魏胜娈

(华电四川发电有限公司攀枝花分公司，四川 攀枝花 617065)

1 设备概述

1.1 设备参数

华电四川发电有限公司攀枝花分公司2×150 MW汽轮机为北京某公司设计，上海某公司制造的超高压、中间再热、单缸、单转子、单排汽、冲动凝汽式汽轮机组。机组凝结水系统为中压系统，配装2台100%容量凝结水泵(以下简称凝泵)，运行方式为“一运一备”。凝泵参数见表1，凝泵电动机参数见表2。

表1 凝泵参数

表2 凝泵电动机参数

1.2 凝泵变频改造前运行情况及存在的问题

1.2.1 凝泵变频改造前运行情况

凝泵采用定速运行，凝结水经凝泵升压后流经轴封加热器，通过主凝结水调节阀(即除氧器上水调整门)和低压加热器进入除氧器。调整主凝结水调节阀开度来调节凝结水量，维持除氧器水位稳定以满足机组运行需要。凝结水还供给汽轮机低压轴封汽减温、低压旁路减温及汽轮机低压缸喷水减温等用水。为防止机组低负荷运行时凝结水系统超压和凝结水泵汽蚀，凝泵设计有凝结水再循环管路，再循环调节阀配合调整除氧器水位，维持系统正常压力运行。

1.2.2 凝泵变频改造前存在的问题

(1)除氧器水位调整是通过改变主凝结水调节阀开度进行的，因其调节线性度差、节流损失大、凝泵耗电率较高而造成能源浪费。

(2)由于阀门动作频繁，阀门的可靠性及使用寿命降低，影响机组的安全、稳定运行。

(3)电动机启动产生巨大的冲击电流，不仅对同一母线上的电动机或其他设备正常工作造成极大的影响，而且交流高压电动机直接启动会产生转矩冲击，在很短的启动过程中，转子笼型绕组及阻尼绕组将承受很高的热应力和机械应力，使笼条的端环断裂，并且造成定子绕组绝缘的机械损伤和磨损，从而导致定子绕组绝缘击穿。直接启动时的大电流还会引起铁芯振动，使铁芯松弛，增加电动机发热量。

2 变频器的改造

2.1 电气部分改造

此次变频改造采用“一拖一”的接线方式，1台机组采用1套变频器，即1台机组中1台凝泵工频运行，1台凝泵变频运行。此次凝泵A变频改造电气部分控制逻辑及状态信号共计14个，其逻辑及各状态信号说明如下。

2.1.1 模拟量信号3个

(1)模拟给定。开环状态下，由分散控制系统(DCS)给定变频器运行频率。

(2)输出频率。变频器实时输出频率(电动机运行频率)反馈至DCS显示。

(3)输出电流。变频器实时输出电流(电动机运行电流)反馈至DCS显示。

2.1.2 逻辑状态信号8个

(1)变频运行指示。变频器已正常启动运行，就地变频器操作面板上“运行指示”绿灯长亮。

(2)重故障信号。

1)变频器系统运行中发生重故障报警时，变频器控制系统将自动发出高压开关跳闸指令，6 kV高压开关将自动跳闸，变频器停止运行。同时闭锁6 kV高压开关“上电允许”信号，DCS上6 kV高压开关合闸操作无效。就地变频器操作面板上“故障指示”红灯长亮。

2)变频器控制系统将对重故障信号指示、高压开关跳闸指令作记忆处理。即便故障消失，重故障信号指示、高压开关跳闸指令依然保持。待故障排除并由运行人员到就地变频器操作面板上对系统复位后，重故障信号指示才能消失，变频器才能恢复到系统待机状态。

3)重故障分类与报警。系统发生外部故障、变压器过热、电动机过流、单元故障(单元故障包括功率模块单元缺相故障、过热、驱动故障、光纤故障)、变频器过流、高压失电、接口板故障、控制器不通信、接口板不通信、系统超速、主控板故障等时，按重故障处理。

(3)轻故障信号。

1)变频器系统运行中发生轻故障报警时，变频器系统不停机，就地变频器操作面板上“故障指示”红灯闪亮。变频器控制系统对轻故障信号不做记忆处理，仅做故障信号指示，待故障消失后，轻故障报警信号将自动消除。

