李海濤（1980－）

男，現任天津大唐國際盤山發電有限責任公司設備工程部熱工專業技術員。曾參與華北地區第一臺600MW火力發電機組大修工作，在機組維護期間進行了汽包水位測量方式改造、火焰監測裝置改造、OIS改造、凝結水泵變頻改造等工作并取得良好的改造效果。

摘要：本文介紹了火力發電廠凝結水泵采用一拖二變頻控制的設計思路、方案實施、控制參數的整定及試驗。由于采用一臺高壓變頻器分別帶動兩臺凝結水泵，正常工況時變頻器帶動一臺凝結水泵運行，當凝結水泵或者變頻器跳閘后，立即以工頻方式聯啟另一臺凝結水泵并自動將除氧器上水調整門投入自動方式運行，不但確保了除氧器水位的穩定，降低了改造費用，而且取得了明顯的節能效果，在社會大力提倡節能增效的今天，是一種值得推廣的改造方案。

關鍵詞：凝結水泵；一拖二；變頻器；節能

Abstract: This paper describes various aspects about technology application into thermal power plant condensate pump, which includes designing, implementation adjustment and testing of control parameters, the technology is about two pumps driven by shared one converter and it works in this way: the converter powers one condensate pump in normal working conditions, but when the condensate pump or converter tripped, the converter will actuating the other pump immediately on working frequency, at the same time. It will set the water adjusting door of deaerator on the auto-run mode automatically. As result, the water level of deaerator can be stabilized and transformation cost can be lowered, besides, the obvious effect of energy saving can be achieved. So, it is worthwhile to promote this transformation mode in a society which advocates energy conservation and efficiency improvement. 

Key words: condensate pumps；two pumps driven by shared one converter；converter；energy conservation

1  火力發電廠凝結水泵的結構與現狀

    凝結水泵是發電廠凝結水系統的重要設備，單元機組中共有兩臺凝結水泵，以一用一備的方式將凝汽器中的凝結水經過除氧器上水調節門送入除氧器水箱。傳統的凝結水泵大多采用工頻運行方式，在凝結水泵出口通過兩個并列且不同大小的調整門控制除氧器上水流量。正常負荷時，30%調整門全開，依靠70%調整門控制除氧器的上水量。如圖1所示。

   
 
                                   圖1   凝結水泵控制系統圖

    雖然機組設計采用30%調整門全開的方式來消除截流，但是70%調整門的截流損失依舊很大，這導致凝結水泵運行經濟性差，當機組非滿負荷運轉時，由于截流而損失的能耗更高；不僅如此，由于截流作用產生的劇烈振動，也使管道、閥門等設備處于惡劣的運行工況之下，使用壽命大大縮短。安裝在調整門上的ABB公司TZID-C智能定位器，由于振動引起的反饋桿脫落甚至定位器損壞的故障屢見不鮮，多次更換、維修定位器更是提高了生產成本。所以，這種控制方式很不經濟，需要在保證機組安全生產的情況下，進行技術改造，來提高運行的經濟效益。

    近年來，我國已對變頻調速技術進行了深入的研究, 通過變頻調速裝置可以使轉動設備處于最經濟的運行狀態, 大大提高運行效率, 達到節能的目的。變頻技術在中、小型設備, 如給煤機、給粉機, 中、小型風機、水泵及其它領域都得到了廣泛的應用。2008年，公司決定進行技術改造, 使用一臺高壓變頻器帶動凝結水泵向除氧器上水，運行效率大大提高, 從而達到節能的目的。由于只使用了一臺變頻器，在完全勝任變頻調節任務的情況下，設備改造成本也降低了一半之多，只需在邏輯控制上加以調整，則完全可以保證凝結水系統安全、穩定、高效的工作。

2  一拖二變頻改造的設計思路

    凝結水泵變頻改造要在保證除氧器水位調節品質不變并可以在掉泵、斷水事故發生時做出正確反應的前提下進行升級改造。改造利用現有的設備與系統，在原兩臺凝結水泵上，加裝一臺高壓變頻器，正常使用時通過高壓變頻器帶動一臺凝結水泵運轉，另外一臺凝結水泵則不通過高壓變頻器而直接工頻方式備用，當高壓變頻器跳閘后，備用凝結水泵以工頻方式立即啟動，將凝結水打至出口母管，以保證在變頻器跳閘時除氧器上水的穩定。

