变频调节电控系统在凝结水泵改造中的应用

引言

凝结水泵是热力学发电系统中的重要组成部分,其工作原理是在高度真空的状态下,将凝汽器热井内的冷凝水输送至低压加热器设备中进行加热。由此观之,未经优化的凝结水泵系统在发电机组正常工作时处于工频运行状态,且转化效率较低,占有很大的工厂能源消耗比重。为了实现更高效的能源利用率,节约电能从而提高环保效益和企业的经济效益,提升企业的市场竞争能力,协同增强发电系统的整体稳定性和易于维护性,对凝结水泵电机进行改造势在必行。

1项目概况

本项目以天马再生能源有限公司两台20Mw汽轮发电机组的四台凝结水泵为依托,进行节能改造。

原有的发电机组每组配备两台凝结水泵,一作日常运行之用,一作备用。凝结水泵电机正常运行之时采用额定工频运行策略,其额定指标为45kw,额定转速为2965r/min,电能消耗占运行总功耗比重大。原有的凝结水泵为调门调节,其原理在于调节水泵出水口的调门大小控制凝汽器的热井水位处于正常状态,属于节流式方案,该方案在实际运行过程中存在着如下缺点:

(1)节流式调节方案并不能从能耗源头克服凝结水泵消耗大的缺陷,并未有效地优化能源消耗的方式,产生的节流损失反而降低了节点运行效率:

(2)节流式调节方案不能克服在凝结水泵启动过程中对系统的较大冲击:

(3)凝结水泵的运行和维护操作并不简易便利。

本项目在延用原有动力电缆和控制电缆的前提下,使用一拖一控制的四台变频柜替换原有的四组工频运行电机,实现从源头上解决变频水泵功耗大的缺陷。新方案采用变频调节为主、调门调节为辅的结合方式,实现凝结水泵的变频运行,提高了系统的安全性和可靠性。

2变频调节电控系统的组成及工作原理

采用变频调节可以较好控制整体系统的功耗和安全性能,减少水泵开启造成的内部应力,延长设备的使用寿命。变频调节电控系统的组成及其工作原理如下:

2.1变频调节电控系统的组成

凝结水泵改造变频调节电控系统主要由四台凝结水泵(一备一用)、四台凝结水泵电机、四台一拖一连接的变频柜、动力电缆、控制电缆设备附件和分布式控制系统(DistributedControlsystem,DCs)等几部分组成。

凝结水泵电机的作用是为凝结水泵的凝结水输送工作提供电力能源:变频柜通过频率调节控制电机转速实现能耗控制:动力电缆和控制电缆分别是各设备之间电力能源和控制信号的传输通道:具备PID(proportion-integral-differential)反馈纠偏回路部件的DCs系统能有效监控变频系统的运行工况,自动化地执行单个设备启停、联锁启停等功能[l]。

其中变频柜为变频调节系统的核心组成部件,其技术要求具备大于IP42级的防护等级,以ACs55o-45kw变频器为核心,在各类断路器、保护器、继电器及传感器的辅助作用下实现变频功能。

2.2变频调节电控系统的工作原理

调门的节流式非变速调节是一种改善凝结水泵管路性能的调节方式,适用于小流量机组。与此不同,变频调节属于变速调节,是一种改善凝结水泵本身性能曲线的方式,因此减小了节流损失,提高了运行效率。

变频调节电控系统的工作原理是以异步电动机为基础的:在具备PID单元的DCs控制系统的自动控制下,将四台带有变频柜的电机(即变频电机)作为电源,通过变频柜调整输出频率f从而使同步电机的转速达到改变点。变频调节适用于大流量机组。

另外,带电控系统的变频调节能控制启动电流处于额定电流的比例小于3/2。在电机启动时通过缓慢增加转速的方式实现无极调节,减小启动电流带来的巨大冲击和启动过程中的"水锤"现象。

3凝结水泵变频改造方案

本项目设计的凝结水泵变频改造方案旨在节约能源和投资成本,因此只对必要设备进行改进和升级,其余设备延用原有方案,最终达到以变频调节为主,调门节流调节为辅的目的。3.1变频柜安装

改造方案的变频柜分别安装于400V配电室的I段、Ⅱ段、Ⅲ段、Ⅳ段末端,对应于四台变频电机。四台变频柜与对应的变频电机的连接采用一拖一的控制方式。

为了节省投资成本,变频柜所需要的控制电缆和动力电缆延用原有方案的线缆,对于长度不够的应用过渡端子进行对接。变频柜的进线开关电源由原有的抽屉电源代替,动力电缆由抽屉柜出线至变频柜进线,通过配电柜底部电缆沟进行走线工作。原有控制电缆及信号反馈电缆由原端子排作为中转引出,另一端至变频柜内端子排。为了达到预期控制效果,控制电缆不小于1.5mm2且完善对应的屏蔽措施。

更换为变频电机后,系统需增加冷却风扇对电机进行工作保护,因此需对冷却风扇进行供电改造,具体如下:在变频柜内部进线开关出口新增一路空气开关,其负载引至接触器电机控制热偶保护配置单元,并将变频器启停信号引出至中间继电器,在DCs控制系统的作用下实现变频器与冷却风扇同时启停的功能。

