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李海涛（1980－）

男，现任天津大唐国际盘山发电有限责任公司设备工程部热工专业技术员。曾参与华北地区第一台600MW火力发电机组大修工作，在机组维护期间进行了汽包水位测量方式改造、火焰监测装置改造、OIS改造、凝结水泵变频改造等工作并取得良好的改造效果。

摘要：本文介绍了火力发电厂凝结水泵采用一拖二变频控制的设计思路、方案实施、控制参数的整定及试验。由于采用一台高压变频器分别带动两台凝结水泵，正常工况时变频器带动一台凝结水泵运行，当凝结水泵或者变频器跳闸后，立即以工频方式联启另一台凝结水泵并自动将除氧器上水调整门投入自动方式运行，不但确保了除氧器水位的稳定，降低了改造费用，而且取得了明显的节能效果，在社会大力提倡节能增效的今天，是一种值得推广的改造方案。

关键词：凝结水泵；一拖二；变频器；节能

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  火力发电厂凝结水泵的结构与现状

    凝结水泵是发电厂凝结水系统的重要设备，单元机组中共有两台凝结水泵，以一用一备的方式将凝汽器中的凝结水经过除氧器上水调节门送入除氧器水箱。传统的凝结水泵大多采用工频运行方式，在凝结水泵出口通过两个并列且不同大小的调整门控制除氧器上水流量。正常负荷时，30%调整门全开，依靠70%调整门控制除氧器的上水量。如图1所示。

   
 
                                   图1   凝结水泵控制系统图

    虽然机组设计采用30%调整门全开的方式来消除截流，但是70%调整门的截流损失依旧很大，这导致凝结水泵运行经济性差，当机组非满负荷运转时，由于截流而损失的能耗更高；不仅如此，由于截流作用产生的剧烈振动，也使管道、阀门等设备处于恶劣的运行工况之下，使用寿命大大缩短。安装在调整门上的ABB公司TZID-C智能定位器，由于振动引起的反馈杆脱落甚至定位器损坏的故障屡见不鲜，多次更换、维修定位器更是提高了生产成本。所以，这种控制方式很不经济，需要在保证机组安全生产的情况下，进行技术改造，来提高运行的经济效益。

    近年来，我国已对变频调速技术进行了深入的研究, 通过变频调速装置可以使转动设备处于最经济的运行状态, 大大提高运行效率, 达到节能的目的。变频技术在中、小型设备, 如给煤机、给粉机, 中、小型风机、水泵及其它领域都得到了广泛的应用。2008年，公司决定进行技术改造, 使用一台高压变频器带动凝结水泵向除氧器上水，运行效率大大提高, 从而达到节能的目的。由于只使用了一台变频器，在完全胜任变频调节任务的情况下，设备改造成本也降低了一半之多，只需在逻辑控制上加以调整，则完全可以保证凝结水系统安全、稳定、高效的工作。

2  一拖二变频改造的设计思路

    凝结水泵变频改造要在保证除氧器水位调节品质不变并可以在掉泵、断水事故发生时做出正确反应的前提下进行升级改造。改造利用现有的设备与系统，在原两台凝结水泵上，加装一台高压变频器，正常使用时通过高压变频器带动一台凝结水泵运转，另外一台凝结水泵则不通过高压变频器而直接工频方式备用，当高压变频器跳闸后，备用凝结水泵以工频方式立即启动，将凝结水打至出口母管，以保证在变频器跳闸时除氧器上水的稳定。

    在凝结水泵的出口，使用大小两个气动调整门将母管分成并列的两个管道向除氧器上水，即30%和70%除氧器上水调整门。两个调整门的开度由除氧器上水调整门调节站总指令计算出。一台凝结水泵工频运转时，出口压力高、流量大，所以这两个门不能同时全开，一般工况下，30% 调整门全开以减小截流损失，依靠70% 的调整门进行截流调节。此次变频改造目的是希望能通过变频器调节转速来保证除氧器上水量，而两个调整门全开以减少调整门处的截流损失。所以在使用变频器上水时，设计除氧器上水调整门调节站给出95%的总指令。95%的位置既可以使得调整门的截流损失最小（实验证明，95%-100%的调整门开度，对应的凝结水泵电流变化为1A-2A，所以95%位置可视为全开，且截流损失最小），也可以使得调整门关闭的响应速度最快。

    同时，在正常工况下调整门处于全开位置，如果发生变频器故障瞬间，另一台凝结水泵瞬间启动，大量的凝结水通过几乎全开的调整门，那么除氧器水位将很难保证，所以，必须在变频器故障跳闸的瞬间关除氧器上水调整门到合适的位置，才能阻止凝结水瞬间大量涌入除氧器。这个合适位置的计算需要通过运行人员的经验值曲线试验得出。

    公司采用了ABB公司的Symphony 分散控制系统（DCS）作为机组的主要控制平台，逻辑功能、画面修改等主要操作，均通过Symphony 系统软件的组态模块设计实现。利用组态软件的智能PID、特性表、操作站、逻辑块等功能模块实现对凝结水两个调整门复杂的控制功能及调节过程，最终达到在变频运行时除氧器水位的稳定控制。