    在凝結水泵的出口，使用大小兩個氣動調整門將母管分成并列的兩個管道向除氧器上水，即30%和70%除氧器上水調整門。兩個調整門的開度由除氧器上水調整門調節站總指令計算出。一臺凝結水泵工頻運轉時，出口壓力高、流量大，所以這兩個門不能同時全開，一般工況下，30% 調整門全開以減小截流損失，依靠70% 的調整門進行截流調節。此次變頻改造目的是希望能通過變頻器調節轉速來保證除氧器上水量，而兩個調整門全開以減少調整門處的截流損失。所以在使用變頻器上水時，設計除氧器上水調整門調節站給出95%的總指令。95%的位置既可以使得調整門的截流損失最小（實驗證明，95%-100%的調整門開度，對應的凝結水泵電流變化為1A-2A，所以95%位置可視為全開，且截流損失最小），也可以使得調整門關閉的響應速度最快。

    同時，在正常工況下調整門處于全開位置，如果發生變頻器故障瞬間，另一臺凝結水泵瞬間啟動，大量的凝結水通過幾乎全開的調整門，那么除氧器水位將很難保證，所以，必須在變頻器故障跳閘的瞬間關除氧器上水調整門到合適的位置，才能阻止凝結水瞬間大量涌入除氧器。這個合適位置的計算需要通過運行人員的經驗值曲線試驗得出。

    公司采用了ABB公司的Symphony 分散控制系統（DCS）作為機組的主要控制平臺，邏輯功能、畫面修改等主要操作，均通過Symphony 系統軟件的組態模塊設計實現。利用組態軟件的智能PID、特性表、操作站、邏輯塊等功能模塊實現對凝結水兩個調整門復雜的控制功能及調節過程，最終達到在變頻運行時除氧器水位的穩定控制。

3  一拖二變頻改造的方案實施

3.1 一拖二變頻的電氣開關邏輯控制

    圖2顯示了凝結水泵采用一拖二手動工/變頻切換控制方案。

      
                       
                            圖2   一拖二手動工/變頻切換控制方案

    所謂一拖二手動工／變頻切換方案，是指#1、#2凝結泵共同采用一套變頻調速裝置，可以帶其中任意一臺設備運行。QF1、QF2為兩個高壓合閘開關，QS2和QS3之間、QS5和QS6之間存在完全機械互鎖；QS1和QS4之間、QS2和QS5之間均存在電氣閉鎖和邏輯閉鎖關系，防止變頻器輸出側與6kV電源側短路等嚴重事故。該方案在滿足凝結泵一用一備運行方式的前提下，提高了變頻設備的利用率，從而保證系統具有良好的節能效果。同時，系統可以通過高壓隔離開關QF1、QF2，通過倒泵操作實現兩臺凝結泵運行方式的轉變。

    正常狀態時，通過運行人員就地倒閘實現對#1、#2號凝結水泵的工、變頻選擇，當QS1和QS2閉合時，QS3被機械互鎖為斷開方式，#1凝結水泵即為變頻方式待機狀態，當運行人員發送啟泵指令時QF1高壓合閘開關閉合，電路接通，此時#1凝結水泵變頻運行。同時手動倒閘QS4和QS5處于斷開狀態，QS6閉合，#2凝結水泵工頻備用。當倒泵指令發出或者變頻器發生故障時，QF1斷開，QF2閉合，從而無擾切換至#2凝結水泵工頻運行狀態。

3.2 變頻器故障時調整門動作過程

    正常運行時一臺凝結水泵變頻運行，另外一臺凝結水泵工頻備用，當變頻運行時除氧器上水調整門總指令強制跟蹤位置為95%，變頻器通過輸出頻率的改變來調整凝結水泵的轉速，從而通過控制凝結水泵到除氧器的上水量，保證除氧器水位穩定在運行人員的設定值范圍內。當水位發生波動時，通過DCS組態中以凝結水流量、主給水流量、除氧器水位三個參數構成的串級回路，輸出轉速指令至變頻器，調整凝結水泵的上水量，以穩定除氧器水位。