变频柜与变频电机具体的性能指标是在高防护等级下实现5~50Hz的变频工作,其核心工作元件为ACs550-45kw变频器。4台变频柜、4组变频电机及其他器件的总投资额为391508元。3.2变频器信号控制

变频器信号控制是变频调节电控系统的关键步骤,通过控制电缆实现DCs系统与变频柜之间的通信功能。为节约电缆,新方案延用原抽屉柜中端子排备用信号电缆,对之进行编号、对点,并增加中转端子排新敷设两根8×1.5mm2电缆,同时在DCs系统增加频率模拟量输出/输入通道并加保护隔离器,由于新增了变频电机和冷却风扇的缘故,需对原有的控制电缆开关量信号和模拟量信号进行拓展。

启动/停止信号:DCs通过控制电缆向变频器发出启动或停止指令,变频器开始运行或停止:

运行/停止信号:变频器反馈的工作状态信号:

就地/远方信号:标志着变频器由现场控制和中控室控制的信号:

电气故障信号:标志着设备运行中出现的电气故障:

冷却风扇运行信号:标志着冷却风扇的工况:

故障联锁跳泵信号:出现故障时,冷却风扇联停水泵电机的信号:

电机电流反馈信号:原电机向控制系统反馈的电机工况信号:

频率给定/反馈信号:DCs与变频器双向的频率信息传输信号。

3.3DCs系统改造

DCs是一种基于TCP/IP协议的双冗余分布式控制系统。由于使用了变频电机替换原有工频电机,引入了冷却风扇设备,因此DCs所需要通信的控制量增加,需要对原有的DCs系统进行改造。

为监控变频设备的实时频率信息并向其发送频率的变换信号,需新增一路变频模拟量信号来控制当前的电机频率及获取电机的频率信息。

为监控冷却风扇的工作状况,需增加风扇的运行信号,使得DCs具备调节风扇启停和获取工况信息的功能。为了进一步提高系统的安全性能,当发生故障时,需要将冷却风扇和水泵电机进行联停。因此,在变频器启停信号中引出中间继电器连接冷却风扇供电线路,从而实现冷却风机故障联锁跳水泵的功能,避免水泵电机过热受损,延长设备使用寿命。

3.4PlD控制

变频调节电控系统属于闭环自动控制技术,基于反馈三要素(测量、比较和执行)进行控制,PID控制能较大限度地保证系统的运行,减少不确定性。

改造方案中,热井的水位控制由PID单元实现。水位参数的纯滞后和大惯性特征,导致了系统的非线性。PID控制通过比例控制减小被控参数的波动:通过积分控制消除比例控制的余差影响,消除稳态误差:通过微分控制提升液位的惯性响应速度,并减小由于积分控制产生的超调趋势。因此,在PID的综合控制下,实现对热井液位的准确测量和比较。

4系统的应用情况及技术深化

经过变频柜改造、控制信号拓展和DCs系统改造后,新系统在DCs控制系统的作用下,经过拓展的控制电缆和动力电缆实现对变频电机和冷却风扇运行状态的读取和控制,保证了设备正常、稳定、高效地运行,降低了电流冲击和"水锤"作用对凝结水泵的影响,延长了设备的使用寿命,减小了能源消耗,其具体改善如下:

原有系统凝结水泵的工频输出频率为45kw,变频系统的平均输出功率为36kw,节省能耗20%左右。计算可得,每小时每台凝结水泵的节约电量为9kw·h,年节约电量为315360kw·h:以垃圾焚烧上网电价0.65元/kw·h计算,年节约电费204984元。变频调节系统总投资价格为391508元,约两年可回收全部投资。

就节能技术而言,变频调节技术优化的是凝结水泵自身的特性曲线,适用于大范围的流量调节:节流调节优化的是管路特性曲线,适用于小范围的流量调节[3]。本方案采用变频调节为主,流量调节为辅的策略,实现了管路特性曲线和凝结水泵特性曲线的双重调节,进一步协同增强了调节效果。

就经济效益而言,变频调节初期投资规模大而节流调节改造费用少。但变频调节的能耗节约能力强,能在较短时间内实现投资回本并且产生盈利,而节流调节引入的节流损耗很难实现电力的大规模节约。

就环保效益而言,变频调节实现了凝结水泵电机的变频运行,降低了能源损耗,且变频调节的方式提升了凝结水泵电机的运行效率,双重节能加持下,具备很高的环保价值。

5结语

天马能源电机凝结水泵变频调节改造项目不仅极大程度降低了能源损耗和电力成本,还通过减小电机启动过程的电流冲击和"水锤"现象延长了设备使用寿命。年节约电力费用可以在较短时间内回收改造投资成本,具备客观的经济效益和环保价值。变频调节技术在热力学电机上极具应用前景,并且可以采用多种调节手段并行的方式进一步优化调节策略,实现经济、环保价值的最大化收益。