第19卷第1期熱能動力程Vol. 19 ,No.12004年1月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERJan. , 2004文章編號:001 - 2060( 2004 )01 -0081-04汽輪機最有利真空循環(huán)水泵變頻驅動控制系統(tǒng)張承慧程金夏東偉(山東大學控制科學與工程學院,山東濟南250061 )摘要在火電廠中循環(huán)水流 量大多采用節(jié)流調節(jié)方式控機真空度的高精度控制和經濟運行,且運行穩(wěn)定可制效果差不能保證凝汽器工作在最有利真空值,而且循環(huán)靠性能高,節(jié)能效果顯著。水泵電耗嚴重。研制了一種循環(huán)水泵變頻調速控制系統(tǒng)利用PLa(可編程控制器)設計合理的控制邏輯實現平穩(wěn)啟停2汽輪機的經濟運行方式與循環(huán)水泵流量和切換保證最有利真空值的實現,使汽輪機經濟運行。同的控制時分析了汽輪機的經濟運行方式給出了最有利真空值的計算原則詳細介紹了系統(tǒng)的控制原理、硬件結構及PLC程序2.1 汽輪機的最有利真空度的設計并給出了應用效果。關鍵詞火電廠最有利真空可編程控制器循環(huán)水泵;AN變頻調速;PID 控制PON2中圖分類號:TM621文獻標識碼APco1引言Plm汽輪機的經濟運行是火電廠節(jié)能技術改造的重要內容。由于循環(huán)水泵所提供的冷卻水流量是影響汽輪機真空度的主要因素,因而其控制歷來是汽輪ON機經濟運行的一個重要問題。目前國內大多采用節(jié)DasnD.流方式調節(jié)汽輪機的循環(huán)水流量而對循環(huán)水泵采取定速控制1。這種控制方式造成大量的能量耗費圖1汽輪機最 有利真空的確定在閥門上并且控制粗糙不能精確的控制冷卻水流量造成汽輪機的真空度不穩(wěn)定不能保證汽輪機在最有利真空位置處穩(wěn)定運行21。隨著大功率機組的由汽輪機的運行原理可以知道運行中的凝汽大量投入運行各電網中的中等功率機組相繼參入器壓力主要取決于蒸汽負荷、冷卻水入口溫度和冷調峰運行循環(huán)水泵大多數運行時間在變工況下工卻水水量。冷卻水溫-般取決于自然條件，于是在蒸作。因此在能源資源日益緊張的今天研究如何對汽負荷-定的情況下就只有靠增加冷卻水的流量來循環(huán)水泵進行調速控制使汽輪機經濟運行具有十提高凝汽器的真空度,但是當冷卻水水量增加使真空度提高的同時,循環(huán)泵的投資及運行電耗將大幅分重要的社會價值和經濟價值。通過分析汽輪機的經濟運行原理提出了一種增加。為了提高機組運行的經濟性真空度提高汽輪新的先進的調速流量控制方案,采用PLC、PID和變機功率的增量△N,應大于為增加循環(huán)水量水泵所頻技術對循環(huán)水泵進行調速控制組成汽輪機最有多消耗的功率ON2。顯然,汽輪機的最有利真空利真空循環(huán)水泵變頻驅動PLC控制系統(tǒng)”。該控制per(又稱為經濟真空)應位于凈增功率ON = ON,系統(tǒng)能夠根據運行負荷的變化自動調節(jié)汽輪機循環(huán)-0中國煤化工輪機工作在經濟運行水泵系統(tǒng)水泵的數量和轉速達到最有利真空的控方式YHCNMHG卻水流量巾為汽輪機制目的,從而改變了火電廠以往的狀況實現了汽輪的凝汽器真空,△N為功率差值,AN在冷卻水水量收稿日期2003-03-10;修訂日期2003-05-19 .基金項目:山東省泉科學基金資助項目( Y2001CG01 )山東省優(yōu)秀中青年科學家基金資助項目( 02BS020)作者簡介張承慧(1963- )男山東陵縣人山東大學教授博士生導師.82.熱能動力工程2004年比較小的時候隨冷卻水量的增大而增加,到a點達2.3循環(huán)水流 量的調速控制到最大如果再進-步增大冷卻水水流量,ON反而圖2所示曲線為轉速n一定時水泵的揚程-流開始減小,直至為零。從圖中可以看出由a點引等量( H~Q)特性曲線和管阻特性曲線。