3  一拖二变频改造的方案实施

3.1 一拖二变频的电气开关逻辑控制

    图2显示了凝结水泵采用一拖二手动工/变频切换控制方案。

      
                       
                            图2   一拖二手动工/变频切换控制方案

    所谓一拖二手动工／变频切换方案，是指#1、#2凝结泵共同采用一套变频调速装置，可以带其中任意一台设备运行。QF1、QF2为两个高压合闸开关，QS2和QS3之间、QS5和QS6之间存在完全机械互锁；QS1和QS4之间、QS2和QS5之间均存在电气闭锁和逻辑闭锁关系，防止变频器输出侧与6kV电源侧短路等严重事故。该方案在满足凝结泵一用一备运行方式的前提下，提高了变频设备的利用率，从而保证系统具有良好的节能效果。同时，系统可以通过高压隔离开关QF1、QF2，通过倒泵操作实现两台凝结泵运行方式的转变。

    正常状态时，通过运行人员就地倒闸实现对#1、#2号凝结水泵的工、变频选择，当QS1和QS2闭合时，QS3被机械互锁为断开方式，#1凝结水泵即为变频方式待机状态，当运行人员发送启泵指令时QF1高压合闸开关闭合，电路接通，此时#1凝结水泵变频运行。同时手动倒闸QS4和QS5处于断开状态，QS6闭合，#2凝结水泵工频备用。当倒泵指令发出或者变频器发生故障时，QF1断开，QF2闭合，从而无扰切换至#2凝结水泵工频运行状态。

3.2 变频器故障时调整门动作过程

    正常运行时一台凝结水泵变频运行，另外一台凝结水泵工频备用，当变频运行时除氧器上水调整门总指令强制跟踪位置为95%，变频器通过输出频率的改变来调整凝结水泵的转速，从而通过控制凝结水泵到除氧器的上水量，保证除氧器水位稳定在运行人员的设定值范围内。当水位发生波动时，通过DCS组态中以凝结水流量、主给水流量、除氧器水位三个参数构成的串级回路，输出转速指令至变频器，调整凝结水泵的上水量，以稳定除氧器水位。

    当就地设备发生故障，例如变频器发“重故障报警”或者凝结水泵突然跳闸等故障发生时，故障信号触发“凝结水泵变频运行非计划停运”条件，当前凝结水泵的高压合闸开关断开，并闭合另外一台工频备用凝结水泵高压合闸开关，备用泵工频启动。当工频泵启动的瞬间，除氧器上水调整门开度仍然在95%位置，凝结水上水量会因此猛增，所以此时除氧器上水调整门必须立即做出反应才能保证除氧器水位不出现大的扰动。如果采用PID控制调节，不但调整过程缓慢，而且非常容易发生超调，甚至引起系统震荡。经过仔细的研究计算，在工频泵启动的瞬间，除氧器上水调整门开度只有立即强制跟踪预先给定的位置，才能使系统产生的扰动影响最小。这个位置应该选取“负荷开度计算值”，即由当前的负荷指令计算出调门通常应处于的开度，这个开度也是工频正常运行时调整门的理想开度值。当调整门关到功率计算值位置并且稳定后，凝结水调门控制站再自动投入自动控制，从而完成整个凝结水变频故障的无扰切换。

3.3 变频器PID控制参数整定及试验

    Symphony控制系统PID调节组态模块的参数由K、KP、Ki、Kd等组成，分别构成系统的增益系数、比例系数、积分常数、微分常数来对调节品质进行修正。除氧器上水变频调节站以给水流量为前馈，除氧器水位为调节对象的主PID调节回路，辅PID调节回路中凝结水流量作为调节对象。试验开始用原有的三冲量（三冲量调节即以凝结水流量、给水流量、除氧器水位三个模拟量为调节量的调节方式）参数进行调节试验，三冲量调节中，变频器的调节由主、辅两套PID功能块实现，分给主辅两个分调节站，主站调节除氧器水位偏差，当水位信号与给定值发生偏差时候，调节站能立刻做出调节。该主站同时引入了给水流量作前馈，当机组负荷发生变化时，给水流量会很快做出反应。用给水流量做前馈可以降低系统响应时间，防止除氧器水位波动过大。

    变频调节定值扰动：试验前，首先记录了主调回路的K、KP、Ki、Kd参数分别为：0.03、2.8、0.25、0.05；机组工况为：机组负荷450MW、调整门开度稳定在95%。试验中，当给出 -100mm的扰动时，系统水位曲线发生了周期性震荡，偏差在30分钟内无法自动调节到稳态，周期性震荡明显，水位变化范围在125mm之间，立即停止试验。