    當就地設備發生故障，例如變頻器發“重故障報警”或者凝結水泵突然跳閘等故障發生時，故障信號觸發“凝結水泵變頻運行非計劃停運”條件，當前凝結水泵的高壓合閘開關斷開，并閉合另外一臺工頻備用凝結水泵高壓合閘開關，備用泵工頻啟動。當工頻泵啟動的瞬間，除氧器上水調整門開度仍然在95%位置，凝結水上水量會因此猛增，所以此時除氧器上水調整門必須立即做出反應才能保證除氧器水位不出現大的擾動。如果采用PID控制調節，不但調整過程緩慢，而且非常容易發生超調，甚至引起系統震蕩。經過仔細的研究計算，在工頻泵啟動的瞬間，除氧器上水調整門開度只有立即強制跟蹤預先給定的位置，才能使系統產生的擾動影響最小。這個位置應該選取“負荷開度計算值”，即由當前的負荷指令計算出調門通常應處于的開度，這個開度也是工頻正常運行時調整門的理想開度值。當調整門關到功率計算值位置并且穩定后，凝結水調門控制站再自動投入自動控制，從而完成整個凝結水變頻故障的無擾切換。

3.3 變頻器PID控制參數整定及試驗

    Symphony控制系統PID調節組態模塊的參數由K、KP、Ki、Kd等組成，分別構成系統的增益系數、比例系數、積分常數、微分常數來對調節品質進行修正。除氧器上水變頻調節站以給水流量為前饋，除氧器水位為調節對象的主PID調節回路，輔PID調節回路中凝結水流量作為調節對象。試驗開始用原有的三沖量（三沖量調節即以凝結水流量、給水流量、除氧器水位三個模擬量為調節量的調節方式）參數進行調節試驗，三沖量調節中，變頻器的調節由主、輔兩套PID功能塊實現，分給主輔兩個分調節站，主站調節除氧器水位偏差，當水位信號與給定值發生偏差時候，調節站能立刻做出調節。該主站同時引入了給水流量作前饋，當機組負荷發生變化時，給水流量會很快做出反應。用給水流量做前饋可以降低系統響應時間，防止除氧器水位波動過大。

    變頻調節定值擾動：試驗前，首先記錄了主調回路的K、KP、Ki、Kd參數分別為：0.03、2.8、0.25、0.05；機組工況為：機組負荷450MW、調整門開度穩定在95%。試驗中，當給出 -100mm的擾動時，系統水位曲線發生了周期性震蕩，偏差在30分鐘內無法自動調節到穩態，周期性震蕩明顯，水位變化范圍在125mm之間，立即停止試驗。

    從水位曲線上可以分析出，應該適當的增大積分環節與比例系數，來增強積分作用，消除靜態偏差，微分作用應當放小，避免超調引起的震蕩發生。將主調回路K、KP、Ki、Kd參數逐漸調整到：0.047、4.86、0.32、0.01，同時增大輔調強度，加快輔調節回路對凝結水系統內擾的抵抗能力。通過多次修改參數后，得到的調節效果如圖3所示。

     

                                     圖3   水位調節曲線圖

    變頻器跳閘切換擾動：#2凝結泵變頻自動投入情況下，模擬變頻器事故跳閘。系統聯鎖自動啟動#1工頻泵運行，凝結水調節變頻自動切換至除氧器上水調整門控制并自投自動。整套動作在由DCS自動完成，穩定時間控制在一個周期內；水位最大波動幅值140mm，小于150mm合格的要求；穩定時間6分45秒，滿足10分內穩定的要求。這說明通過定值擾動得到的參數值符合變頻器跳閘切換擾動的試驗要求。試驗曲線如圖4所示。