水量線與凝汽器壓力線相交的b點所對應的真空值Qi/Q2 = n/n2(4)pe就是最有利真空[4]a點所對應的冷卻水水量Deo就是最有利冷卻水水量。H-Qi2.2最 有利真空度的計算Hp由上可知,應經過計算分析確定出汽輪機的最有利真空并以此為依據來控制冷卻水的流量使汽HA輪機的排氣壓力盡量維持最有利真空位置,以保證機組在經濟運行方式下工作。為了便于在工程應用,本文根據工程實際經驗2]采用如下計算原則:Hsr管阻特性(1)根據循環(huán)水量增加以前的測試數據,計算出凝汽器的傳熱系數h;和冷卻水速修正系數中，。.QQ, Q/m3.g(2)根據循環(huán)水量增加以后的測試數據,計算出增加循環(huán)水量后的水速修正系數φ2。由公式:k，圖2變頻調速 節(jié)能原理圖解( 1)中、求出增加循環(huán)水量后的傳熱系數k2。由式(4)可知,控制水泵的轉速可以線性的調(3)假設-個排汽壓力pn ,計算出傳熱等效平節(jié)水量其H~Q特性曲線隨著轉速的改變在圖中均溫差Om2。由公式:平行上下移動(如從na降到nx時的虛線曲線所△tm2Ak2(2)示)D2= r2水泵的管阻特性曲線可用式( 5 )表示:計算出循環(huán)水流量增加后汽輪機排汽量Dn2。He = Hsr+ S;Q2(5)式中:A一凝冷器換熱面積ir2一凝汽器潛熱。如果D,2的值滿足下式式中Dml為循環(huán)水量增式中:Sq 為管網阻力系數,Hsr 為水泵進口到冷凝器的汽包的位差和壓力差之和,它是個定值。s;Q2為加前汽輪機的排汽量):總的水阻力損失它與流量的平方成正比。管阻特性|Dn-Dn1< 0.2%(3)曲線與H~Q曲線的交點即為水泵運行的工況Dm則認為p。就是增加循環(huán)水量后的排汽壓力。如點4。果不滿足上式應重新設定排汽壓力值進行計算，直當汽輪機的蒸汽負荷改變時，為了使汽輪機維至滿足為止。持在最有利真空位置處運行要隨之調節(jié)循環(huán)水的(4)根據排汽壓力為p。,計算出相對真空和提流量(假設流量從Qs降為Qp)常用的一種方法是高的真空度。根據提高的真空度與標準煤耗的關系控制調節(jié)閥的開度,改變管網阻力系數St ,從而改以及增加循環(huán)水流量后的電能耗費,就可以計算出變管阻特性曲線如圖2所示這時水泵運行的工況循環(huán)水流量增加所帶來的經濟效益ON。點變?yōu)锽對應的流量是Qp揚程是Hpo另一種方法(5)按照以上步驟重復計算不同流量下增加的是通過改變水泵的轉速,改變水泵的H ~ Q曲線，經濟效益ON,由圖1可以確定最有利真空的位置這時水泵運行的工況點為A'轉速由n降到nA流Peo量世中國煤化工以上計算分析的原則可以實時計算最有利真空CNMHG比節(jié)流控制方式中有的數值,由此作為依據( PID調節(jié)器的設定值)，來調(Hp-Hx)的揚程浪費在管網中;長期運行能耗十節(jié)循環(huán)水泵的運行臺數和運行轉速控制循環(huán)水流分嚴重不利于汽輪機的經濟運行。因而循環(huán)水泵采量使汽輪機的真空度維持在最有利真空位置,保證用調速運行,節(jié)能效果是很顯著的。機組的經濟庭據第1期張承慧等汽輪機最有利真空循環(huán)水泵變頻驅動控制系統(tǒng)83.器頻率.上/下限和各種故障等)，實現系統(tǒng)的全自動3汽輪機最有利真空度循環(huán)泵控制系統(tǒng)設計運行。硬件設計如表1所示。由此系統(tǒng)可根據最有利真空的位置實時調節(jié)循環(huán)水泵的冷卻水流量,3.1系統(tǒng)的控制原理系統(tǒng)的控制原理框圖如圖3所示。該系統(tǒng)主要實現最有利真空經濟運行。由3臺水泵、1臺變頻器、PLC、PID以及線性壓力傳此外，為了在故障或檢修時保證循環(huán)水泵可靠運行和設備安全,該系統(tǒng)還具有自動/手動切換功能;感器等組成。和指定運行功能。PLC狀態(tài)顯示 |. 