汽轮机最有利真空循环水泵变频驱动控制系统

第19卷第1期热能动力程Vol. 19 ,No.12004年1月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERJan. , 2004文章编号:001 - 2060( 2004 )01 -0081-04汽轮机最有利真空循环水泵变频驱动控制系统张承慧程金夏东伟(山东大学控制科学与工程学院,山东济南250061 )摘要在火电厂中循环水流 量大多采用节流调节方式控机真空度的高精度控制和经济运行,且运行稳定可制效果差不能保证凝汽器工作在最有利真空值,而且循环靠性能高,节能效果显著。水泵电耗严重。研制了一种循环水泵变频调速控制系统利用PLa(可编程控制器)设计合理的控制逻辑实现平稳启停2汽轮机的经济运行方式与循环水泵流量和切换保证最有利真空值的实现,使汽轮机经济运行。同的控制时分析了汽轮机的经济运行方式给出了最有利真空值的计算原则详细介绍了系统的控制原理、硬件结构及PLC程序2.1 汽轮机的最有利真空度的设计并给出了应用效果。关键词火电厂最有利真空可编程控制器循环水泵;AN变频调速;PID 控制PON2中图分类号:TM621文献标识码APco1引言Plm汽轮机的经济运行是火电厂节能技术改造的重要内容。由于循环水泵所提供的冷却水流量是影响汽轮机真空度的主要因素,因而其控制历来是汽轮ON机经济运行的一个重要问题。目前国内大多采用节DasnD.流方式调节汽轮机的循环水流量而对循环水泵采取定速控制1。这种控制方式造成大量的能量耗费图1汽轮机最 有利真空的确定在阀门上并且控制粗糙不能精确的控制冷却水流量造成汽轮机的真空度不稳定不能保证汽轮机在最有利真空位置处稳定运行21。随着大功率机组的由汽轮机的运行原理可以知道运行中的凝汽大量投入运行各电网中的中等功率机组相继参入器压力主要取决于蒸汽负荷、冷却水入口温度和冷调峰运行循环水泵大多数运行时间在变工况下工却水水量。冷却水温-般取决于自然条件，于是在蒸作。因此在能源资源日益紧张的今天研究如何对汽负荷-定的情况下就只有靠增加冷却水的流量来循环水泵进行调速控制使汽轮机经济运行具有十提高凝汽器的真空度,但是当冷却水水量增加使真空度提高的同时,循环泵的投资及运行电耗将大幅分重要的社会价值和经济价值。通过分析汽轮机的经济运行原理提出了一种增加。为了提高机组运行的经济性真空度提高汽轮新的先进的调速流量控制方案,采用PLC、PID和变机功率的增量△N,应大于为增加循环水量水泵所频技术对循环水泵进行调速控制组成汽轮机最有多消耗的功率ON2。显然,汽轮机的最有利真空利真空循环水泵变频驱动PLC控制系统”。该控制per(又称为经济真空)应位于净增功率ON = ON,系统能够根据运行负荷的变化自动调节汽轮机循环-0中国煤化工轮机工作在经济运行水泵系统水泵的数量和转速达到最有利真空的控方式YHCNMHG却水流量巾为汽轮机制目的,从而改变了火电厂以往的状况实现了汽轮的凝汽器真空,△N为功率差值,AN在冷却水水量收稿日期2003-03-10;修订日期2003-05-19 .基金项目:山东省泉科学基金资助项目( Y2001CG01 )山东省优秀中青年科学家基金资助项目( 02BS020)作者简介张承慧(1963- )男山东陵县人山东大学教授博士生导师.82.热能动力工程2004年比较小的时候随冷却水量的增大而增加,到a点达2.3循环水流 量的调速控制到最大如果再进-步增大冷却水水流量,ON反而图2所示曲线为转速n一定时水泵的扬程-流开始减小,直至为零。