                             圖 4   變頻器跳閘切換擾動的試驗曲線圖

3.4 雙站控制的相互跟蹤與無擾切換

    “控制站”是運行人員操作的基本對象，對調節型的閥門尤為重要。在“控制站”中可以實現閥門的手動開度控制、控制對象的設定值、自動/手動投入選擇、偏差設置、調整門反饋顯示等多項控制功能。在除氧器水位調節中，同時有除氧器上水調整門控制調節站和變頻器轉速控制調節站兩個“控制站”。兩個“控制站”均以除氧器水位為調節對象，進行閥門開度或者變頻器轉速的調節控制。

    要保證雙站能夠正常調節，必須保證同一時刻只能有一個調節站在工作，否則兩個調節站共同作用調節除氧器水位，必將出現作用過強的現象并引起過調，使除氧器水位發生震蕩。

    解決辦法是：當變頻器投入自動時，變頻器自動有效信號同時接入除氧器調整門強制跟蹤指令，強制調整門開到95%位置，限制了調整門的調節作用，此時依靠變頻器的PID調節回路對除氧器水位進行調節；當除氧器上水調整門投入自動時，限制變頻器 “控制站”強制手動，防止變頻器自動調節，帶來水位擾動，此時在變頻器轉速手動的情況下，依靠除氧器上水調整門的開度對除氧器水位進行調節。

    因為控制采用雙站調節，所以除氧器水位設定值也有兩個值，當水位控制回路自動進行切換時，將造成人為的水位定值擾動。為了解決這個問題，我們使用了Symphony系統的“控制站”模塊的反饋值跟蹤功能，該模塊的S29輸入端輸入為0后，當控制站位于非自動狀態時，控制站水位設定值跟隨當前的水位反饋值，在切換的瞬間水位設定值就是當前的水位真實值，從而解決了雙站切換的定值擾動問題。

3.5 凝結水泵出口壓力低，聯泵條件的修改

    當凝結泵變頻運行過程中，出現泵體斷軸、凝結水母管泄漏、變頻調節失靈不能跟蹤等異常情況時，由于流量突然失去，變頻輔調PID將由于凝結水流量的突變而迅速將指令增至95％以上，此時指令大于95%的條件與凝泵出口母管壓力低的條件，共同觸發母管壓力低保護動作，將另一臺凝結水泵聯啟以維持壓力。伴隨著另一臺凝結水泵的工頻啟動，凝結水母管壓力瞬間升高，而除氧器上水調整門此時還在95%位置，所以工頻泵啟動后，除氧器上水調整門將立刻強制跟蹤到當前功率設定值以穩定除氧器水位，12秒后調門調節站自投自動進行調節。（此過程與變頻器跳閘試驗的過程類似。）

4  凝泵一拖二變頻改造經驗總結

    在整個改造項目中，機組的穩定運行是改造成功的前提條件，在邏輯設計之初，除了充分考慮變頻器調節保持除氧器水位穩定的同時，還考慮到了其它各種擾動給機組帶來的影響，有包括變頻器跳閘切工頻的邏輯，雙站自動切換時的無擾切換，當凝結水泵母管壓力低時聯啟工頻泵等的邏輯組態，都是以穩定除氧器水位為原則設計的。

    在機組50%負荷凝結水變頻泵跳閘試驗時，通過對變頻泵跳閘瞬間凝結水流量的研究發現，在第12秒調整門PID調節站投入自動的瞬間，即凝結水流量從大流量到小流量的變化瞬間，此時流量曲線斜率（曲線示意可參照圖4），導致PID輸出參數也非常大，很容易出現PID的超調，這個時候投自動會對系統的擾動很大。研究發現，如果功率經驗值足夠精確，通過將調整門置于強制跟蹤位可以使凝結水泵切換時擾動最小。通過試驗，將調整門強制跟蹤功率經驗值的時間從12秒延長至25秒后，調門投入自動的瞬間PID參數輸出值明顯變小，從而真正實現了凝結水變頻泵跳閘的無擾切換，為機組穩定運行奠定了可靠的基礎。

    這次改造后投入運行，各項測試性能指標良好。兩個調整門截流噪音及震動明顯減小，凝結水泵電流節約50% ~ 80%，除氧器上水壓力由3.7MPa下降到1.2MPa，特別是低負荷的時候，凝結水泵電流由原來的200A降低到60A 左右，節能效果十分明顯，為公司的節能工作做出了杰出貢獻。