3b a o t o ut h e r m a lp o w e rp l a n t s ，翘dc o m p a r e dw i n la n b n d so fe n e r g yc o n 辩r v a t i o nm e 趾sf o r n c r e t i n gp u m p ，a n dr a i dt h er 。c o n s 仃1 l c t i v ep l 柚sf o r t h i sl 【i n d0 fp u m p a tl a 瓯n c 他t i n gp u m p s0 f1 撑s e to fg e n e r a n d rw e 佗托b u n tw i t ht h e f r e q u e n c ) rc o n v e 碍i o n 眦h n o l o g yw 油h i 曲v o l t a g ea n dt h ee 骶c t0 fe n er 盱c o n r 、，a t i 伽w 越 f e m a r k a b l e t l h er a t eo fe 鹏r g yc o n r v a t i o na d v a n c e d2 5 w a n gh o n g r u ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f j i a oy a n j u n ，e n g i n e e fh u a n g l i n z h o n g k e yw o i m s ：c o n d e n s e dw a t e rp u m p ，i h q u e n c yc o n t r o l ，佃e r g y s a v l n g 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文3 0 0 m w 凝结水泵变频调速系统 的应用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：兰i 堡盘日期：2 竺2 ：丝学位论文作者签名：叁! ：錾丝 日 期：之竺2 ：丝 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：至i 鱼丕 日 期：建型211 ：! ? 导师签名： 日期：筮业 乞粤牡必碑 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及变频改造的意义 目前，在电力改革不断深化、大力提倡建立节约型社会的政策环境下，应用高 新技术节能降耗，降低厂用电率和发电成本，成为各电厂的当务之急。火电厂的各 种动力设备中，泵与风机类负载的耗能占绝大部分。电厂调峰时，传统调节方式通 过改变调节阀和挡板的开度来调整通过泵与风机的工质流量。而泵与风机的输出功 率几乎不变，加之设计富余量较大，浪费了大量电能，同时使设备运行效率不高。 若采用高压变频调速则可保持调节阀与挡板全开，通过降低泵与风机的转速来减小 流量，从而减小了节流损失，节约了大量电能。此外，高压变频调速还具有系统效 率高、功率因数高、调节品质好、能实现电动机软启动等诸多突出优点。因此对老 电厂进行变频改造或在新建电厂应用变频调速技术是提高机组经济性和安全性的 重要措施2 1 。 以前由于高压变频技术并不十分成熟，再加上价格昂贵等因素，使变频调速技 术在火电厂高电压大功率交流传动中的推广应用较少。近年来，随着电力电子技术 和微电子控制技术的飞速发展，高压变频技术日趋成熟，可靠性和性价比得到大幅 提高。 包头第三热电厂是两台3 0 0 m w 火电机组，由于负荷机组在用电高峰期间可以满 发，但多数时期不能够保证满负荷发电，近年来节能降耗在火电机组中开展，创“两 型企业，降低厂用电率，通过调查其他火电厂的变频改造，证实火电厂采用高压 变频调速后不但可以获得显著的直接经济效益，还可以改善调节品质、提高设备安 全性，企业变频改造的投资通常可在1 2 年内全部收回，采用变频凋速在技术和经 济上都是可行的。 1 2 变频器国内外的研究动态 目前，变频调速技术，已广泛应用于低压电动机的调速传动中，随着技术的进 步和制造工艺的提高，高电压大功率变频调速器生产技术也已逐渐趋于成熟，正逐 渐应用于各个领域。例如，在大功率交一交变频( 循环变流器) 调速技术方面，法国 阿尔斯通公司已能提供单机容量达3 万k w 的电气传动设备用于船舶推进系统；在 大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利a b b 公司提供了单机容量6 万k w 的设备用于抽水蓄能电站；罗克韦尔自动化公司生产的a b 变频器已经达到 8 5 0 0 k w ，德国西门子公司s i m o v e r t a 电流型晶闸管变频调速设备单机容量为1 卜 华北电力大学工程硕十学位论文 5 6 0 0k v a 和s i m o v e r t pg t op w m 变频调速设备单机容量为1 0 0 9 0 0 k v a ；而目前性 能最好的就是美国r o b i c o n 公司推出的“完美无谐波”高压变频调速装置，采用多 级低电压小功率i g b t p w m 功率变换单元串联输出高压变频电能，并实现大功率集 成 国外交流变频调速技术高速发展有以下特点： ( 1 ) 市场的大量需求。