變頻調(diào)節(jié)電控系統(tǒng)在凝結(jié)水泵改造中的應(yīng)用

引言

凝結(jié)水泵是熱力學(xué)發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分,其工作原理是在高度真空的狀態(tài)下,將凝汽器熱井內(nèi)的冷凝水輸送至低壓加熱器設(shè)備中進(jìn)行加熱。由此觀之,未經(jīng)優(yōu)化的凝結(jié)水泵系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)組正常工作時(shí)處于工頻運(yùn)行狀態(tài),且轉(zhuǎn)化效率較低,占有很大的工廠能源消耗比重。為了實(shí)現(xiàn)更高效的能源利用率,節(jié)約電能從而提高環(huán)保效益和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,提升企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力,協(xié)同增強(qiáng)發(fā)電系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和易于維護(hù)性,對(duì)凝結(jié)水泵電機(jī)進(jìn)行改造勢(shì)在必行。

1項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目以天馬再生能源有限公司兩臺(tái)20Mw汽輪發(fā)電機(jī)組的四臺(tái)凝結(jié)水泵為依托,進(jìn)行節(jié)能改造。

原有的發(fā)電機(jī)組每組配備兩臺(tái)凝結(jié)水泵,一作日常運(yùn)行之用,一作備用。凝結(jié)水泵電機(jī)正常運(yùn)行之時(shí)采用額定工頻運(yùn)行策略,其額定指標(biāo)為45kw,額定轉(zhuǎn)速為2965r/min,電能消耗占運(yùn)行總功耗比重大。原有的凝結(jié)水泵為調(diào)門調(diào)節(jié),其原理在于調(diào)節(jié)水泵出水口的調(diào)門大小控制凝汽器的熱井水位處于正常狀態(tài),屬于節(jié)流式方案,該方案在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在著如下缺點(diǎn):

(1)節(jié)流式調(diào)節(jié)方案并不能從能耗源頭克服凝結(jié)水泵消耗大的缺陷,并未有效地優(yōu)化能源消耗的方式,產(chǎn)生的節(jié)流損失反而降低了節(jié)點(diǎn)運(yùn)行效率:

(2)節(jié)流式調(diào)節(jié)方案不能克服在凝結(jié)水泵啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的較大沖擊:

(3)凝結(jié)水泵的運(yùn)行和維護(hù)操作并不簡(jiǎn)易便利。

本項(xiàng)目在延用原有動(dòng)力電纜和控制電纜的前提下,使用一拖一控制的四臺(tái)變頻柜替換原有的四組工頻運(yùn)行電機(jī),實(shí)現(xiàn)從源頭上解決變頻水泵功耗大的缺陷。新方案采用變頻調(diào)節(jié)為主、調(diào)門調(diào)節(jié)為輔的結(jié)合方式,實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水泵的變頻運(yùn)行,提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2變頻調(diào)節(jié)電控系統(tǒng)的組成及工作原理

采用變頻調(diào)節(jié)可以較好控制整體系統(tǒng)的功耗和安全性能,減少水泵開啟造成的內(nèi)部應(yīng)力,延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。變頻調(diào)節(jié)電控系統(tǒng)的組成及其工作原理如下:

2.1變頻調(diào)節(jié)電控系統(tǒng)的組成

凝結(jié)水泵改造變頻調(diào)節(jié)電控系統(tǒng)主要由四臺(tái)凝結(jié)水泵(一備一用)、四臺(tái)凝結(jié)水泵電機(jī)、四臺(tái)一拖一連接的變頻柜、動(dòng)力電纜、控制電纜設(shè)備附件和分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlsystem,DCs)等幾部分組成。