从图中可以看出由a点引等量( H~Q)特性曲线和管阻特性曲线。水量线与凝汽器压力线相交的b点所对应的真空值Qi/Q2 = n/n2(4)pe就是最有利真空[4]a点所对应的冷却水水量Deo就是最有利冷却水水量。H-Qi2.2最 有利真空度的计算Hp由上可知,应经过计算分析确定出汽轮机的最有利真空并以此为依据来控制冷却水的流量使汽HA轮机的排气压力尽量维持最有利真空位置,以保证机组在经济运行方式下工作。为了便于在工程应用,本文根据工程实际经验2]采用如下计算原则:Hsr管阻特性(1)根据循环水量增加以前的测试数据,计算出凝汽器的传热系数h;和冷却水速修正系数中，。.QQ, Q/m3.g(2)根据循环水量增加以后的测试数据,计算出增加循环水量后的水速修正系数φ2。由公式:k，图2变频调速 节能原理图解( 1)中、求出增加循环水量后的传热系数k2。由式(4)可知,控制水泵的转速可以线性的调(3)假设-个排汽压力pn ,计算出传热等效平节水量其H~Q特性曲线随着转速的改变在图中均温差Om2。由公式:平行上下移动(如从na降到nx时的虚线曲线所△tm2Ak2(2)示)D2= r2水泵的管阻特性曲线可用式( 5 )表示:计算出循环水流量增加后汽轮机排汽量Dn2。He = Hsr+ S;Q2(5)式中:A一凝冷器换热面积ir2一凝汽器潜热。如果D,2的值满足下式式中Dml为循环水量增式中:Sq 为管网阻力系数,Hsr 为水泵进口到冷凝器的汽包的位差和压力差之和,它是个定值。s;Q2为加前汽轮机的排汽量):总的水阻力损失它与流量的平方成正比。管阻特性|Dn-Dn1< 0.2%(3)曲线与H~Q曲线的交点即为水泵运行的工况Dm则认为p。就是增加循环水量后的排汽压力。如点4。果不满足上式应重新设定排汽压力值进行计算，直当汽轮机的蒸汽负荷改变时，为了使汽轮机维至满足为止。持在最有利真空位置处运行要随之调节循环水的(4)根据排汽压力为p。,计算出相对真空和提流量(假设流量从Qs降为Qp)常用的一种方法是高的真空度。根据提高的真空度与标准煤耗的关系控制调节阀的开度,改变管网阻力系数St ,从而改以及增加循环水流量后的电能耗费,就可以计算出变管阻特性曲线如图2所示这时水泵运行的工况循环水流量增加所带来的经济效益ON。点变为B对应的流量是Qp扬程是Hpo另一种方法(5)按照以上步骤重复计算不同流量下增加的是通过改变水泵的转速,改变水泵的H ~ Q曲线，经济效益ON,由图1可以确定最有利真空的位置这时水泵运行的工况点为A'转速由n降到nA流Peo量世中国煤化工以上计算分析的原则可以实时计算最有利真空CNMHG比节流控制方式中有的数值,由此作为依据( PID调节器的设定值)，来调(Hp-Hx)的扬程浪费在管网中;长期运行能耗十节循环水泵的运行台数和运行转速控制循环水流分严重不利于汽轮机的经济运行。因而循环水泵采量使汽轮机的真空度维持在最有利真空位置,保证用调速运行,节能效果是很显著的。机组的经济庭据第1期张承慧等汽轮机最有利真空循环水泵变频驱动控制系统83.器频率.上/下限和各种故障等)，实现系统的全自动3汽轮机最有利真空度循环泵控制系统设计运行。硬件设计如表1所示。由此系统可根据最有利真空的位置实时调节循环水泵的冷却水流量,3.1系统的控制原理系统的控制原理框图如图3所示。该系统主要实现最有利真空经济运行。由3台水泵、1台变频器、PLC、PID以及线性压力传此外，为了在故障或检修时保证循环水泵可靠运行和设备安全,该系统还具有自动/手动切换功能;感器等组成。