随着工业自动化程度不断提高和能源全球性短缺，变 频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、 水泵等的节能场合，并取得显著的经济效益。 ( 2 ) 功率器件的发展。近年来高电压、大电流的s c r 、g t o 、i g b t 、i g c t 等大 伯的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及 应用成为现实。 ( 3 ) 控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊 控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；1 6 位、3 2 位高速微处理 器以及信号处理器( d s p ) 和专用集成电路( a s i c ) 技术的快速发展，为实现变频 器高精度、多功能化提供了硬件手段。 ( 4 ) 基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化 生产。 我国电气传动产业始于1 9 5 4 年。当时，在机械工业部属下建立了我国第一个 电气传动成套公司，即现在的天津电气传动设计研究所的前身。现在，我国有2 0 0 家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。随着改革开放，经济高速 发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。很多最先进 的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。国内许多 合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部分在自行设计制造的成套装置 中采用外国进口和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程 项目提供一流的电气传动控制系统，在变频调速技术的应用和研究上取得了很大的 成绩。 国内的交流变频调速技术产业状况大致表现如下： ( 1 ) 变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力， 但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。 ( 2 ) 变频器产品所用半导体功率器件的制造业薄弱。 ( 3 ) 相关配套产业及行业较为落后。 ( 4 ) 产销量较少，可靠性及工艺水平不高。 交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能 的转换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必 2 华北电力大学工程硕士学位论文 定分成功率和控制两大部分。前者要解决电子器件的应用技术问题，后者要解决硬 软件开发问题，其发展方向主要有以下几项： ( 1 ) 实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、 磁场控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变 结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器， 在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思 想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断 技术。 ( 2 ) 开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为 1 ，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉 动。对中小容量变流器，提高开关频率的p w m 控制是有效的。对大容量变流器，在 常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。 ( 3 ) 缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制无件具有高的集成度， 其中包括智能的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器( 如水冷、 蒸发冷却和热管) 对缩小装置的尺寸也很有效。 ( 4 ) 高速度的数字控制。以3 2 位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够 的能力实现各种控制算法，w i n d o w s 操作系统的收入使得可自由设计，图形编程的 控制技术也有很大的发展。 ( 5 ) 模拟与计算机辅助设计( c a d ) 技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种 c a d 软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。 今后主要研究的开发项目主要有以下几项： ( 1 ) 数字控制的大功率交一交变频器供电的传动设备。 ( 2 ) 大功率负载换流电流型逆变器供电的传动设备在抽水蓄能电站、大型风 机和泵上的推广应用。 ( 3 ) 电压型g t o 逆变器在铁路机车上的推广应用。 ( 4 ) 电压型i g b t 、i g c t 逆变器供电的传动设备扩大功能，改善性能。如4 象 限运行，带有电机参数自测量与自设定和电机参数变化的自动补偿以及无传感器的 矢量控制、直接转矩控制等。 ( 5 ) 风机和泵用高压电动机的节能调速研究。众所周知，风机和泵改用调速 传动后可节约大量电力。特别是电压电动机，容量大，节能效果更显著。研究经济 合理的高压电动机调速方法是当今重大课题啼“1 。 3 华北电力大学工程硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 ( 1 ) 分析凝结水泵在电厂中的作用及其工作原理，分析凝结水泵改造前的运行 各项参数，对其进行改造可行性分析。 ( 2 ) 分析介绍交流电机调速的各种调速方案，并对各种方案的特点进行分析和 比较，以确定最适用于电厂凝结水泵的调速方式；制定出凝结水泵的变频改造方案。 ( 3 ) 介绍变频调速的原理，分析比较各种变频调速方式，变频调速的控制方式， 针对包头第三热电厂凝结水泵特性，选择最优变频改造方式。 ( 4 ) 对改造后的凝结水泵进行改造后的节能分析，说明改造后的优缺点。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章发电厂凝结水泵工作原理与节能分析 发电厂凝结水系统作为汽轮机重要的辅机系统，它的主要作用是向除氧器供水， 保证凝结水的水质合格，并且同时向减温水、密封水厂区采暖减温，主厂房采暖减 温、真空泵汽水分离器补水等重要水系统供水。凝结水泵是实现动力循环的重要组 成部分。其安全、经济、稳定的运行对电厂的安全经济发电起着重要作用。 2 1 凝结水系统简介 发电厂凝结水系统简单流程如图2 1 所示： 图2 1 凝结水系统图 凝结水系统流程中，凝结水泵是一种将原动机的机械能转换为叶轮输送流体 ( 在电厂中为水) 的压能和动能的一种动力设备，凝结水泵的主要作用就是向凝结 水精处理装置提供凝结水，并给工业电视探头，给水泵的密封水，炉墙冷却水提供 5 华北电力大学工程硕十学位论文 冷却水，并作为暖通空调补水和凝结水本身的密封水源。 包头第三热电厂每台机组装配3 台5 0 容量的凝结水泵，正常运行为2 台运行 1 台备用。一般机组负荷在1 5 0 m w 以下，单台凝结水泵运行即可，超过1 5 0 m w 启 动两台凝结水泵。在原控制方式下，凝结水泵为定速泵，在定速泵下，凝结水系统 各项参数如表2 一l 。 表2 1 凝结水系统未改造前运行参数 机组负荷1 6 0 2 5 2 3 0 0 凝结水出口母管压力( m p ) 3 0 4 2 8 62 5 6 凝结水母管流量( t h ) 6 6 5 2 36 9 7 8 27 9 9 3 1 凝结水再循环泵流量( t h ) 2 4 4 9 5o0 # 5 低加至除氧器流量( t h ) 4 1 77 0 07 9 8 2 凝结水泵电流a 泵( a ) 4 6 7 44 9 3 85 1 8 凝结水泵电流b 泵( a ) 4 5 6 85 5 3 0 5 1 8 在机组负荷为1 6 0 m w 时，单台运行凝结水泵，将超出单泵负荷，所以一般启 动2 台凝结水泵。 通过系统图2 1 所示：凝结水系统中包括再循环系统。再循环系统所起到的作 用是在汽轮机启动、停止或低负荷时，由于凝结水量少，为了保证除氧器水位，维 持凝结水出口母管压力，此时开启再循环调门，维持正常运行。 通过上水阀门控制除氧器水位，无论机组负荷大小，凝结水泵始终以满负荷运 行。运行中采用阀门调节，机组在满负荷情况下，凝结泵出口调节阀开度在4 5 6 5 之间，阀门一直处在节流状态下工作，特别是在较低负荷或机组参与调峰时， 阀门开度更小，节流损耗大，凝结水泵效率也迅速降低，能耗增大；再者采用阀门 调节时，精度差，水位波动大，阀门长期处于较高压差下运行，磨损较大，同时频 繁操作易导致阀门可靠性下降，影响了机组的稳定运行，而且消耗了大量的厂用电。 利用再循环设备来保证凝结水系统的正常稳定运行，保护凝结水泵由于在低负荷时 出口母管的压力，不仅导致凝结水泵电流不断增大，甚至达到或超出额定电流，消 耗了大量的凝结水，也消耗了厂用电。