變頻調速在火電廠低壓加熱器疏水水位控制系統中的應用

河南省某火力發電廠200 MW機組低壓加熱器系統(見圖1)按原設計要求，低壓加熱器疏水採用逐級自流和2台低壓加熱器疏水泵聯合運行方式。這種設計使低壓加熱器疏水泵在運行中存在一些問題：(1)因2號低壓加熱器中的水位靠低壓加熱器疏水泵出口電動調整門的節流控制，低壓加熱器疏水泵運行時節流量大，出口壓力高，經常發生泵的格蘭大量漏水，造成熱量和水量損失，地面污染，引起疏水泵不能正常運行甚至損壞；(2)調整門是電動機械結構，線性度不好，調節系統滯后，調節品質差，影響了自動調整的穩定性，經常導致2號低壓加熱器水位過低或無水位運行，造成低壓加熱器疏水泵汽蝕，水泵軸向串動嚴重，電流晃動大，軸承損壞，疏水管道振動和泄漏等故障，增加了維護工作量；(3)低壓加熱器疏水泵採用定速運行方式，通過出口調整門節流來控制低壓加熱器水位，在實際運行中很不理想，水位時高時低，運行人員操作頻繁，影響機組安全、經濟運行；(4)疏水泵經常無水位運行，導致機械故障，使疏水泵一般僅能使用1個月甚至1周左右，維護人員來不及維修而停用，直接將低壓加熱器系統疏水，排至凝結器熱井，降低了機組熱效率。為此，決定對2號低壓加熱器疏水系統進行變頻技術改造。

　低壓加熱器疏水系統

2　低壓加熱器變頻控制水位系統

該系統主要由1151水位感測器、帶模擬量輸入輸出的可編程序控制器IP1612和變頻器FR-P9S75組成(見圖2)。

低壓加熱器變頻控制水位系統

2.1　主電路
2號低壓加熱器原設計了2台75kW疏水泵，根據該電廠要求，每台疏水泵既能定速運行又能變頻運行，甲泵和乙泵為一備一用狀態。設計的低壓加熱器變頻控制水位系統主電路示於圖3。由於2泵是一備一用，所以從節省資金出發，選用1台變頻器不同時供給甲泵或乙泵變頻運行。1KM、2KM分別是甲、乙泵定速接觸器，3KM、4KM分別是甲、乙泵變頻接觸器。為了變頻器和系統安全，1KM、3KM的輔助常閉觸點互鎖，2KM、4KM的輔助常閉觸點互鎖，3KM、4KM的輔助常閉觸點互鎖，同時在可編程序控制器PLC軟體中也對它們進行互相聯鎖。

　主電路

2.2　PLC介面資源分配
PLC選用美國平行電子技術公司產品IP1612，它有12個開關量和4個4～20mA模擬量輸入，有10個開關量和2個模擬量輸出。PLC介面資源分配示於圖4。

PLC介面資源分配

2.3　可編程軟體流程
可編程軟體要求實現如下功能：(1)根據1151差壓感測器對2號低壓加熱器水位測量信號4～20mA，PLC對給定值SP與測量值進行PI水位調節，由PLC模擬口輸出4～20mA調節信號給變頻器，使變頻器輸出頻率即電機水泵轉速隨著水位變化而自動改變，保證水位在給定值附近穩定運行。(2)在自動變頻方式下，甲泵能根據2號低壓加熱器水位信號作自動變頻，改變疏水泵轉速運行，乙泵作定速運行準備。當發電機組負荷增加，疏水量大時，甲泵達到最高頻率50Hz，即滿負荷運行一定時間還不能保持水位穩定，乙泵自動投入定速運行；當甲泵頻率下降，輕負載運行一定時間，乙泵還能自動退出定速運行。(3)在自動變頻方式下，乙泵可根據2號低壓加熱器水位信號作自動變頻，改變疏水泵轉速運行，甲泵作定速運行準備。當發電機組負荷增加，疏水量大時，乙泵達到最高頻率50Hz，即滿負載運行一定時間還不能保持水位穩定，甲泵自動投入定速運行；當乙泵頻率下降，輕負載運行一定時間，甲泵還能自動退出定速運行。(4)在變頻器發生故障時，可轉換為定速運行方式，甲、乙泵均可作定速運行。(5)聯鎖投入時，若一台疏水泵發生故障自動停止，另一台疏水泵能自動投入運行。PLC流程示於圖5。

