热电厂循环水泵高压变频调速控制系统研究和实现

　　0引言
　　
　　循环水系统是火力发电厂的“血液”，其性能直接影响发电机组的出力。茂名热电厂原设计2台100MW机组运行时3台循环泵并联供水，约30000m3；1台100MW机组满负荷运行时，1台泵供水不能满足机组运行要求，当电网调峰负荷较低时，1台泵供水能满足要求，但因水压偏低，冷油器的供水量不能保证。一般情况下，1台100MW机组运行，都是2台泵供水，出口压力为0.088MPa～0.090MPa。正常情况下，1台循环泵供水时机组可带600MW左右负荷。为了节约厂用电和提高电厂自动化水平，对循环水泵采用变频调速。本文设计并研制了循环水泵的高压变频调速控制系统，提出并实现了循环水系统“*真空”的控制策略。
　　
　　经过论证，采用“高—高”式高压变频器对4号机组循环泵进行调速：当2台100MW机组满负荷运行时，3台泵并联供水，变频器不调节运行；当机组调峰低负荷运行时，变频器调节运行；当1台100MW机组单独满负荷运行时，2台泵运行，变频器调节运行；当冬春季节，机组调峰运行时，若能做到1台泵供水，变频器可退出运行。
　　
　　循环水量的调节范围大小，目前除受机组负荷影响外，还受冷油器运行状况的制约，而且循环水泵启动开关与出口阀无联动装置，各自独立运行。变频调速后，要求变频器调节切换到市电控制的过程是动态、无级的。循环水系统的控制参数为：流量、水压、前池液位、进出水渠的液位、汽机负荷、真空。由于循环水泵为一恒功率负载，“*真空”控制器根据汽机负荷、真空的变化不断调整循环水量，保证“*真空”，使汽机的效率*。这样，不但节约了厂用电，而且提高了电厂自动化水平，达到了火电厂节能降耗的目的。
　　
　　1循环水系统工作原理
　　
　　茂名热电厂4号机组的循环水系统结构如图1所示。系统基本参数为：循环水泵型号为40ZLQ50，流量8460m3/h～12200m3/h（-8°～-20°），扬程10.5m～12.2m，转速585r／min；驱动电机型号为JSLl5-10M，额定功率480kW，额定电压6kV，额定电流61A，实际工作电流59A～62A，电机接线方式为Y型，功率因数0.77，绝缘等级为B；现场环境为温度0～40℃，湿度97％。　　
　　循环水泵系统自1997年底改造成全闭式循环后，实行二级循环通水。机房前循环水泵出口压力为10m～12m水柱，从进水渠打人凝汽器，排水人出水暗渠，回到冷却塔升压水泵前池，由升压水泵提压后（出口压力16.9m水柱）送上冷却塔，经降温（9℃～12℃）后的冷却水从水渠又回到机房前循环水泵人口，打人凝汽器，这样不断循环。
　　
　　循环水泵的运行主要由8m控制室远方操作控制其启、停。循环水泵及凝汽器进出口门也由远方控制开启、关闭及调节。循环水与升压水系统的水量平衡控制表现在进水渠与回水渠的水位调节上，关键点是升压水泵进水前池水位要比溢流堰标高低，产生热水溢流，影响运行的经济性。水量（即水位）的平衡调节主要是根据机组运行需要的水量，利用泵的运行方式组合和凝汽器的排水门来粗调，由汽机运行班长根据表盘水位的批示值下指令执行，因无法细调，难以达到水量平衡。升压水泵系统是茂名热电厂循环水系统的后置部份，设置有3500m2和5500m2冷却塔升压水泵，其控制启、停由运行人员通过表盘远方操作。12000HLCQ3.25-17升压水泵出口设置有储能式液压（油压）逆止门，开泵时先合上开关，联动出口逆止门开启后，水泵电机再启动。停泵也是这样，目的是防止水泵倒转。
　　
　　2高压变频调速系统
　　
　　高压变频调速主要有以下优点：
　　
　　a．软启动，即启动电流从0缓慢升至额定值，可减少对电网冲击及机械设备的损耗；
　　
　　b．现代变频器都采用半导体模块及其驱动器和控制模块，元器件数量少、可靠性高，变频器的故障率低，即使发生了故障，也能自诊断并显示其故障原因，以便及时排除；
　　
　　c．变频器都留有标准接口，以备与微型机系统联接，实现优化运行；