从历史数据分析，在未改造前凝结水系统约 占厂用电0 4 。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 因此可以说明，在机组未达到满负荷的情况下，凝结水系统中在机组没有达到 满负荷时，结余空间很大，因此在火电厂节能降耗改造的大力开展中，对凝结水系 统进行节能改造，可以有很大节能效果。进行怎样的改造，我们先从泵入手，分析 泵的原理。通过泵的管路特性，对泵的节能可行性进行分析。 2 2 凝结水泵的特性及原理 ( 1 ) 水泵基本参数的定义 流量q ：单位时间流过泵的水量( m 3 s ) ； 泵的出口压力h ：水流过时产生的压力。其中泵给予每立方米水的总能量称为水 泵的全压h 。( p a ) ，它是由静压h 。和动压h d 组成，即h 。= h 。+ h 。； 功率p ：水泵工作有效总功率p t = q h t ( w ) 。 如水泵用有效静压h 。，则p g = q h 。； 效率r i ：水泵的轴功率因有部分损耗而不能全部传给水，因此可以用水泵效率 这一参数衡量水泵工作的优劣，按照水泵的工作方式及参数的不同，效率分别有： 全压效率：r l 。= q h 。p ( 2 1 ) 静压效率：r l 。= q h 。p ( 2 2 ) ( 2 ) 水泵的特性曲线 表示水泵性能的特性曲线有： h q 曲线：当转速恒定时，水压与流量间的关系特性； p q 曲线：当转速恒定时，功率与流量间的关系特性； r l q 曲线：当转速恒定时，水泵的效率特性。 对于同类型的水泵，根据水泵参数的比例定律，在不同转速时的h q 曲线如图。 图2 2 水泵运行h q 曲线及管路特性曲线 根据水泵转速从n 变到n7 ，流量q 、水压h 及轴功率p 的变化关系： q ，：q ( 叱) ( 2 训 7 华北电力大学工程硕士学位论文 h ，一h ( 必) 2 p ，一p ( 嘭) 3 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 上面的公式说明，流量与转速成正比；水压与转速的二次方成正比；轴功率与 转速的三次方成正比。 ( 3 ) 管路水阻特性曲线 k 图2 3 管阻特性曲线图 当管路的水阻r 保持不变时，流量与通水阻力之间的关系是确定不变的，即流 量与通水阻力k 按阻力定律变化，即 k = r q 2 ( 2 6 ) 式中：k 一通水阻力，( p a ) ； r 一水阻，( k g m 2 ) ； q 一流量，( m 3 s ) k q 的抛物线关系称为水阻特性曲线 ( 4 ) 水泵流量特性 图2 4 水泵流量特性曲线图 8 华北电力大学工程硕士学位论文 如图2 4 所示。显然，水阻越大曲线越陡。水阻的k q 曲线与管路阻力曲线相交的 工作点成为工况点m 。同一水泵在两种不同转速n 、n 时的k q 曲线与r 水阻特性曲 线相交的工况点分别为m 及m7 ，与r 1 水阻曲线相交的工况点为m 1 及m 1 。 2 3 水泵的节能原理 泵的轴功率为可以简单的写为： p = h q ( 2 7 ) 式中：h 一泵的出口压力； q 一泵的流量； 由式( 2 1 ) 可知：泵的轴功率p 与泵的出口流量q 和出口压力h 成正比。泵 的流量q 越大，则凝结水泵的轴功率p 就越大，泵消耗的电能就多，反之，则泵消耗 的电能就少。我们知道，离心式水泵的流量q 与泵的转速n 有关，对同一台泵而言 q 1 q 2 一咒l 疗2 ( 2 8 ) 即流量q 与泵的叶轮转速力成正比，泵的转速低，则泵的流量就少。 如果水泵要节能通过控制水泵的出口流量来进行控制，即采用变阀调整和变速 调整。 变额i 辫德特t 耋 j c m 抗曲堂鼍r 2 ， l 7 卜 调门投毒l 鳓 婚? 、 。 罗 、 h 。- 7 健 曲绕r 1 r 、 久 彳 l o f 拗嫩遮 、 z、- 么 一， 一 夕 、 g _，卜。 n 。 n 。 n 。 可见在管路特性曲线为h = 日。+ s - q 2 的系统中采用调速节能时，日。越小，节能效 果越好。反之，当日。大到一定程度时，受电机效率下降和调速系统本身效率的影响， 采用变频调速可能不节能甚至反而增加能源浪费。 3 4 3 变频恒压和变频变压变流节能效果比较 在火电厂水泵调速节能应用中，变频调速一般采用变频恒压变流量和变频变压 变流量两种。其中，前者应用得更广泛，而后者技术上更为合理，虽然实施难度更 大，但代表着水泵变频调速节能技术的发展方向。 ( 1 ) 变频恒压( 变流量) 调节 所谓恒压调节方式，就是针对离心泵“流量大时扬程低，流量小时扬程高”的 特性，通过自控变频系统，无论流量如何变化，都使水泵运行扬程保持不变，即等 于设计扬程。若采用关阀调节，当流量由q 。一q 时，则工况点由a 。变为a ：，浪费扬 华北电力大学工程硕士学位论文 程蜩；凰一日，；胡，+ 埘，。若采用变频恒压供水，则自动将转速调至n 。，工况点 处于b ，点( 参见图3 1 1 ) 。