3　變頻調節特點

低壓加熱器疏水泵改為變頻調節后，經1a多的運行實踐，系統穩定，並具有以下特點：(1)通過改變電機電源頻率來改變水泵轉速，改變泵的出力以控制2號低壓加熱器水位。這種控制方式突破了調整門節流控制模式，擺脫了調整門線性不好對控制系統的約束，去掉了中間環節，大大降低了節流損失；(2)由於疏水泵變頻調速運行，在調節流量較小時，轉速降低，減少了軸承磨損和發熱，延長了泵的使用壽命；(3)根據感測器水位信號，變頻器輸出頻率可在15～50Hz間變化，能適應發電機組在各種負荷工況下保持低壓加熱器水位穩定；(4)調節精度較高，2號低壓加熱器水位波動可控制在給定值的5%範圍內，有力地保證了疏水泵的汽濁余量，使疏水泵可長期穩定運行；(5)疏水泵電機軟啟動，按設定的加速時間，隨著輸出電源頻率逐步上升，電流和轉速慢慢增加，避免了啟動時的衝擊電流對電機的損傷，使電機壽命增加，維護量減少；(6)保護功能完善，有過電流、過電壓、短路及過載等各種保護，還具有開機自檢、故障記憶等功能，提高了系統運行安全係數。

　PLC流程

4　經濟效益分析

4.1　減少了維護費用和檢修工作量
原疏水泵在運行過程中，水位不易穩定，經常造成泵和電機損壞，維護工作量大，檢修費用高。改為變頻調節后，保證了水位在正常範圍內運行，1a多來，水泵和電機都能正常工作，大大減少了檢修工作量和維護費用，節約費用約20萬元/a。
4.2　節省電能
原疏水泵在運行中，靠節流調節，增加了管道阻力。變頻改造后，調整門全開或取消，管道阻力大大減少。疏水泵改造前後的數據比較列於表1。

表1
低壓加熱器疏水泵改造前後的數據比較

負荷
/MW 流量
/m^3.h^-1 轉速/r^.min^-1 電　流消耗功率/kW 改造前改造后改造前改造后改造前改造后 100 38.1 2970 1500 110 25 57.9 13.0 150 48.1 2970 1740 120 35 63.2 16.0 180 65.2 2970 1920 128 40 67.3 23.7 200 81.9 2970 2100 135 45 71.1 29.7從表1可看出，疏水泵改為變頻調節后，泵功耗大大降低，由機組額定負荷時的71.10kW降低到29.70kW，其它工況降低得更多。取表1中的4組數據平均值作為1a的平均功率，則疏水泵變頻前、后的的平均功率分別為65.32kW、20.60kW。可計算出疏水泵變頻前、后消耗的電能分別為572.2032MW^.h和180.4560MW^.h，節約的電能為391.7472MW^.h。按0.60元/(kW^.h)計算，則1a內節約費用23.50萬元。
4.3　提高低壓加熱器設備利用小時數，降低熱能損失
改造前因疏水泵經常損壞，造成低壓加熱器系統投不上，疏水直接排凝汽器熱井。據統計，發電機組每發1kW^.h的電就多耗煤4g，且每年約有3個月低壓加熱器投不上。改造后，每年可節省標準煤1.728kt，若按300.00元/t計，可降低煤的費用51.84萬元/a。從上面3項計算可知，變頻改造疏水泵系統后，每年可獲得經濟效益90多萬元，一般3個月就可收回變頻改造的投資。