2)变频器系统轻故障包括变压器超温报警、柜门未关。

(4)上电允许信号。变频器系统切换刀闸已切换至“变频状态”，系统自检正常，允许合闸6 kV高压开关。

(5)启动允许信号。变频器系统6 kV高压开关已合闸，系统检测有高压电输入，允许启动变频器运行。

(6)远程控制信号。变频器系统由远方DCS操作控制。

(7)变频状态信号。变频器系统切换刀闸已切换至“变频状态”运行。

(8)工频状态信号。变频器系统切换刀闸已切换至“工频状态”运行，变频器系统退出。

2.1.3 控制指令信号3个

(1)远程启动指令。变频器系统由DCS发出启动变频器运行指令。

(2)远程停机指令。变频器系统由DCS发出停止变频器运行指令。

(3)高压紧急分断指令。当运行人员就地检查发现变频器系统出现紧急状况，或需要立即切断变频器高压电源时，运行人员应按下变频器操作面板上“高压分断”按钮。此“高压分断”按钮具有自锁功能，需要复位“高压分断”按钮时，只需将此按钮顺时针旋转45°后自动复位。

2.2 热工部分改造

2.2.1 改造概述

该项目为凝泵A变频改造所实施的配合项目。系统总体改造情况为加装凝泵A变频器1台，单独为凝泵A提供变频电源，凝泵B仍保持原工频方式运行不变。热工方面改造的总体原则是在DCS中新增凝泵A变频器相关的I/O测点，新增凝泵A的操控界面，相应调整、变更凝泵A自动调节、保护、联锁、报警等逻辑，满足变频改造后相关系统的正常运行、调整和监视需要。

(1)就地设备部分。新增变频室温元件及电缆敷设。

(2)DCS部分。操作员站画面做相应修改，替换或新增部分报警信号。原凝泵A操控逻辑、凝泵A(6 kV开关)热机保护跳闸条件、启动条件等做相应变更，相关泵、阀门联锁关系做相应变更，新增凝泵A变频器的操控逻辑。

2.2.2 改造范围

(1)设备部分。在凝泵A变频器室加装室温元

件Pt100。

(2)DCS硬件部分。利用现有DCS备用I/O通道进行改造，不再新增卡件等硬件。

(3)DCS画面部分。在汽机凝结水系统中设置按钮，并新增弹出窗口，窗口内容为凝泵A变频系统，应包含凝泵A高压开关、变频器等设备的操控、调节、状态、报警监视等内容。汽轮机主控图、凝结水系统画面中涉及凝泵A的内容做相应更新。DCS光字牌报警、汽轮机设备安全管理做相应更新。

(4)DCS逻辑部分。

1)DPU2。根据逻辑设计方案进行除氧器水箱水位调节修改。在38组态页新增凝泵A变频控制。

2)DPU7。在55组态页中新增凝泵A变频器逻辑，包含凝泵A变频器的操控、保护等控制逻辑以及凝泵A启、停状态的自动判断逻辑。原凝结水泵A组态页名称修改为凝泵A高压开关，包含凝泵A高压开关的操控、保护等逻辑。对凝泵A出口电动门、凝泵B组态页中的相关测点取用进行修改。根据配点情况修改点目录文件，相应修改历史数据收集配置文件。

2.2.3 DCS逻辑设计方案

由于变频改造后凝泵A存在2种运行方式，即变频运行方式和工频运行方式，需DCS操控的设备有2个，即6 kV开关和变频器，在DCS画面及组态中对其分别进行控制。工频运行方式下以高压开关的分合进行凝泵A的启、停控制；变频运行方式下，保护跳闸时直接跳高压开关，正常启、停时则以变频器的启停进行凝泵A的启、停控制。

凝泵A启、停状态同样需根据运行方式的不同采用不同的设备测点，变频方式下选取变频器的启停状态，工频方式下选取高压开关的启、停状态，通过组态逻辑实现自动判断。DCS画面中凝泵A的状态颜色同样采用上述方式选取。需要说明的是，变频方式下，因变频器只有运行状态送至DCS，故凝泵A的画面颜色只有红、绿2种，无黄色状态。

因变频、工频2种运行方式下保护动作均直接跳高压开关，故变频器控制逻辑中不设保护跳闸回路。

由于仅对单台凝泵进行变频改造，凝泵A将长期运行，且考虑到变频器的启动较为复杂，故凝泵A在变频状态下将不作为联锁备用。

关于除氧器水位自动调节，由于只有单台凝泵进行变频改造，B泵运行及A泵工频运行时仍然使用凝结水流量调节阀进行自动调节，故此次改造后除氧器水位自动调节继续使用主凝结水调节阀。

主要逻辑设计(各类条件均为热工侧条件，不包含电气回路)。

(1)凝泵A高压开关逻辑条件。在变频方式下的启动允许条件中增加变频器上电允许条件。凝泵A备用联启逻辑，需进行方式选择，在工频方式下可投入备用，否则不允许投备用。凝泵A联跳逻辑，将原高压开关合闸状态替换为经逻辑判断后的泵运行状态。