3.3 PLC程序設計PLC控制程序主要完成循環(huán)水泵系統(tǒng)最有利真PID調節(jié)器一變領器]循環(huán)水泵一汽輪機空經濟運行的所有邏輯控制功能。整個程序可分為壓力傳感器5個模塊:狀態(tài)檢測模塊、運行邏輯運算塊、邏輯控制模塊、熱備模塊和故障處理及顯示模塊。3.3.1狀態(tài)檢 測模塊圖3控制系 統(tǒng)主框圖本模塊程序的任務是檢測控制系統(tǒng)狀態(tài),包括泵電機的運行狀態(tài)、頻率上(下)限信號、各種故障、系統(tǒng)采用一變多定”的控制方式，利用變頻器汽輪機的排氣壓力狀況等并將系統(tǒng)狀態(tài)送入寄存對循環(huán)水泵進行速度控制，并根據PID調節(jié)器輸出器保存。為了防止干擾引起運行時誤動作程序對電壓信號驅動變頻泵電機。PLC、PID調節(jié)器和壓力變頻器的頻率上限(下限)信號、壓力狀態(tài)等信號都傳感器組成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng),用來控制循環(huán)冷卻進行數字濾波。水流量。其中,PLC控制著各臺水泵的運行狀態(tài)(工3.3.2泵 電機運行邏輯運算塊頻、變頻、停止) ,從而控制水泵的運行臺數,在大范運算塊的作用就是根據系統(tǒng)的狀態(tài)和泵電機的圍.上控制循環(huán)水的流量;PID調節(jié)器根據設定值和當前運行狀態(tài)來確定泵電機的啟停、切換以及運行反饋值,自動調整變頻器的頻率給定輸入控制變頻方式變頻/工頻)切換水泵時應遵循以下控制規(guī)器對變頻泵進行速度調節(jié)在小范圍上控制循環(huán)水則:的流量，從而使汽輪機的真空度穩(wěn)定的維持在最有( 1)當經過濾波后仍有壓力下限信號,且變頻利真空位置。器頻率已達50 H6頻率上限時繼續(xù)升頻至51 Hz,然后關斷頻率輸出信號,延時1 s ,將該泵切換至工3.2控制系統(tǒng)的硬件設計頻運行然后變頻啟動另-臺空閑泵。表1 PLC點數分配表(2)當經濾波后仍有壓力上限信號,且變頻器輸入輸出功能頻率降至20Hd頻率下限)時,切掉變頻運行的泵電10.0手動/自動Q0.0變頻器運行10.1自動啟停Q0.1BX滑行停車機并將另一臺工頻運行的泵電機切換為變頻運行。10.21號電機啟動Q0.2第二頻率設這兩條控制規(guī)則能夠有效的抑制水泵切換時冷10.31號電機停止Q0.31號工頻運行10.42號電機啟動00.41號變頻運行卻水流量的突變使之平滑過渡。切換過程結束后，10.52號電機停止00.52號工頻運行10.63號電機啟動Q0.62號變頻運行PID調節(jié)器繼續(xù)通過檢測的真空壓力信號,調節(jié)變10.73號電機停止Q0.73號工頻運行頻器的運行頻率控制冷卻水的流量使汽輪機凝汽11.0壓力上限3號變頻運行11.1壓力下限.Q1.1加泵提示器在設定真空值處穩(wěn)定運行。11.2頻率上限Q1.2減泵提示在程序中,PLC 會根據上述控制邏輯，設定各臺11.3頻率下限Q1.3工頻降壓啟11.41號電機故障Q1.4水泵的運行狀態(tài)字形成操作字靈活地實現運行水11.52號電機故障Q1.5泵數中國煤化工11.63號電機故障Q1.6 .11.7真空報警Q1.7變頻器故障3.3.IYHCNMHG.邏輯控制塊的作用是按照運算塊形成的操作系統(tǒng)選用的PLC為Siemens S7 - 200 CPU226用字使PLC輸出控制指令控制繼電器、接觸器等低來控制3臺水泵的運行邏輯(加減泵、切換、熱備和壓電器的閉合斷開從而實現對泵電機切換、啟停等故障處理手檢廁系統(tǒng)的狀態(tài)(電機運行方式、變頻控制功能。84 "熱能動力工程2004年3.3.4熱備模塊( 3 )提高機組的安全可靠性。當系統(tǒng)發(fā)生故障熱備控制模塊能夠在線監(jiān)控各臺泵電機的運行時調速水泵可降低轉速運行,降低給水壓力和流時間并且根據現場實際情況確定最有利切換時刻，量 在排除事故以后機組即可重新啟動參與運行。