由于变频调速是无级变速，可以实现流量的连续调节，所 以，恒压调节工况点始终处于直线忙膨上，在控制方式上，只需在水泵出口设定一 个压力控制值，比较简单易行。显然，恒压供水节约了膨，而没有考虑腿。因 此，它不是最经济的供水调节方式，尤其是在管路阻力大、管路特性曲线陡曲的情 况下，尼所占的比重更大，其局限性就显而易见了。 ( 2 ) 变频变压( 变流量) 调节 变压调节方式控制原理和恒压调节相同只是压力设置不同。它使水泵扬程不确 定，而是沿管路特性曲线移动( 参见图3 1 2 ) 。 0 图3 1 2 恒压调节与变压调节工况示意图 当流量由q 。一q 。时，自动将转速调至n ：，工况点处于b ：点。此时水泵轴功率n 。 小于恒压供水水泵轴功率n 。变压调节理论上避免了流量减少时扬程的浪费，显然 优于恒压调节。 但变压调节本质上也是一种恒压，不过将水泵出口压力恒定变成了控制点压力 恒定，它一般有二种形式： 由流量q 确定水泵扬程 流量计将测得的水泵流量q 反馈给控制器，控制器根据h lh 。+ s q 2 确定水泵 扬程h ，通过调速使h 沿设计管路特性曲线移动。 但在生产实践中情况比较复杂。对于单条管路输水系统，是可以得到与之对应 的一条管路特性曲线的，而在市政供水管网中，则很难得到一条确定的管路特性曲 线。在实践中，只能根据管网实际运行情况，通过尽可能接近实际的假设，计算出 近似的管路特性曲线。 ) 由最不利点压力届确定水泵扬程 。 ： 帅 华北电力大学工程硕士学位论文 即需在管道最不利点设置压力远传设备并向控制室传回信号，控制器据此使水泵按 满足最不利点压力所需要的扬程运行，由于管道的设计、管道阀门状况的变化等随机因 素的影响，都会使实际最不利点和设计最不利点发生一些偏差，给变压调节的实施带来 困难。 3 5 凝结水泵所采用的高压变频方式的控制设计 3 5 1 凝结水泵变频后的运行方式 由于我厂每台机组配有三台容量为5 0 的凝结水泵。日常1 台备用，两台运行。 每台电机配一台变频器则不仅占地面积大，而且投资大。根据两台凝结水泵的高压 开关分别6 k v 工作i 段和6 k v 工作i i 段，采用了一拖二变频运行方式。即一台变 频器拖两台高压电动机，日常为一台运行一台热备。 一拖二变频运行方式如图3 一1 3 图3 一1 3 一拖二变频运行方式 以变频器接m 1 时工作情况进行说明。正常工作时，舟1 机组厂用6 k vi 段进线 断路器，q s l 和q s 2 、q s 6 闭合，q s 3 、q s 4 、q s 5 断开，b 凝结水泵电动机正常 工作，c 凝结水泵电动机处于热备状态。b 凝结水泵或者变频器出现故障时，撑1 机 组厂用6 k vi 段进线断路器跳开，秽1 机组厂用6 k vi i 段进线断路器闭合，并拉开 q s l 和q s 2 。变频器和b 凝结水泵退出工作进行检修c 凝结水泵工频运行。如果检 查不是变频器故障，则断开静1 机组厂用6 k vl l 段进线断路器，断开q s 6 ，接通q s 4 、 q s 5 ，然后闭合带1 机组厂用6 k vi l 段进线断路器，变频器带动c 凝结水泵进行工 作，b 凝结水泵修复后，作为c 凝结水泵的热备。其中，q s l 、q s 2 与q s 3 之间， 华北电力大学工程硕士学位论文 撑1 机组厂用6 k v i 段进线断路器与社1 机组厂用6 k vi i 段进线断路器之间有严格的 电气互锁关系，q s l 、q s 2 闭合的时候，q s 3 一定是断开的，防止电源电压直接与 变频器的输出相连；静1 机组厂用6 k vi 段进线断路器闭合的时候# 1 机组厂用6 k vi i 段进线断路器是断开的，防止备用设备检修时出现安全事故。q s 4 、q s 5 与q s 6 之 间有同样严格的互锁关系。 运行方式采用3 台凝结水泵，a 泵日常为采用工频方式运行，采用一拖二变频 方式的b 凝结水泵和c 凝结水泵由除氧器上水调节阀调节除氧器水位( 维持原控制 方式不变) ；当除氧器上水调节阀维持全开状态，利用变频装置调节b 凝结水泵或c 凝结水泵的转速，控制除氧器的水位。 3 5 2 变频器改造中与d c s 的控制结合 除氧器水位在d c s 控制系统中，采用单冲量及三冲量控制方式因除氧器容积较 大，对水位变化的反应较慢，同时除氧器采用滑压运行方式，为避免压力变化产生虚 假水位的影响设计用凝结水流量信号及给水流量信号来反映进出除氧器的水量， 并将其作为水位控制的辅助调节。 水位设定 3 1 4 计算机控制系统原理 当机组负荷小于2 0 额定负荷时，除氧器水位采用单冲量控制，用水位信号的 偏差作为调节器的输入。当机组负荷高于2 0 额定负荷时，除氧器采用三冲量控制， 用水位信号的偏差作为调节器的主控输入，主控的输出与凝结水流量的偏差作为调 节器的副控输入，用给水流量信号作为前馈信号，当给水流量增加时，前馈信号快 速反应，并增加调节器的输出，超前调节，保持水位稳定( 如图3 1 4 虚线所示) 。 进行凝结水泵变频改造后，当凝结水泵在变频运行时以变频器为控制对象；当凝结 水泵在工频运行时，以调节阀为控制对象。