凝結(jié)水泵電機(jī)的作用是為凝結(jié)水泵的凝結(jié)水輸送工作提供電力能源:變頻柜通過(guò)頻率調(diào)節(jié)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)能耗控制:動(dòng)力電纜和控制電纜分別是各設(shè)備之間電力能源和控制信號(hào)的傳輸通道:具備PID(proportion-integral-differential)反饋糾偏回路部件的DCs系統(tǒng)能有效監(jiān)控變頻系統(tǒng)的運(yùn)行工況,自動(dòng)化地執(zhí)行單個(gè)設(shè)備啟停、聯(lián)鎖啟停等功能[l]。

其中變頻柜為變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心組成部件,其技術(shù)要求具備大于IP42級(jí)的防護(hù)等級(jí),以ACs55o-45kw變頻器為核心,在各類斷路器、保護(hù)器、繼電器及傳感器的輔助作用下實(shí)現(xiàn)變頻功能。

2.2變頻調(diào)節(jié)電控系統(tǒng)的工作原理

調(diào)門的節(jié)流式非變速調(diào)節(jié)是一種改善凝結(jié)水泵管路性能的調(diào)節(jié)方式,適用于小流量機(jī)組。與此不同,變頻調(diào)節(jié)屬于變速調(diào)節(jié),是一種改善凝結(jié)水泵本身性能曲線的方式,因此減小了節(jié)流損失,提高了運(yùn)行效率。

變頻調(diào)節(jié)電控系統(tǒng)的工作原理是以異步電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的:在具備PID單元的DCs控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制下,將四臺(tái)帶有變頻柜的電機(jī)(即變頻電機(jī))作為電源,通過(guò)變頻柜調(diào)整輸出頻率f從而使同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到改變點(diǎn)。變頻調(diào)節(jié)適用于大流量機(jī)組。

另外,帶電控系統(tǒng)的變頻調(diào)節(jié)能控制啟動(dòng)電流處于額定電流的比例小于3/2。在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)通過(guò)緩慢增加轉(zhuǎn)速的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)節(jié),減小啟動(dòng)電流帶來(lái)的巨大沖擊和啟動(dòng)過(guò)程中的"水錘"現(xiàn)象。

3凝結(jié)水泵變頻改造方案

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的凝結(jié)水泵變頻改造方案旨在節(jié)約能源和投資成本,因此只對(duì)必要設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí),其余設(shè)備延用原有方案,最終達(dá)到以變頻調(diào)節(jié)為主,調(diào)門節(jié)流調(diào)節(jié)為輔的目的。3.1變頻柜安裝

改造方案的變頻柜分別安裝于400V配電室的I段、Ⅱ段、Ⅲ段、Ⅳ段末端,對(duì)應(yīng)于四臺(tái)變頻電機(jī)。四臺(tái)變頻柜與對(duì)應(yīng)的變頻電機(jī)的連接采用一拖一的控制方式。

為了節(jié)省投資成本,變頻柜所需要的控制電纜和動(dòng)力電纜延用原有方案的線纜,對(duì)于長(zhǎng)度不夠的應(yīng)用過(guò)渡端子進(jìn)行對(duì)接。變頻柜的進(jìn)線開關(guān)電源由原有的抽屜電源代替,動(dòng)力電纜由抽屜柜出線至變頻柜進(jìn)線,通過(guò)配電柜底部電纜溝進(jìn)行走線工作。原有控制電纜及信號(hào)反饋電纜由原端子排作為中轉(zhuǎn)引出,另一端至變頻柜內(nèi)端子排。為了達(dá)到預(yù)期控制效果,控制電纜不小于1.5mm2且完善對(duì)應(yīng)的屏蔽措施。

更換為變頻電機(jī)后,系統(tǒng)需增加冷卻風(fēng)扇對(duì)電機(jī)進(jìn)行工作保護(hù),因此需對(duì)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行供電改造,具體如下:在變頻柜內(nèi)部進(jìn)線開關(guān)出口新增一路空氣開關(guān),其負(fù)載引至接觸器電機(jī)控制熱偶保護(hù)配置單元,并將變頻器啟停信號(hào)引出至中間繼電器,在DCs控制系統(tǒng)的作用下實(shí)現(xiàn)變頻器與冷卻風(fēng)扇同時(shí)啟停的功能。