以盡量減少真空度的波動為原則，實現泵電機的輪流工作平均承擔供水任務,以延長電機壽命,防止4結論水泵生銹導致電機堵轉和電機繞組受潮。. 3.3.5 故障處理及顯示模塊通過分析汽輪機的經濟運行方式，設計了一種故障處理模塊能夠實時檢測設備的運行狀況，汽輪機最有利真空控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據最有及時處理各種運行故障并顯示報警。該模塊程序利真空的計算值通過控制循環(huán)水泵的運行臺數和能夠不經運算及控制模塊迅速處理諸如電機過熱轉速來調整循環(huán)水流量,使電機組汽輪機工作在最進水溫度過高等故障。此外還具有故障消除后自動有利真空位置，實現經濟運行的目的。其控制技術復位等功能。先進精度高、穩(wěn)定可靠。另外,本文給出了-種計算最有利真空值的簡便方法。3.4應用情況 .該系統(tǒng)已于1997 年在某熱電公司汽輪機組中該系統(tǒng)對于改變目前大多數熱電廠循環(huán)泵控制投入運行運行表明系統(tǒng)可將汽輪機真空度控制在精度差、自動化程序低、能源浪費嚴重的狀況具有設定真空值的土0.25%范圍內穩(wěn)定運行性能穩(wěn)定重要的現實意義?？蓮V泛的應用于供水、供暖、油田等其它行業(yè)領域將會產生巨大的經濟效益,應用前節(jié)能效果顯著平均節(jié)電率為35%。應用表明，循環(huán)水泵變頻控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)景廣闊。本系統(tǒng)已獲山東省科技進步二等獎。點:參考文獻:(1 )與節(jié)流調節(jié)方式相比,調速方式提高了真[1] 沈士一.汽輪機原理M ].北京中國電力出版社1992.空度的控制精度，改善了汽輪機機組運行的經濟性[2] 陳紹彬.汽輪機及其輔助設備的經濟分析[ M ].北京:中國電力能。出版社2000.(2)適應主機調頻的需要。定速泵已不能適應[3] 卡別洛維奇B 0.汽輪機設備的運行[M].任 曙譯.北京水大中型機組的啟停和低負荷運行。調速給水泵的出利電力出版社,1988.口壓力是可變的,因此能滿足調頻機組給水壓力的[4]張承慧. 變頻調速系統(tǒng)效率優(yōu)化控制理論及其應用[ D].濟南:山東大學2001 .需要。(何靜芳編輯)新機組優(yōu)化組合的Frame 5E燃氣輪機據《Gas Turbine Word>2002年9~ 10月號報道原MS5002D型機在ISO 條件下額定功率為32 590kW效率為29.4%。改進的MS5002R( Frame 5E型機在ISO條件下額定輸出功率為30000 kW效率為36. 4%。新的Frame 5E機使比例放大的GEI0的軸流壓氣機與LM2500+ 的動力渦輪模塊設計相結合以便達到比機械傳動用的類似30 MW級燃氣輪機更高的效率。Frame 5E機的壓氣機直接由CE10設計的比例放大，以便由11級壓氣機提供17:1的壓比96 kg/s的空氣流量?？赊D進口導葉加第一級和第二級可轉導葉能避免低速起動失速并提供流量控制。第四級抽氣用于渦輪盤冷卻和軸承密封。此外第七級抽氣用于冷卻以及起動和停機時的喘振控制。壓氣機設計采用三維葉型疊加,從而抑制了二次流動和附面層流動減少由于局部流動分離而造成的損失。6個管-環(huán)回流 式燃燒室安裝在壓氣機出口機匣上。雖然基子中國煤化工度更低。結果", E"的燃燒室具有更保守的設計、更長的部件壽命和更有效的排放控制。YHCNMHG.二級軸流式高壓渦輪設計結合了先進的航改型葉型冷卻技術減少了冷卻空氣流量的要求并使空氣冷卻的靜葉和動葉可以在寬廣的功率范圍內高效率的運行。動力渦輪的機械結構實際.上與LM2500+高速動力渦輪設計的低壓模塊相同,但是包括了重新設計的葉型和流型,以便適應更高的空氣流量。二級重型設計在空氣動力學上與燃氣發(fā)生器相匹配。(吉桂明供稿)