针对控制对象不同，在采用不同的执行 华北电力人学工程硕士学位论文 单元时，需对控制对象参数分别进行整定。 3 5 3 变频器除氧器水位控制心4 2 刀 凝结水泵变频改造后，凝结水系统的运行方式将发生改变。根据变频改造的情 况，采用变频装置凝结水泵分为工频和变频运行两种，其中凝结水泵a 维持工频运 行，凝结水泵b 和凝结水泵c 将变频运行。基于这种改造方式，除氧器水位控制变 为凝结水泵变频控制和凝结水泵工频控制运行工况下的调阀控制两种方式瞳r 2 。 正常情况下，变频凝结水泵和工频运行的a 凝结水泵运行长期投入，一拖二的 备用泵将以工频作为热备。变频运行方式分为就地控制和远方控制两种。就地控 制状态时，d c s 输出的转速命令信号跟踪变频器转速反馈；就地控制时，对变频器 远方操作无效。 在进行变频器改造时，我们设计了以除氧器水位的控制为变频器起停的逻辑， 根据日常除氧器在不同负荷下的水位，从中取测点，接入到变频器的逻辑控制输入 中。 增加凝结水泵变频器自动控制逻辑和变频自动控制除氧器水位。为了保证调节 的准确性设计为单三冲量控制，其切换可以自动完成，也可以由运行人员手动完成。 为了保证设备的安全性，在自动回路中采用p l d 算法禁升禁降功能的实现，加入凝 结水压力限制( 压力上限为2 8 m p a ，下限为1 5 m p a ) ，该功能仅在自动方式和调试过 程时起作用。 凝结水泵变频器自动控制水位逻辑说明： 三冲量：除氧器水位实测值、除氧器水位设定点、给水流量减温水流量； 单冲量：除氧器水位实测值； 禁升：闭锁升转速禁降：闭锁降转速； m a ：手动、自动； 变频器自动投入： ( 1 ) 三冲量设计：在凝结水泵变频p l c 中逻辑设定投入三冲量，按照逻辑根据 除氧气水位判定，是否启动自动变频运行。 ( 2 ) 单冲量设计：实测除氧器水位在除氧器水位设定点内，则投入自动，如果不 在设定点内，则投入手动运行。 变频器手动运行逻辑： ( 1 ) 当负荷小于2 0 时，单冲量控制，水位测量值与设定值偏差经单冲量p i d 运算输出，经单三冲量切换开关输出至手操器站( m a ) 。 ( 2 ) 当凝结水泵出口母管压力达到1 5 m p a 时，p l d 输出闭锁减。当压力大于 2 8 m p a 时，p i d 输出闭锁增加。 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 3 )当负荷大于2 0 时，三冲量控制，给水量流量经函数“x ) 运算，作为前馈 信号。主调输出，后于凝结水流量的偏差作为副调输出。经t i d 运算后经单三冲量 切换开关输出至手操器站( m a ) 输出至变频器。当不在三冲量控制或者凝结水压 力高于2 8 m p 或低于1 5 m p 时，主调输出跟踪实际凝结水流量，副调输出在自动化 状态时跟踪手操器( m a ) 输入信号，在手动时跟踪手操器输出信号。 ( 4 ) 无论单、三冲量，当除氧器水位信号坏质量时，强制手动，变频器手动时， 设定跟踪测量值。 变频器运行逻辑 ( 1 ) b 凝泵变频运行故障跳闸联启c 凝泵工频逻辑由变频器p l c 实现。 ( 2 ) 当凝泵任一以变频方式运行时，除氧器液位调阀全开，不起调节作用， 除氧器水位由变频器调节。 ( 3 ) 当凝泵工频运行时，除氧器水位由除氧器液位调阀调节。 ( 4 ) 凝泵d c s 原来的跳闸逻辑保持不变，新增加凝泵变频器调节除氧器液位逻 辑、修改凝泵出口母管压力低联启备用泵的定值， ( 5 ) 在d c s 画面上增加凝泵启动画面，增加相应的操作端。 图3 1 5 凝结水泵变频器自动控制水位逻辑图 3 1 华北电力人学：【程硕士学位论文 第四章凝结水泵变频器的应用及改造后的节能分析 本章将阐述高压变频调速技术在包头第三热电厂# l 机组凝结水泵变频改造中 的应用情况，并对改造后的节电效果和存在问题进行分析。 4 1 凝结水泵变频改造 包头第三热电厂对# 1 机组凝结水系统做了改造。对凝结水泵的电动机进行了 一拖二变频改造。变频器装设位置为# 1 机组汽机厂房凝结泵电机旁。 表4 1 凝结水泵电动机的参数 电机型号y k k l 4 5 0 4额定电压 6 k v 额定功率 5 0 0 k w 转速 1 4 8 5 r m i n 额定电流 6 0 1 a 绝缘等级 f 生产厂家湘潭电机厂 我厂采用北京动力源科技股份有限公司生产制造的一套h i n v 型高压变频调速系统 对凝结水系统进行变频改造。 依据一拖二的变频设计，带有旁路系统设计，当变频器出现严重故障或检修期间， 可以通过手动方式将凝结水泵运行模式切换到工频状态。 h i n v 高压变频器由控制柜、单元柜组、变压器柜组、旁路柜组组成。 