變頻柜與變頻電機(jī)具體的性能指標(biāo)是在高防護(hù)等級(jí)下實(shí)現(xiàn)5~50Hz的變頻工作,其核心工作元件為ACs550-45kw變頻器。4臺(tái)變頻柜、4組變頻電機(jī)及其他器件的總投資額為391508元。3.2變頻器信號(hào)控制

變頻器信號(hào)控制是變頻調(diào)節(jié)電控系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟,通過(guò)控制電纜實(shí)現(xiàn)DCs系統(tǒng)與變頻柜之間的通信功能。為節(jié)約電纜,新方案延用原抽屜柜中端子排備用信號(hào)電纜,對(duì)之進(jìn)行編號(hào)、對(duì)點(diǎn),并增加中轉(zhuǎn)端子排新敷設(shè)兩根8×1.5mm2電纜,同時(shí)在DCs系統(tǒng)增加頻率模擬量輸出/輸入通道并加保護(hù)隔離器,由于新增了變頻電機(jī)和冷卻風(fēng)扇的緣故,需對(duì)原有的控制電纜開關(guān)量信號(hào)和模擬量信號(hào)進(jìn)行拓展。

啟動(dòng)/停止信號(hào):DCs通過(guò)控制電纜向變頻器發(fā)出啟動(dòng)或停止指令,變頻器開始運(yùn)行或停止:

運(yùn)行/停止信號(hào):變頻器反饋的工作狀態(tài)信號(hào):

就地/遠(yuǎn)方信號(hào):標(biāo)志著變頻器由現(xiàn)場(chǎng)控制和中控室控制的信號(hào):

電氣故障信號(hào):標(biāo)志著設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的電氣故障:

冷卻風(fēng)扇運(yùn)行信號(hào):標(biāo)志著冷卻風(fēng)扇的工況:

故障聯(lián)鎖跳泵信號(hào):出現(xiàn)故障時(shí),冷卻風(fēng)扇聯(lián)停水泵電機(jī)的信號(hào):

電機(jī)電流反饋信號(hào):原電機(jī)向控制系統(tǒng)反饋的電機(jī)工況信號(hào):

頻率給定/反饋信號(hào):DCs與變頻器雙向的頻率信息傳輸信號(hào)。

3.3DCs系統(tǒng)改造

DCs是一種基于TCP/IP協(xié)議的雙冗余分布式控制系統(tǒng)。由于使用了變頻電機(jī)替換原有工頻電機(jī),引入了冷卻風(fēng)扇設(shè)備,因此DCs所需要通信的控制量增加,需要對(duì)原有的DCs系統(tǒng)進(jìn)行改造。

為監(jiān)控變頻設(shè)備的實(shí)時(shí)頻率信息并向其發(fā)送頻率的變換信號(hào),需新增一路變頻模擬量信號(hào)來(lái)控制當(dāng)前的電機(jī)頻率及獲取電機(jī)的頻率信息。

為監(jiān)控冷卻風(fēng)扇的工作狀況,需增加風(fēng)扇的運(yùn)行信號(hào),使得DCs具備調(diào)節(jié)風(fēng)扇啟停和獲取工況信息的功能。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性能,當(dāng)發(fā)生故障時(shí),需要將冷卻風(fēng)扇和水泵電機(jī)進(jìn)行聯(lián)停。因此,在變頻器啟停信號(hào)中引出中間繼電器連接冷卻風(fēng)扇供電線路,從而實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)機(jī)故障聯(lián)鎖跳水泵的功能,避免水泵電機(jī)過(guò)熱受損,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

3.4PlD控制

變頻調(diào)節(jié)電控系統(tǒng)屬于閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù),基于反饋三要素(測(cè)量、比較和執(zhí)行)進(jìn)行控制,PID控制能較大限度地保證系統(tǒng)的運(yùn)行,減少不確定性。