和指定运行功能。PLC状态显示 |. 3.3 PLC程序设计PLC控制程序主要完成循环水泵系统最有利真PID调节器一变领器]循环水泵一汽轮机空经济运行的所有逻辑控制功能。整个程序可分为压力传感器5个模块:状态检测模块、运行逻辑运算块、逻辑控制模块、热备模块和故障处理及显示模块。3.3.1状态检 测模块图3控制系 统主框图本模块程序的任务是检测控制系统状态,包括泵电机的运行状态、频率上(下)限信号、各种故障、系统采用一变多定”的控制方式，利用变频器汽轮机的排气压力状况等并将系统状态送入寄存对循环水泵进行速度控制，并根据PID调节器输出器保存。为了防止干扰引起运行时误动作程序对电压信号驱动变频泵电机。PLC、PID调节器和压力变频器的频率上限(下限)信号、压力状态等信号都传感器组成闭环反馈控制系统,用来控制循环冷却进行数字滤波。水流量。其中,PLC控制着各台水泵的运行状态(工3.3.2泵 电机运行逻辑运算块频、变频、停止) ,从而控制水泵的运行台数,在大范运算块的作用就是根据系统的状态和泵电机的围.上控制循环水的流量;PID调节器根据设定值和当前运行状态来确定泵电机的启停、切换以及运行反馈值,自动调整变频器的频率给定输入控制变频方式变频/工频)切换水泵时应遵循以下控制规器对变频泵进行速度调节在小范围上控制循环水则:的流量，从而使汽轮机的真空度稳定的维持在最有( 1)当经过滤波后仍有压力下限信号,且变频利真空位置。器频率已达50 H6频率上限时继续升频至51 Hz,然后关断频率输出信号,延时1 s ,将该泵切换至工3.2控制系统的硬件设计频运行然后变频启动另-台空闲泵。表1 PLC点数分配表(2)当经滤波后仍有压力上限信号,且变频器输入输出功能频率降至20Hd频率下限)时,切掉变频运行的泵电10.0手动/自动Q0.0变频器运行10.1自动启停Q0.1BX滑行停车机并将另一台工频运行的泵电机切换为变频运行。10.21号电机启动Q0.2第二频率设这两条控制规则能够有效的抑制水泵切换时冷10.31号电机停止Q0.31号工频运行10.42号电机启动00.41号变频运行却水流量的突变使之平滑过渡。切换过程结束后，10.52号电机停止00.52号工频运行10.63号电机启动Q0.62号变频运行PID调节器继续通过检测的真空压力信号,调节变10.73号电机停止Q0.73号工频运行频器的运行频率控制冷却水的流量使汽轮机凝汽11.0压力上限3号变频运行11.1压力下限.Q1.1加泵提示器在设定真空值处稳定运行。11.2频率上限Q1.2减泵提示在程序中,PLC 会根据上述控制逻辑，设定各台11.3频率下限Q1.3工频降压启11.41号电机故障Q1.4水泵的运行状态字形成操作字灵活地实现运行水11.52号电机故障Q1.5泵数中国煤化工11.63号电机故障Q1.6 .11.7真空报警Q1.7变频器故障3.3.IYHCNMHG.逻辑控制块的作用是按照运算块形成的操作系统选用的PLC为Siemens S7 - 200 CPU226用字使PLC输出控制指令控制继电器、接触器等低来控制3台水泵的运行逻辑(加减泵、切换、热备和压电器的闭合断开从而实现对泵电机切换、启停等故障处理手检厕系统的状态(电机运行方式、变频控制功能。84 "热能动力工程2004年3.3.4热备模块( 3 )提高机组的安全可靠性。当系统发生故障热备控制模块能够在线监控各台泵电机的运行时调速水泵可降低转速运行,降低给水压力和流时间并且根据现场实际情况确定最有利切换时刻，量 在排除事故以后机组即可重新启动参与运行。