　　
　　d.小变频器的保护功能齐全，能从电流、电压、温度等多方面对电机进行保护。
　　
　　高压变频调速系统采用直接高—高方案和美国ROBICON（罗宾康）公司的无谐波高压变频器（480kW/6kY），变频器能对一台循环水泵进行动态投入、调整、退出；在8m控制室或就地控制盘实现对变频器的远方调整操作；变频器装置安装在备用泵上，现场的安装、接口、调试时间相对可安排得长一些；目前循环水泵启动开关与出口阀门无联动装置，各自独立运行。变频器调节切换到市电控制的过程是动态、无级的。
　　
　　茂名热电厂处于华南地区，由于特殊的地理环境，对高压变频器的环境适应性有着特殊的要求；
　　
　　a.湿度要求：华南的潮湿气候要求高压变频器能够在至少98％湿度的环境下运行；
　　
　　b.温度要求：高压变频器要保证能在技术指标规定的温度极限下长期连续满负荷运行；
　　
　　c.气体要求：高压变频器的运行环境对各种粉尘等有严格要求。
　　
　　3控制系统功能
　　
　　循环水泵控制系统的结构如图2所示。控制器由PLC（可编程控制器）系统和IPC（工业控制计算机）系统组成，控制系统安装在循环泵房控制室。运行员可选择在主控室（远方）、PLC控制柜（就地）和IPC上位机对循环泵系统进行操作。　　
　　循环水泵控制系统主要的工作方式有以下几种：
　　
　　a．2台100MW机组同时运行，循环水3台泵并联供水，升压水泵3台泵运行，调整泵的组合方式与之对应，保持水位大致平衡。
　　
　　b．一台100MW机组停运，另一台100MW机组运行，由于目前配置的冷油器安装标高较高，需保证一定的进水压力，维持其冷却效果，因此仍需2台泵运行，即使是低负荷调峰，也是如此。
　　
　　c．安装变频器调速调节后，调峰和2台泵运行时始终有1台水泵采用变频驱动，其他情况变频调速系统可以退出或选用。
　　
　　控制系统将根据汽机负荷、真空的变化，通过控制循环水泵、升压水泵的不同组合和使用高压变频器控制循环水泵的出力来不断调整冷却循环水量，保证在冷、热水池不溢流的前提下控制发电机组凝汽器的真空度为*，实现节能的目的。
　　
　　循环水泵控制系统各种运行方式中的注意事项及参数如下：
　　
　　a.循环水泵和升压水泵流量要基本达到平衡，避免热水溢流至冷水渠。
　　
　　b.保证冷油器有一定的进水压力。
　　
　　c.正常情况下，1台循环水泵供水机组可带60MW左右负荷。当2台100MW机组满负荷运行时，3台泵并联供水，变频器不调节运行；当机组调峰低负荷运行时，变频器调节运行；当1台100MW机组单独满负荷运行时，2台泵运行，变频器调节运行；当冬春季节，机组调峰运行时，若能做到1台泵供水，变频器可退出运行。循环水量的调节范围大小，目前除受机组负荷影响外，还受冷油器运行状况的制约。
　　
　　d．改造后的循环水泵不可能只运行于调节状态。
　　
　　e．循环水泵的控制参数为：流量、水压、前池和进出水渠的液位。
　　
　　f．水泵的年平均运行时间约为5500h。
　　
　　g．冷、热水池堰堤的标高29．2m；凝汽器真空测量用真实表。
　　
　　h．控制系统能提供反映升压水泵流量、前池水位、水渠水位、循环泵流量、凝汽器冷却水需量、真空等信号及指示值，能指导循环水、升压水系统的运行操作。
　　
　　3.1PLC系统的功能
　　
　　PLC实现循环水系统*节能控制器的所有逻辑控制功能。PLC系统实现的主要功能如下：
　　
　　a．实现循环泵及其附属设备的启、停程序控制；
　　
　　b．实现循环泵出口门、联络门等的开、关程序控制及联动功能；
　　
　　c．实现温度、水位等保护的三选二控制逻辑，在保证“真空*”的前提下，控制变频器使热水池不溢流；
　　
　　d．实现重要故障的记忆逻辑功能；
　　
　　e．PLC系统失电、IPC上位机死机和重新启动时应不影响系统控制逻辑；
　　
　　f．控制系统预留出与DCS通信的标准接口；
　　
　　g．系统出现故障信号，要在PLC控制柜、IPC和主控室都有声光报警。