经对原凝泵备用逻辑进行检查发现存在不合理之处，即凝泵备用投入时泵的启动允许条件随即满足，而备用投入的条件仅为对侧泵运行及本泵停运，未考虑其他启允许条件(凝汽器热井水位低一值、低二值信号未发出，出口电动门关，高压开关切远控)，也未考虑原保护动作条件。在实际运行中，如果高压开关未切远控是可以投备用的，备用投入后启允许条件也就同时满足，而在这种情况下泵将无法联启。通过综合考虑，做如下改进：考虑到备用的重要性，允许在热井水位低一值发出的情况下投备用；热井水位低二值与轴瓦温度保护信号发出时不允许投备用、不允许泵启动；备用投入时会联开出口电动门，故出口电动门关不作为备用投入条件；高压开关切远控必须作为备用投入条件；取消“备用投入后泵启动允许条件随即满足”这一逻辑。

保护跳闸条件(任一条件具备)：

1)变频器重故障；

2)凝结水泵轴瓦温度高；

3)凝汽器热井水位低二值。

变频方式下合闸允许条件(所有条件同时具备)：

1)变频器重故障消失；

2)变频器轻故障消失；

3)变频器来上电允许；

4)距上次跳闸超过10 min；

5)变频器切变频方式；

6)高压开关切远控。

工频方式下合闸允许条件(所有条件同时具备)：

1)变频器切工频方式；

2)热井水位低一值信号未发出或备用投入；

3)出口电动门关或备用投入；

4)高压开关切远控；

5)泵保护动作条件未发出。

凝泵A工频方式下备用投入条件(所有条件同时具备)：

1)变频器切工频方式；

2)高压开关切远控；

3)泵保护动作条件未发出；

4)B泵运行；

5)A泵停运。

备用投入后，如前3项条件丢失，则备用自动退出。此时运行人员应立即联系处理，尽快重新投入。

凝泵B备用投入条件(所有条件同时具备)：

1)高压开关切远控；

2)泵保护动作条件未发出；

3)A泵运行；

4)B泵停运。

备用投入后，如前3项条件丢失，则备用自动退出。此时运行人员应立即联系处理，尽快重新投入。

变频方式下分闸允许条件(所有条件同时具备)：

1)变频器切变频方式；

2)变频器停运超过10 s。

(2)凝结水泵B逻辑中，将联启逻辑中A泵高压开关合、跳状态替换为经逻辑判断后的泵运行、停止状态。

(3)凝泵A变频器逻辑条件。

启动允许条件(所有条件同时具备)：

1)变频器重故障消失；

2)变频器轻故障消失；

3)变频器切变频方式；

4)变频器来启动允许；

5)变频器远控状态；

6)凝汽器热井水位低一值信号未发出；

7)出口电动门关；

8)高压开关切远控；

9)泵保护动作条件未发出。

(4)凝泵A启停状态判断。

(5)凝结水泵A出口门逻辑条件。出口电动门联开、联关逻辑中，将原高压开关合闸、跳闸状态替换为经逻辑判断后的泵运行、停止状态。

(6)在凝泵A频率调节逻辑中设置40%额定频率(20 Hz)的下限，同时根据泵最低出口压力值对频率降低进行闭锁，并设置闭锁投、切开关，便于机组停运时安全停运变频器。

(7)在除氧器水位调节逻辑中设置主凝结水调节阀超驰关逻辑：当A泵变频方式运行中B泵联启时，主凝结水调节阀指令值在现有的基础上降低20%，同时调节阀自动切手动。

3 凝泵A变频器改造试转方案

此次凝泵A加装变频器，凝泵B保留原工频运行方式，改造后凝泵A可在变频和工频2种方式下运行，工频运行方式下凝泵A和凝泵B可以相互联锁。凝泵A变频运行方式下，只能由凝泵A联锁凝泵B。动态试转前，电气和热工静态调试完毕，各逻辑和信号正确。凝泵A变频方式下试转分为2种：一种是电动机空载试转，另一种是带负荷试转(主凝结水调节阀全开)。

3.1 凝泵A电动机空载试转

将凝泵A电动机联轴器拆开。

3.1.1 工频工况下

(1)将变频装置切至工频，检查工频方式下合闸允许条件是否满足。启动凝泵A查看电动机的转向是否正确，否则电动机调相。

(2)工频联锁试验：联锁试验前对凝泵A，B电气保护进行传动试验，保护正常后，做凝泵A，B互联动试验。

3.1.2 变频工况下

(1)将变频装置切至变频位置，检查变频方式下合闸允许条件满足。

(2)正常启动变频器，变频器频率自动整定为40%额定频率(即20 Hz)，观察电动机转速，出口电动门是否联动开启，稳定后逐步(步长为5 Hz)将频率加至100%额定频率(50 Hz)，记录每个频率下电动机电流、转速和振动情况。

