1 000 MW 機組凝結(jié)水泵變頻解耦控制在節(jié)能改造中的應(yīng)用

（廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223）

0 引言

在當前節(jié)能降耗的政策環(huán)境下，為了滿足電網(wǎng)深度調(diào)峰和機組節(jié)能降耗的需要，針對單元機組凝結(jié)水泵進行變頻控制技術(shù)優(yōu)化已是大型火電機組節(jié)能改造的重點研究方向[1]。目前，凝結(jié)水泵變頻控制技術(shù)主要有兩種應(yīng)用方式：一種是由凝結(jié)水泵變頻器控制凝結(jié)水母管壓力，由除氧器水位調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位；另一種是由凝結(jié)水泵變頻器控制除氧器水位，由除氧器水位調(diào)節(jié)閥控制凝結(jié)水母管壓力[2]。從應(yīng)用現(xiàn)狀來看，后者在減少節(jié)流損失和提高節(jié)能效果上優(yōu)于前者，但在調(diào)節(jié)過程中仍存在水位和壓力調(diào)節(jié)的相互影響和交叉耦合。雖然有些同類型機組通過優(yōu)化協(xié)同控制方案可以降低交叉耦合的影響，但至今仍沒有一種較為理想的解耦控制方案應(yīng)用于凝結(jié)水泵變頻控制技術(shù)[3-6]。

某發(fā)電廠1 000 MW 機組凝結(jié)水系統(tǒng)配置3臺帶有變頻器的凝結(jié)水泵，采用一拖一帶旁路方式。原控制方式是凝結(jié)水母管壓力由凝結(jié)水泵變頻器定壓調(diào)節(jié)，除氧器水位由主副調(diào)節(jié)閥協(xié)同調(diào)節(jié)控制。在機組正常運行階段（尤其帶高負荷時），這種控制方式在除氧器水位調(diào)節(jié)過程中不能保證除氧器水位調(diào)節(jié)閥全開，造成大量節(jié)流損失；機組在變負荷過程中凝結(jié)水壓力需手動設(shè)定，不能實現(xiàn)全程自動調(diào)節(jié)，導致機組效率降低；同時，除氧器水位與凝結(jié)水母管壓力調(diào)節(jié)之間互相耦合、相互影響，降低了凝結(jié)水泵自動控制的可靠性和穩(wěn)定性[7-8]。

為此，本文提出一種1 000 MW 機組凝結(jié)水泵變頻解耦控制策略，并應(yīng)用于某發(fā)電廠1 000 MW 機組凝結(jié)水泵變頻節(jié)能優(yōu)化項目中，以減少系統(tǒng)的節(jié)流損失，解決雙變量控制系統(tǒng)之間的強耦合現(xiàn)象，提高機組效率和控制性能。

1 控制策略

凝結(jié)水泵變頻解耦控制的思路是：在機組各個負荷段，根據(jù)除氧器水位調(diào)節(jié)閥和凝結(jié)水泵變頻器調(diào)節(jié)的性能特點，全程協(xié)同控制除氧器水位和凝結(jié)水母管壓力，保持除氧器水位和凝結(jié)水壓力穩(wěn)定；在高負荷階段除氧器水位調(diào)節(jié)閥全開，節(jié)流損失最小；在低負荷階段凝結(jié)水泵變頻轉(zhuǎn)速保持最低，凝結(jié)水泵電機功耗最?。挥纱?，達到最優(yōu)的控制性能和最佳的節(jié)能效果[9]。凝結(jié)水泵變頻解耦的具體控制策略主要包括變頻控制和解耦控制兩個方面。

1.1 變頻控制

將機組分為啟動階段和正常運行階段，以負荷380 MW 為界，在機組38%額定負荷以下時，控制策略采用除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位，凝結(jié)水泵變頻器控制凝結(jié)水母管壓力，在保證各凝結(jié)水用戶需要的基礎(chǔ)上保持凝結(jié)水泵變頻轉(zhuǎn)速最低。在38%額定負荷以上時，當以下條件同時存在，自動切換為凝結(jié)水泵變頻器控制除氧器水位，除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制凝結(jié)水母管壓力，保證高負荷時除氧器水位調(diào)節(jié)閥保持最大開度[10]：機組負荷大于38%；除氧器水位、除氧器入口流量、鍋爐主給水流量信號質(zhì)量好；5 號低壓加熱器水路通路；任一變頻器在自動狀態(tài)；除氧器上水調(diào)節(jié)閥在自動狀態(tài)。