    从水位曲线上可以分析出，应该适当的增大积分环节与比例系数，来增强积分作用，消除静态偏差，微分作用应当放小，避免超调引起的震荡发生。将主调回路K、KP、Ki、Kd参数逐渐调整到：0.047、4.86、0.32、0.01，同时增大辅调强度，加快辅调节回路对凝结水系统内扰的抵抗能力。通过多次修改参数后，得到的调节效果如图3所示。

     

                                     图3   水位调节曲线图

    变频器跳闸切换扰动：#2凝结泵变频自动投入情况下，模拟变频器事故跳闸。系统联锁自动启动#1工频泵运行，凝结水调节变频自动切换至除氧器上水调整门控制并自投自动。整套动作在由DCS自动完成，稳定时间控制在一个周期内；水位最大波动幅值140mm，小于150mm合格的要求；稳定时间6分45秒，满足10分内稳定的要求。这说明通过定值扰动得到的参数值符合变频器跳闸切换扰动的试验要求。试验曲线如图4所示。

                             图 4   变频器跳闸切换扰动的试验曲线图

3.4 双站控制的相互跟踪与无扰切换

    “控制站”是运行人员操作的基本对象，对调节型的阀门尤为重要。在“控制站”中可以实现阀门的手动开度控制、控制对象的设定值、自动/手动投入选择、偏差设置、调整门反馈显示等多项控制功能。在除氧器水位调节中，同时有除氧器上水调整门控制调节站和变频器转速控制调节站两个“控制站”。两个“控制站”均以除氧器水位为调节对象，进行阀门开度或者变频器转速的调节控制。

    要保证双站能够正常调节，必须保证同一时刻只能有一个调节站在工作，否则两个调节站共同作用调节除氧器水位，必将出现作用过强的现象并引起过调，使除氧器水位发生震荡。

    解决办法是：当变频器投入自动时，变频器自动有效信号同时接入除氧器调整门强制跟踪指令，强制调整门开到95%位置，限制了调整门的调节作用，此时依靠变频器的PID调节回路对除氧器水位进行调节；当除氧器上水调整门投入自动时，限制变频器 “控制站”强制手动，防止变频器自动调节，带来水位扰动，此时在变频器转速手动的情况下，依靠除氧器上水调整门的开度对除氧器水位进行调节。

    因为控制采用双站调节，所以除氧器水位设定值也有两个值，当水位控制回路自动进行切换时，将造成人为的水位定值扰动。为了解决这个问题，我们使用了Symphony系统的“控制站”模块的反馈值跟踪功能，该模块的S29输入端输入为0后，当控制站位于非自动状态时，控制站水位设定值跟随当前的水位反馈值，在切换的瞬间水位设定值就是当前的水位真实值，从而解决了双站切换的定值扰动问题。

3.5 凝结水泵出口压力低，联泵条件的修改

    当凝结泵变频运行过程中，出现泵体断轴、凝结水母管泄漏、变频调节失灵不能跟踪等异常情况时，由于流量突然失去，变频辅调PID将由于凝结水流量的突变而迅速将指令增至95％以上，此时指令大于95%的条件与凝泵出口母管压力低的条件，共同触发母管压力低保护动作，将另一台凝结水泵联启以维持压力。伴随着另一台凝结水泵的工频启动，凝结水母管压力瞬间升高，而除氧器上水调整门此时还在95%位置，所以工频泵启动后，除氧器上水调整门将立刻强制跟踪到当前功率设定值以稳定除氧器水位，12秒后调门调节站自投自动进行调节。（此过程与变频器跳闸试验的过程类似。）

4  凝泵一拖二变频改造经验总结

    在整个改造项目中，机组的稳定运行是改造成功的前提条件，在逻辑设计之初，除了充分考虑变频器调节保持除氧器水位稳定的同时，还考虑到了其它各种扰动给机组带来的影响，有包括变频器跳闸切工频的逻辑，双站自动切换时的无扰切换，当凝结水泵母管压力低时联启工频泵等的逻辑组态，都是以稳定除氧器水位为原则设计的。

    在机组50%负荷凝结水变频泵跳闸试验时，通过对变频泵跳闸瞬间凝结水流量的研究发现，在第12秒调整门PID调节站投入自动的瞬间，即凝结水流量从大流量到小流量的变化瞬间，此时流量曲线斜率（曲线示意可参照图4），导致PID输出参数也非常大，很容易出现PID的超调，这个时候投自动会对系统的扰动很大。研究发现，如果功率经验值足够精确，通过将调整门置于强制跟踪位可以使凝结水泵切换时扰动最小。通过试验，将调整门强制跟踪功率经验值的时间从12秒延长至25秒后，调门投入自动的瞬间PID参数输出值明显变小，从而真正实现了凝结水变频泵跳闸的无扰切换，为机组稳定运行奠定了可靠的基础。

    这次改造后投入运行，各项测试性能指标良好。两个调整门截流噪音及震动明显减小，凝结水泵电流节约50% ~ 80%，除氧器上水压力由3.7MPa下降到1.2MPa，特别是低负荷的时候，凝结水泵电流由原来的200A降低到60A 左右，节能效果十分明显，为公司的节能工作做出了杰出贡献。