表4 2 变频系统技术参数 序 规范参数备注 号 1使用标准g b l 2 6 6 8 系列及d v r 9 9 4 2 0 0 6 6 2 型式及型号h i n v 一6 6 3 0 b 3 供货商及产地北京动力源科技股份有限公司 4安装地点 室内 5技术方案多级模块串联，交直交、高一高 6对电动机要求普通鼠笼式异步电机 华北电力大学工程硕士学位论文 序 规范参数备注 号 7额定输入电压允许变化范围 电压波动不超过一2 0 9 6 + 1o 8单元输入电压7 5 0 9输入功率因数0 9 5 ( 2 0 负荷以上) 1 0系统输出电流谐波4 1 1输入额定电压3 相5 0 6 0 h z ，6 k v 1 2额定容量4 0 0 5 3 0 0 k v a 1 3额定输入频率允许变化范围 频率波动不超过2 1 4输出电压范围0 6 k v 1 5输出频率范围0 5 0 6 0 h z 1 6输出频率精度 0 1 1 7输出频率分辨率 0 0 5 h z 1 8输出电流谐波 4 柜门操作视窗控制器或d c s ( 用户自 1 9 起停控制 选) 2 0控制系统 d s p 2 1控制系统供电电源 三相5 0 h za c 3 8 0 、a c 2 2 0 或d c 2 2 0 2 2 面板操作 8 键盘 面板控制、d c s p l c 系统控制和计算 2 3控制模式 机远程控制 过压、欠压、输入缺相、驱动、超温、 2 4功率单元保护 通信等 变频器输出过载、输出短路、冷却风 2 5系统保护扇故障报警、门开关联锁保护、变压 器过热报警、变压器过热跳闸 2 6开关量输入 3 2 路 2 7开关量输出 2 4 路 2 8模拟量输入 6 路，4 2 0 m a 4 路，o l o v2 路 3 3 华北电力大学丁程硕十学位论文 序 规范参数备注 号 2 9 模拟量输出 5 路，4 2 0 m a3 路，0 1 0 v2 路 3 0通信接口 r s 2 3 2 r s 4 8 5 r j 4 5 3 1 通信协议 m o d b u s 、p r o f i b u s 和t c p i p 等 3 2 设备总噪声 8 0 d b 3 3装置内部接地电阻 4q 3 4 冷却方式 强迫风冷或水冷 3 5 防护等级 i p 3 1 3 6柜体型式 g g d 组合型 含旁路柜 3 7进出线方式 按用户要求 现场安装从现场原高压电源柜取电源点连接到变频器系统的旁路柜输入刀闸，旁路 柜输出刀闸连接到现场电机。进出线方式为下进下出。电机为普通异步电机，电缆为铠 装高压电缆，变频器对电机和电缆没有特殊要求。 高压开关控制信号输出2 路( 接至用户原高压丌关柜) 。 高压合闸允许信号、高压开关紧急分断信号。旁路柜隔离刀闸主触头触点容量： 6 k v ，4 0 0 a ；辅助触点容量：3 8 0 v ，5 a 。 变频器输出端没有变压器，变频器输出波形为j 下弦波，不需要额外增加输出滤波器。 变频器在控制信号或反馈信号失去时，能够保持原来的工作方式不变，并且发出报 警提示。 4 2 变频器的控制方案 拟采用的控制方式：变频控制( 就地以及远程d c s 两种控制方式) 。 就地控制方案：操作面板控制；( 就是说用户可以通过变频器设备上的人机交互视窗 对变频器进行启动、停止、加减频率等控制，同时可以对设备的各种运行参数加以设定， 并且可以查询系统的各种运行状态及故障报警等信息) 。 远程控制：采用上位机或d c s 控制，通过上位机或者d c s 对变频器实现启动、停止、 调节频率等控制，也可以监测到变频器的各种状态信息，如电机运行电流、运行频率、 报警故障状态等等。 运行人员可通过d c s 画面直接对变频器进行控制起停、切换，变频装置的投退。 d c s 输出到变频器的开关量控制信号( 3 个干接点) ：变频器启动指令信号、变频器 停止指令信号、变频器紧急停止指令信号。 华北电力大学工程硕士学位论文 变频器输出给d c s 的开关量状态信号( 6 个干接点) ：包括变频器高压合闸允许指 示、变频器高压准备就绪、变频器运行待机状态、变频器报警状态、变频器故障状态、 变频工频运行状态、频率到达状态、申请运行指示、变频器远程就地状态指示、旁路 柜刀闸状态指示。 变频器输出给d c s 的模拟量信号包括：变频器运行频率、变频器运行电流、变频器 运行电压。 变频器的运行控制方式： ( 1 ) 针对凝结水泵负载，以除氧器水位及凝结水母管出口压力为控制对象的闭坏 控制：以输入4 2 0 m a 模拟量为控制依据，实现自动控制。 ( 2 ) 以转速为控制对象的开环控制：该方式在远程操作( d c s 或远程操作箱上操作) 运行人员可根据工况条件自设定转速，变频以该转速为控制值，该方式下频率的变化依 据运行输入的模拟量，4 m a 对应0 转速，2 0 m a 对应额定转速。 ( 3 ) 以频率为控制对象的开环控制：该方式在就地操作( 设备本体上操作) ，直接 从触摸屏上设置输出频率，变频器以该频率为控制目标。 以上三种控制方式用户可通过人机界面( 触摸屏) 设置，以满足不同工况要求。 4 3 凝结水泵变频控制系统的投运 除氧器上水调门手动置于可靠位置，合变频凝结水泵6 k v 开关，投入凝结水泵变频 运行，并手动控制变频器和除氧器上水调门上水，当除氧器水位接近正常维持水位时， 投入变频器自动，缓慢手动除氧器上水调门至某一开度( 上限1 0 0 ) 。