在高負荷階段，除氧器水位調(diào)節(jié)與凝結(jié)水母管壓力調(diào)節(jié)之間存在強耦合作用，主要表現(xiàn)為當凝結(jié)水泵變頻器指令增加時除氧器水位升高，同時凝結(jié)水母管壓力也增加；為了維持凝結(jié)水母管壓力，調(diào)節(jié)閥開大，這又導致除氧器水位繼續(xù)升高，從而引起凝結(jié)水泵變頻器指令減小。除氧器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)和凝結(jié)水母管壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是雙變量的強耦合控制系統(tǒng)，若要應(yīng)用于實際控制系統(tǒng)，必須對其進行解耦控制[11-12]。耦合系統(tǒng)的數(shù)學模型為：

式中：L 為液位信號；P 為壓力信號；U1（S），U2（S）為輸出函數(shù)；G11（S），G12（S），G21（S），G22（S）為傳遞函數(shù)。

1.2 解耦控制

解耦控制的設(shè)計思路就是解除控制回路或被控變量之間的耦合，使得控制器與被控變量之間成為一對一的獨立控制系統(tǒng)。對角陣解耦、單位陣解耦、反饋解耦、前饋補償解耦都是耦合系統(tǒng)常用的解耦方法和措施，而工程實際中的常用措施是使用前饋補償法進行解耦控制。前饋補償解耦控制方式是基于不變性原理設(shè)計解耦控制器，從而消除多個控制系統(tǒng)的耦合關(guān)聯(lián)性，達到對其解耦控制的目的[13]。應(yīng)用前饋補償法進行解耦的控制邏輯如圖1 所示，其中：R1（S），R2（S）為系統(tǒng)輸入；Y1（S），Y2（S）為系統(tǒng)輸出；Gc1（S），Gc2（S）為系統(tǒng)控制器；D21（S），D12（S）為前饋補償解耦控制器傳遞函數(shù)。

圖1 解耦控制邏輯

根據(jù)前饋補償法解耦原理，由圖1 可以看出，為了使輸出Y2（S）與輸入R1（S）無關(guān)聯(lián)、輸出Y1（S）與輸入R2（S）無關(guān)聯(lián)，各傳遞函數(shù)必須滿足以下關(guān)系：

由此可得前饋補償解耦控制器傳遞函數(shù)為：

綜上分析，利用前饋補償法進行解耦控制可以消除系統(tǒng)之間的相互耦合，使各系統(tǒng)成為互不相關(guān)的獨立控制回路。所以，在高負荷階段，針對除氧器水位調(diào)節(jié)與凝結(jié)水母管壓力調(diào)節(jié)之間的強耦合現(xiàn)象，凝結(jié)水泵變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)可采用靜態(tài)前饋補償解耦的控制方式解除兩者之間的耦合作用，即采用鍋爐主給水流量作為凝結(jié)水泵變頻控制除氧器水位的前饋信號，同時采用凝結(jié)水母管壓力信號進行修正，以達到解耦控制的目的。變頻解耦優(yōu)化后的除氧器水位控制邏輯如圖2 所示。

優(yōu)化后控制策略如下：

（1）低負荷階段（38%額定負荷以下），除氧器水位由主、副調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)控制，凝結(jié)水母管壓力由凝結(jié)水泵變頻器調(diào)節(jié)控制。除氧器水位按照原控制方案進行協(xié)調(diào)控制，即當機組負荷低于20%額定負荷（200 MW）時，由副調(diào)節(jié)閥采用單沖量方式控制除氧器水位；當機組負荷高于25%額定負荷（250 MW）時，轉(zhuǎn)由主調(diào)節(jié)閥采用三沖量方式控制除氧器水位。