以尽量减少真空度的波动为原则，实现泵电机的轮流工作平均承担供水任务,以延长电机寿命,防止4结论水泵生锈导致电机堵转和电机绕组受潮。. 3.3.5 故障处理及显示模块通过分析汽轮机的经济运行方式，设计了一种故障处理模块能够实时检测设备的运行状况，汽轮机最有利真空控制系统。该系统能够根据最有及时处理各种运行故障并显示报警。该模块程序利真空的计算值通过控制循环水泵的运行台数和能够不经运算及控制模块迅速处理诸如电机过热转速来调整循环水流量,使电机组汽轮机工作在最进水温度过高等故障。此外还具有故障消除后自动有利真空位置，实现经济运行的目的。其控制技术复位等功能。先进精度高、稳定可靠。另外,本文给出了-种计算最有利真空值的简便方法。3.4应用情况 .该系统已于1997 年在某热电公司汽轮机组中该系统对于改变目前大多数热电厂循环泵控制投入运行运行表明系统可将汽轮机真空度控制在精度差、自动化程序低、能源浪费严重的状况具有设定真空值的土0.25%范围内稳定运行性能稳定重要的现实意义。可广泛的应用于供水、供暖、油田等其它行业领域将会产生巨大的经济效益,应用前节能效果显著平均节电率为35%。应用表明，循环水泵变频控制系统具有以下优景广阔。本系统已获山东省科技进步二等奖。点:参考文献:(1 )与节流调节方式相比,调速方式提高了真[1] 沈士一.汽轮机原理M ].北京中国电力出版社1992.空度的控制精度，改善了汽轮机机组运行的经济性[2] 陈绍彬.汽轮机及其辅助设备的经济分析[ M ].北京:中国电力能。出版社2000.(2)适应主机调频的需要。定速泵已不能适应[3] 卡别洛维奇B 0.汽轮机设备的运行[M].任 曙译.北京水大中型机组的启停和低负荷运行。调速给水泵的出利电力出版社,1988.口压力是可变的,因此能满足调频机组给水压力的[4]张承慧. 变频调速系统效率优化控制理论及其应用[ D].济南:山东大学2001 .需要。(何静芳编辑)新机组优化组合的Frame 5E燃气轮机据《Gas Turbine Word>2002年9~ 10月号报道原MS5002D型机在ISO 条件下额定功率为32 590kW效率为29.4%。改进的MS5002R( Frame 5E型机在ISO条件下额定输出功率为30000 kW效率为36. 4%。新的Frame 5E机使比例放大的GEI0的轴流压气机与LM2500+ 的动力涡轮模块设计相结合以便达到比机械传动用的类似30 MW级燃气轮机更高的效率。Frame 5E机的压气机直接由CE10设计的比例放大，以便由11级压气机提供17:1的压比96 kg/s的空气流量。可转进口导叶加第一级和第二级可转导叶能避免低速起动失速并提供流量控制。第四级抽气用于涡轮盘冷却和轴承密封。此外第七级抽气用于冷却以及起动和停机时的喘振控制。压气机设计采用三维叶型叠加,从而抑制了二次流动和附面层流动减少由于局部流动分离而造成的损失。6个管-环回流 式燃烧室安装在压气机出口机匣上。虽然基子中国煤化工度更低。结果", E"的燃烧室具有更保守的设计、更长的部件寿命和更有效的排放控制。YHCNMHG.二级轴流式高压涡轮设计结合了先进的航改型叶型冷却技术减少了冷却空气流量的要求并使空气冷却的静叶和动叶可以在宽广的功率范围内高效率的运行。动力涡轮的机械结构实际.上与LM2500+高速动力涡轮设计的低压模块相同,但是包括了重新设计的叶型和流型,以便适应更高的空气流量。二级重型设计在空气动力学上与燃气发生器相匹配。(吉桂明供稿)