　　
　　3.21PC系统的功能
　　
　　IPC系统实现的主要功能是操作、记录、显示和查询等管理功能：
　　
　　a．通过IPC进行各泵的启、停及阀门的开关操作；
　　
　　b．系统图是运行人员监视和操作设备的主画面；
　　
　　c．在系统图上点击某设备进行操作，要有是否满足启动／停止该设备的“帮助”提示；
　　
　　d．系统图上水路、密封水路和油路以及阀门的开关状态要有明显的颜色区分；
　　
　　e．系统图上设备的工作、停止和故障状态要有明显的颜色区分；
　　
　　f．系统图上模拟量测点位置有实时数据和工程单位显示；
　　
　　g．系统具有记录运行员的操作的功能，记录时间要求准确到秒级；
　　
　　h．系统具有对所有输入／输出开关量信号的记录功能；
　　
　　i.系统具有模拟量趋势图显示功能，历史趋势的存储周期为1星期；
　　
　　j.系统对所有报警和故障跳闸信号有实时显示和事故追忆功能。
　　
　　4控制系统的实现
　　
　　4.1PLC系统的实现
　　
　　循环水系统工作的可靠性至关重要，因此，它的控制系统也要求*的可靠性。根据系统的要求，选择Schneider公司的Quantum系列具有双机热备用功能的PLC系统作为核心控制器。以日本OMRON公司为代表的PLC双机热备用系统，实际上是“温备”，它是把2个CPU模块放在一个基板上；而以Schneider公司为代表的PLC双机热备用系统，是2套PLC系统互为热备用，可靠性更高。
　　
　　如图3所示，循环水泵控制系统配置由双机热备用的PLC系统和IPC系统组成。PLC系统中，CHS单元为双机热备用单元，通过光纤连接；CPU单元和IPC系统通过屏蔽双绞线组成MB+网络，传输速率为1Mbit/s；CRP单元和CRA单元组成远程I/O控制系统，通过同轴电缆连接；CPS为电源模块单元。　　4.2IPC系统的实现
　　
　　IPC上位机系统完成所有控制命令的发出和设备状态的显示、信号的查询等功能。IPC系统的监控软件选择北京亚控公司的组态王6.0，通过SA85网卡与PLC系统通信，组成MB+网，很好地完成了系统要求的功能。为可靠运行，系统安装WindowsNT作为操作系统。IPC工控机选择Advantech的PⅢ-866机型（硬盘40GB），显示器选择Philips纯平显示器。
　　
　　循环水泵控制系统还给DCS预留了MB+网络通信接口，为控制系统的扩展做好准备。
　　
　　循环水泵控制系统主程序框图如图4所示。　　
　　4.3“*真空”控制器
　　
　　“*真空”的获得方法是：选择机组分别在60％，70％，80％，85％，90％和100％负荷不变的情况下，保证汽机蒸汽人口压力／温度不变，保证水的过冷度满足要求，调节循环水流量（通过变频调速，也可以在使用变频调速之前的系统上测量），测出汽机的*热效率曲线。综合考虑汽机的机械特性、*效率等得到的对应凝汽器真空就是“*真空”，此时循环水泵的速度就保证了在“*真空”下使汽机的工作状态*。
　　
　　“*真空”的测量根据季节的不同，至少要在冬季和夏季分别进行测量，冬季在一月份左右测量，夏季在七八月份左右测量；每个测量点要保证系统能够正常运行2h～4h，测量数据一定要折算到标准工况。测量数据的后处理工作也很重要，综合各种因素进行曲线拟合，对奇异点进行具体分析，必要时要重新测量该点的数据。“*真空”的测量可以由电厂自己完成，也可以由中试所或热工所来进行。测量的方法根据循环水系统的构造、凝汽器的配置、高低压缸的出力情况等有所不同，本文的方法仅供参考。
　　
　　5结语
　　
　　本文设计并研制了茂名热电厂4号机组的循环水泵高压变频调速监视控制系统。该控制系统根据汽机负荷、真空的变化，通过控制循环水泵、升压水泵的不同组合和使用高压变频器控制循环水泵的出力来实现循环水系统的*节能控制器的控制策略，保证了在冷、热水池不溢流的前提下控制发电机组凝汽器的真空度为*，实现了节能的目的。