维持正常水位控 制，备用凝结水泵投入备用。 4 4 正常凝结水泵的切换 ( 1 ) 凝结水泵变频控制切至备用凝结水泵工频运行，并保持变频自动控制方式， 手动慢关除氧器上水调门，当凝结水变频电流达到工频电流( 或变频转速达到工频 转速) 时，退出凝结水泵变频自动，投入除氧器上水调门自动，水位稳定后，手动 停止凝结水泵运行。 ( 2 ) 将备用凝结水泵工频运行切至变频运行。维持除氧器上水调门在自动控制 方式，手动启动变频凝结水泵，并缓慢手动将变频转速升至工频转速，手停备用凝 结水泵，水位稳定后，将除氧器上水调门切为手动控制方式，投入凝结水变频自动 控制，缓慢将除氧器上水调门开至某一开度( 上限为1 0 0 ) 。 ( 3 ) 变频凝结水泵工频运行切为备用凝结水泵工频运行。该运行方式的切换维 持改造前的方法，即除氧器上水调门在自动方式，手动启动备用凝结水泵，待电流 华北电力人学工稃硕十学位论文 稳定后停运变频凝结水泵。 ( 4 ) 将备用凝结水泵工频运行切为变频凝结水泵工频运行。该运行切换方式维 持改造前的方法，即除氧器上水调门在自动控制方式，手动启动变频凝结水泵，待 电流稳定后停备用凝结水泵。 4 5 异常切换 ( 1 ) 凝结水泵变频运行切至备用凝结水泵工频运行。如果因为电机故障跳闸， 可以利用正常切换方式启动一拖二变频控制由旁路功能所带动的另一台凝结水泵。 如果因变频器运行中出现故障跳闸，备用泵自动联启，同时逻辑连锁将除氧器上水 调门强制于一个与当时负荷( 总给水流量) 对应的开度；强制指令维持1 0 秒，之 后通过运行干预，待水位稳定后，投入除氧器上水调门自动。 ( 2 ) 将备用凝结水泵工频运行切至变频凝结水泵工频运行。当备用凝结水泵自 动工频联启，并维持工频运行；当备用凝结水泵故障排除后，将变频凝结水泵的运 行方式切回变频控制方式。具体方法为：手动启动备用凝结水泵，待备用凝结水泵 电流稳定后，停用变频凝结水泵；启动变频凝结水泵，并手动调整至变频凝结水转 速达工频转速( 或凝结水泵变频电流达到工频电流) ，停运备用凝结水泵并投入备 用；水位稳定后，除氧器上水调门切为手动控制方式，投入凝结水泵变频自动，缓 慢将除氧器上水调门开至某一开度( 上限为1 0 0 ) 。 4 6 控制画面设定及运行操作 ( 1 ) 在凝结水泵控制画面增加m a 手操站，由运行人员进行变频装置的投退。 ( 2 ) 在凝结水泵控制画面增加自动控制站，由运行人员进行变频自动调节投退。 ( 3 ) 在凝结水泵控制画面增加以下状态报警：凝结水泵变频器轻故障报警、重 故障报警、凝结水泵变频器待机状态、变频器运行状态、变频器停机状态、电机在 工频旁路状态、变频器控制在远方、变频器启动指令、变频器停机指令。 ( 4 ) 在凝结水泵控制增加以下模拟量：变频凝结水泵d c s 频率给定、变频器 输出频率、变频器输出电流。 4 7 变频器运行的日常巡检和维护 ( 1 ) 日常检查滤网是否清洁，如滤网堵塞，须及时清洗或更换，保证变频器 的散热效果。 ( 2 ) 检查变频器是否有故障和报警信息。 ( 3 ) 检查凝结水泵电动机是否声音异常。 华北电力大学_ t 程硕十学位论文 ( 4 ) 检查触摸屏的变频器输出电压、输出电流是否平衡。 ( 5 ) 检查变频器冷却风机运行是否正常。 4 8 凝结水泵变频改造后的运行分析 # l 机组凝泵变频装置投运后，在不同负荷率下记录了耗电量，与原来工频运 行相比，我们记录在不同负荷下的节电效果。 表4 3 # l 机组凝泵变频节电效果统计 凝泵出凝泵合计节能 口压力 压力负荷同负荷率比 占厂用电节电率 ( m p a )( m w )较每小时节率 约电能k w h 1 81 8 24 6o 0 0 3 5 2 o2 4 09 4 50 0 0 4 1 5 2 42 6 02 6 2 0 0 l4 2 8 i 2 42 9 01 8 70 0 10 2 2 从表4 3 可以看出，变频改造后节能的效果并不是我们想要的结果，最好的情 况下节电率达到2 8 ，和理论分析相差甚远。为了能够更进一步达到节能的效果， 我们采取变流量变压力变频率试验，达到了预想不到的结果。 # l 机组的凝结泵的电机投入变频运行，在保证机组安全运行的情况下，进行试 验调整，在调试工作之前，进行了如下保护优化：将低旁减温水压力低保护动作值 由1 5 b a r 改为1 0 b a r 。将给水泵密封水差压低保护延时5 s 跳给水泵，改为延时4 m i n 跳给水泵。将凝泵出口压力低于1 5 b a r 联动备用泵，改为出口压力低于1 0 b a r 联动 备用泵。 上述工作由热工进行更改后，控制凝结水上水调门在5 5 左右，同时观察给水 泵密封水的压差和调门开度保证小于6 5 。 在试验过程中，当时# 1 给水泵运行，当凝升泵出口压力在1 2 m p a 时，# 1 给水 泵密封水调门的开度6 4 ，压差2 2 0 k p a ，备用给水泵的密封水调门开度均小于5 0 ， 且压力差2 5 0 3 0 0k p a ，完全能保证给水泵的j f 常运行。 结论，根据以上试验，我们选择凝泵尽量保持低出口压力