改造方案中,熱井的水位控制由PID單元實(shí)現(xiàn)。水位參數(shù)的純滯后和大慣性特征,導(dǎo)致了系統(tǒng)的非線性。PID控制通過(guò)比例控制減小被控參數(shù)的波動(dòng):通過(guò)積分控制消除比例控制的余差影響,消除穩(wěn)態(tài)誤差:通過(guò)微分控制提升液位的慣性響應(yīng)速度,并減小由于積分控制產(chǎn)生的超調(diào)趨勢(shì)。因此,在PID的綜合控制下,實(shí)現(xiàn)對(duì)熱井液位的準(zhǔn)確測(cè)量和比較。

4系統(tǒng)的應(yīng)用情況及技術(shù)深化

經(jīng)過(guò)變頻柜改造、控制信號(hào)拓展和DCs系統(tǒng)改造后,新系統(tǒng)在DCs控制系統(tǒng)的作用下,經(jīng)過(guò)拓展的控制電纜和動(dòng)力電纜實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻電機(jī)和冷卻風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)的讀取和控制,保證了設(shè)備正常、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行,降低了電流沖擊和"水錘"作用對(duì)凝結(jié)水泵的影響,延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命,減小了能源消耗,其具體改善如下:

原有系統(tǒng)凝結(jié)水泵的工頻輸出頻率為45kw,變頻系統(tǒng)的平均輸出功率為36kw,節(jié)省能耗20%左右。計(jì)算可得,每小時(shí)每臺(tái)凝結(jié)水泵的節(jié)約電量為9kw·h,年節(jié)約電量為315360kw·h:以垃圾焚燒上網(wǎng)電價(jià)0.65元/kw·h計(jì)算,年節(jié)約電費(fèi)204984元。變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)總投資價(jià)格為391508元,約兩年可回收全部投資。

就節(jié)能技術(shù)而言,變頻調(diào)節(jié)技術(shù)優(yōu)化的是凝結(jié)水泵自身的特性曲線,適用于大范圍的流量調(diào)節(jié):節(jié)流調(diào)節(jié)優(yōu)化的是管路特性曲線,適用于小范圍的流量調(diào)節(jié)[3]。本方案采用變頻調(diào)節(jié)為主,流量調(diào)節(jié)為輔的策略,實(shí)現(xiàn)了管路特性曲線和凝結(jié)水泵特性曲線的雙重調(diào)節(jié),進(jìn)一步協(xié)同增強(qiáng)了調(diào)節(jié)效果。

就經(jīng)濟(jì)效益而言,變頻調(diào)節(jié)初期投資規(guī)模大而節(jié)流調(diào)節(jié)改造費(fèi)用少。但變頻調(diào)節(jié)的能耗節(jié)約能力強(qiáng),能在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)投資回本并且產(chǎn)生盈利,而節(jié)流調(diào)節(jié)引入的節(jié)流損耗很難實(shí)現(xiàn)電力的大規(guī)模節(jié)約。

就環(huán)保效益而言,變頻調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了凝結(jié)水泵電機(jī)的變頻運(yùn)行,降低了能源損耗,且變頻調(diào)節(jié)的方式提升了凝結(jié)水泵電機(jī)的運(yùn)行效率,雙重節(jié)能加持下,具備很高的環(huán)保價(jià)值。

5結(jié)語(yǔ)

天馬能源電機(jī)凝結(jié)水泵變頻調(diào)節(jié)改造項(xiàng)目不僅極大程度降低了能源損耗和電力成本,還通過(guò)減小電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的電流沖擊和"水錘"現(xiàn)象延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。年節(jié)約電力費(fèi)用可以在較短時(shí)間內(nèi)回收改造投資成本,具備客觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保價(jià)值。變頻調(diào)節(jié)技術(shù)在熱力學(xué)電機(jī)上極具應(yīng)用前景,并且可以采用多種調(diào)節(jié)手段并行的方式進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)節(jié)策略,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保價(jià)值的最大化收益。