（2）高負荷階段（38%額定負荷以上），除氧器水位由凝結(jié)水泵變頻器調(diào)節(jié)控制，凝結(jié)水母管壓力由除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制。凝結(jié)水泵變頻器控制除氧器水位采用三沖量方式，除氧器實際水位與水位設(shè)定值的偏差經(jīng)PID（比例-積分-微分）調(diào)節(jié)器輸出，再加上鍋爐主給水流量的前饋信號作為除氧器入口流量的設(shè)定值，此流量設(shè)定值與實際除氧器入口流量的偏差再經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出，控制凝結(jié)水泵變頻器指令，從而調(diào)節(jié)除氧器水位達到設(shè)定值。

圖2 優(yōu)化后除氧器水位控制邏輯

（3）除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制凝結(jié)水母管壓力采用單回路PID 調(diào)節(jié)，被調(diào)量為凝結(jié)水泵出口母管壓力，設(shè)定值由運行人員手動設(shè)定。正常運行時，凝結(jié)水泵出口壓力設(shè)定值為最低1.3 MPa，在汽輪機跳閘且鍋爐未跳閘時，壓力設(shè)定自動調(diào)整為最低1.5 MPa。

1.3 聯(lián)鎖保護

如凝結(jié)水泵備用聯(lián)啟，則有以下聯(lián)鎖：

（1）當備用凝結(jié)水泵為工頻啟動時，運行變頻泵的指令將自動加至100%，同時將變頻泵切至手動方式。

（2）當備用凝結(jié)水泵為兩用一備變頻啟動時，運行變頻泵的指令將跟蹤凝結(jié)水泵公共指令。

（3）當備用凝結(jié)水泵為一用一備變頻啟動時，運行變頻泵的指令切至85%。

（4）當凝結(jié)水泵停止后，其變頻器的指令將自動降為0%并切至手動方式。

2 現(xiàn)場試驗

為了保證新的控制策略在1 000 MW 機組凝結(jié)水泵變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)中取得良好的節(jié)能優(yōu)化效果，對除氧器水位調(diào)節(jié)、凝結(jié)水壓力控制及機組升降負荷時的控制策略進行了不同工況下的擾動試驗，并結(jié)合試驗結(jié)果對控制回路進行了反向優(yōu)化調(diào)整，使凝結(jié)水泵變頻器及除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制能夠正確、合理、可靠地投入自動，從而保證凝結(jié)水泵變頻解耦控制策略取得良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)和最佳的節(jié)能效果。

2.1 除氧器水位控制試驗

在上述試驗條件具備的情況下，切除除氧器上水調(diào)節(jié)閥自動，投入運行的凝結(jié)水泵變頻器自動，進行參數(shù)整定。運行人員手動將除氧器水位設(shè)定值由2 141 mm 降至2 100 mm，試驗結(jié)果如圖3 所示；運行人員手動將除氧器水位設(shè)定值由2 100 mm 升至2 195 mm，試驗結(jié)果如圖4 所示。圖3 至圖7 中，左、右方框內(nèi)的數(shù)值分別為圖中左、右虛線對應(yīng)時刻的參數(shù)值，由上至下分別為：除氧器水位調(diào)節(jié)閥開度，%；除氧器水位設(shè)定值，mm；除氧器入口流量，t/h；主給水流量，t/h；凝結(jié)水泵變頻指令，%；除氧器水位，mm；機組負荷，MW；凝結(jié)水泵壓力，MPa；凝結(jié)水泵A 反饋指令，%；凝結(jié)水泵B 反饋指令，%；凝結(jié)水泵壓力設(shè)定值，MPa。

投入凝結(jié)水泵變頻器自動控制除氧器水位，通過上述設(shè)定值擾動試驗可以看出：在進行-40 mm 擾動試驗中，水位變化能夠快速跟蹤設(shè)定值變化，穩(wěn)態(tài)偏差?。辉谶M行+95 mm 擾動試驗中，水位動態(tài)偏差最大達到50 mm 左右，穩(wěn)態(tài)偏差在20 mm 以內(nèi)。以上偏差均滿足生產(chǎn)運行要求。

2.2 凝結(jié)水壓力控制試驗

在除氧器水位控制自動投入并調(diào)試完成后，投入除氧器上水調(diào)節(jié)閥自動，控制凝結(jié)水泵出口母管壓力，進行參數(shù)整定。運行人員手動將凝結(jié)水泵出口母管壓力設(shè)定值由1.84 MPa 降至1.65 MPa，試驗結(jié)果如圖5 所示。