(3)变频空载工况下联锁试验：凝泵A变频运行正常，凝泵B联锁备用。按下凝泵A变频器紧急分断按钮，凝泵A停闸，凝泵B联动正常。试验凝泵A变频器非正常停运，6 kV开关不跳情况下，凝泵B联动正常。

3.2 凝泵A变频带负荷试运行

(1)凝泵A变频空载试转正常后，将#12机组凝泵A电动机联轴器联接上。

(2)检查凝泵A切至变频位置，合闸允许条件满足，主凝结水调节阀全开。

(3)正常启动变频器，变频器频率自动整定为40%额定频率(即20 Hz)，观察电动机转速，出口电动门是否联动打开，记录泵的出口压力，观察低转速下电动机和泵的振动。稳定后逐步(步长为5 Hz)将频率加至100%额定频率(50 Hz)，并记录各个频率下泵的出口压力、流量、电流、振动频率。根据系统对泵出口压力的要求，确定凝泵A运行中最低频率的限制。

(4)确定凝泵A运行中最低频率后，热工对最低频率限制进行修改后试验逻辑是否正常。

(5)配合厂家人员进行变频装置负载参数测试和试验。

(6)变频带负荷下联锁试验。凝泵A变频稳定运行，凝泵B联锁备用。凝泵A变频器重故障跳闸，凝泵B联动正常，主凝结水调节阀指令值在现有的基础上降低20%，同时主凝结水调节阀自动切手动。观察、记录凝结水流量、凝泵出口压力变化。

(7)在凝泵A停运过程中，根据泵最低出口压力值对频率降低进行闭锁试验。

4 经济效益及可靠性分析

4.1 节能

异步感应电动机的转速n与电压频率f、转差率s、电机极对数p有如下关系：n=60f(1-s)/p。改变电压频率f可以改变电动机转速。由于凝泵对转速精度要求不是非常高,在异步感应电动机的设计制造完成后,在带负载运行过程中由于负载变化,转差率会略有变化,但变化极小，因此可以认为电动机转速与变频器输出电压频率成线性关系。所以，将频率不变的工网电压变换为不同的频率电压时，电动机转速也会随之改变。

在进行变频调速改造前，凝泵电动机始终处于100%工作负荷状态下，调节凝结器和除氧器中的水位，即凝结泵的出水量完全通过主凝结水调节阀门开度改变管路的阻力来实现。当水量减小时，电动机功率并没有明显下降。如图1所示，当需要减小流量时，减小阀门开度，凝泵工作点从A点移到D点，忽略泵机和电动机效率变化，电动机功率变化不明显。当采用变频调速后，节能效果是明显的。凝泵A变频改造参数见表1。

图1 水泵类负载工作特性曲线

4.2 减少电动机启动时的电流冲击

电动机工频直接启动时的最大启动电流为额定电流的7倍，星角启动为4.5倍，电动机软启动也达到2.5倍。变频器可以做到启动转矩高且平滑无冲击，减少对电网的冲击，保证机组正常运行。观察变频器启动的负荷曲线，可以发现其在启动时基本没有冲击，电流从0开始，仅是随着转速增加而上升，不管怎样都不会超过额定电流。因此凝泵变频运行解决了电动机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电动机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低日常的维护保养费用。

4.3 延长设备寿命

使用变频器可使电动机转速变化随凝泵的加减速特性曲线变化，没有应力负载作用于轴承上，延长了轴承的寿命。而且机械寿命与转速的倒数成正比，降低凝泵转速可成倍地提高凝泵寿命，降低了凝泵使用费用。

4.4 降低噪音

凝泵改用变频器后，降低水泵转速的同时，噪声大幅度降低。同时消除了启动和停止时的打滑和尖啸声，消除了由于调门线性度不好、调节品质差而引起的管道冲击和振动。

表1 凝泵A变频改造参数

5 此次变频改造的影响因素

(1)一是单台凝泵变频改造，二是单台变频器的情况下未设置变频器在两泵间的自动切换功能，制约节能潜力的进一步发挥。

(2)除氧器水位自动执行单元采用主凝结水调节阀，因其已使用较长年限，调节特性偏移导致自动投入效果不佳，带来一定的附加损失。

(3)改造后热工联锁逻辑变得复杂，B泵联启时不可避免地造成凝结水流量及母管压力大幅波动，对除氧器及热井水位的精确控制造成一定影响。

6 结论

通过改造，不但实现了DCS的软操作，有效避免了电动机启动时的强力冲击，保证了设备的安全，同时满足除氧器水位调节的需要和各种异常工况变化的要求，有效解决了凝结水系统管道在低负荷振动大、阀门节流大、控制系统滞后、相互耦合严重以及控制对象特性不确定等难题，更重要的是降低了凝泵耗电率，为机组的安全、经济运行奠定基础，也是企业节能减排的重要举措。