圖3 除氧器水位定值減小擾動試驗

圖4 除氧器水位定值增大擾動試驗

圖5 出口壓力定值擾動試驗

投入除氧器上水調(diào)節(jié)閥自動，通過出口壓力定值擾動試驗可以看出：進行-0.19 MPa 擾動試驗時，在設(shè)定值下降的瞬間，調(diào)節(jié)閥迅速打開一定開度，此時實際壓力開始下降，但由于調(diào)節(jié)閥開啟導致凝結(jié)水流量上升，此時凝結(jié)水泵變頻器為了維持水位必須適當降低轉(zhuǎn)速，在此過程中，除氧器上水調(diào)節(jié)閥與凝結(jié)水泵變頻器控制存在互相影響，只要維持在合適范圍之內(nèi)即可。由圖5 可看出，在升負荷過程中，凝結(jié)水泵出口母管壓力控制平穩(wěn)，控制偏差基本維持在0.1 MPa 范圍內(nèi)。

2.3 變負荷時的控制品質(zhì)

為了檢測控制策略在機組變負荷過程中的運行情況，在機組變負荷過程中投入自動運行，運行曲線如圖6、圖7 所示。在機組快速大幅升降負荷過程中：除氧器水位最大控制偏差50～60 mm，絕大部分時間維持在40 mm 以內(nèi)；凝結(jié)水壓力最大控制偏差約在0.15 MPa，絕大部分時間維持在0.1 MPa 以內(nèi)。以上偏差均滿足生產(chǎn)運行要求。

3 節(jié)能分析

圖6 機組升負荷試驗

圖7 機組降負荷試驗

不同負荷下凝結(jié)水泵控制策略優(yōu)化前后的功耗比較見表1，可以看出：控制策略實施前，除氧器水位調(diào)節(jié)閥整個負荷段一直處于未全開狀態(tài)，隨著負荷降低，開度越小，節(jié)流損失越大，且各負荷段凝結(jié)水母管壓力較高，凝結(jié)水泵電流較大；控制策略實施后，除氧器水位調(diào)節(jié)閥在660 MW 負荷以上一直處于全開狀態(tài)，且在低負荷階段也保持較大開度，整個負荷段凝結(jié)水母管壓力保持較低值，凝結(jié)水泵電流下降明顯。從以上分析可知，在機組正常運行階段，即負荷400～1 000 MW 區(qū)間，凝結(jié)水泵變頻解耦控制策略能夠有效提高機組的節(jié)能效果和自動控制水平。

由表1 可知，控制策略優(yōu)化后凝結(jié)水泵電動機功耗平均下降33%左右，單臺凝結(jié)水泵6 kV電動機的電功率為485 kW。某發(fā)電廠兩臺1 000 MW 機組正常運行時凝結(jié)水泵為兩運一備運行方式，按照機組全年運行3 600 h 計算，凝結(jié)水泵變頻解耦控制策略應(yīng)用實施后，兩臺1 000 MW機組將節(jié)省電負荷費用為944 935 元，可見該控制策略可顯著提升機組的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

凝結(jié)水泵變頻解耦控制策略實施后，機組實現(xiàn)了全程自動控制除氧器水位并保持凝結(jié)水母管壓力維持在合理范圍內(nèi)，現(xiàn)場控制效果也充分驗證了這種控制策略具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)和節(jié)能效果。該控制策略具有前瞻性，反應(yīng)快，控制偏差小，有效解決了雙變量控制系統(tǒng)之間的強耦合，增強了凝結(jié)水泵變頻控制的抗擾動和抗干擾能力，提高了機組自動控制水平，保證了系統(tǒng)控制的可靠性和穩(wěn)定性[14]。同時，通過降低系統(tǒng)節(jié)流損失和廠用電率，提高了機組效率，取得了良好的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。在當前節(jié)能減排的大環(huán)境下，本文所提出的控制策略和優(yōu)化思路具有很好的推廣價值。

表1 不同負荷下凝結(jié)水泵控制策略優(yōu)化前后的功耗比較