摘要：循环水泵是火力发电设备中的重要辅机之一，其功耗占主机容量的4%左右。由于冷却水流量是影响汽轮机真空度的主要因素，因而循环水泵的控制历来是火电厂中的一个重要问题。本文通过分析汽轮机的经济运行原理，提出了一种新的先进的调速流量控制方案，采用PLC、PID和变频技术对循环水泵进行调速控制，组成“汽轮机最有利真空循环水泵变频驱动PLC控制系统”。该控制系统能够根据运行负荷的变化自动调节汽轮机环水泵系统水泵的数量和转速，达到最有利真空的控制目的，从而改变了火电厂以往的状况，实现了汽轮机真空度的高精度控制和经济运行，且运行稳定，可靠性能高，节能效果显著。
关键词：电厂；循环水泵；驱动控制
引言
本文通过分析汽轮机的经济运行原理，提出了一种新的先进的调速流量控制方案，采用PLC、PID和变频技术对循环水泵进行调速控制，组成“汽轮机最有利真空循环水泵变频驱动PLC控制系统”。该控制系统能够根据运行负荷的变化自动调节汽轮机循环水泵系统水泵的数量和转速，达到最有利真空的控制目的，从而改变了火电厂以往的状况，实现了汽轮机真空度的高精度控制和经济运行，且运行稳定，可靠性能高，节能效果显著。
1、汽轮机的经济运行方式与循环水泵流量的控制
1.1 汽轮机的最有利真空度
日前汽轮机的真空度主要是靠调节冷却水流量来控制的。由汽轮机的运行原理可以知道，运行中的凝汽器压力主要取决于蒸汽负荷、冷却水人口温度和冷却水水量。冷却水温一般取决于自然条件，于是在蒸汽负荷一定的情况下就只有靠增加冷却水的流量来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增加。为了提高机组运行的经济性，由于真空度提高汽轮机功率的增量ΔN1应大于为增加循环水量水泵所多消耗的功率ΔN2。显然，汽轮机的最有利真空Peco(又称为经济真空)，应位于净增 功率ΔN=ΔN1-ΔN2的最大值处，此时汽轮机工作在经济运行方式。Dw为冷却水流量，P为汽轮机的凝汽器真空，ΔN为功率差值，ΔN在冷却水水量比较小的时候随冷却水量的增大而增加，到点a达到最大，如果再进一步增大冷却水水流量，ΔN反而开始减小，直至为零。但当到达C点时，汽轮机末级喷嘴的膨胀能力已达到极限，汽轮机功率不会再增加，故c点所对应的真空称为极限真空。由a点引等水量线与凝汽器压力线相交的b点所对应的真空值peco 就是最有利真空，a点所对应的冷却水水量Deco就是最佳冷却水水量。
1.2 最有利真空度的计算
由上述分析可以看出，改变循环水流量可以提高机组运行的经济性。但必须计算改变循环水量后的经济效益ΔN，确定在既定冷却水温度和蒸汽负荷的前提下汽轮机的最有利真空位置。在本文提出的控制方案中，利用工控机(IPC)调用各种参数数据，可以实时在线计算出汽轮机的最有利真空位置。为了便于在工程中应用，本文根据工程实际经验，采用以下计算原则。
1.2.1 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 和冷却水速修正系数φv 1。
1.2.2 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φv2。
由公式：
求出增加循环水量后的传热系数k2。
1.2.3 假设一个排汽压力Pn，计算出传热 等效平均温差Δtm2。
由公式 ：
式中A为凝冷器换热面积，r2为凝汽器潜热。可以计算出循环水流量增加后汽轮机排汽量 Dn2。
如果Dn2的值满足下式：
(式中Dn1为循环水量增加前汽轮机的排汽量) 则认为Pn就是增加循环水量后的排汽压力。如果不满足上式，应重新设定排汽压力值进行计算，直至满足为止。
1.2.4 根据排汽压力Pn，计算出相对真空和提高的真空度。
1.2.5 根据提高的真空度与标准煤耗的关系以及增加循环水流量后的电能耗费，就可以计算出循环水流量增加所带来的经济效益ΔN。
1.2.6 按照以上步骤重复计算不同流量下增加的经济效益ΔN，可以确定最有利真空的位置peco。
由以上计算分析的原则，控制系统可以通过上位机(IPC)实时计算最有利真空的数值，由此作为依据(PID调节器的设定值)，来调节循环水泵的运行台数和运行转速，控制循环水流量使汽轮机的真空度维持在最有利真空位置，保证机组的经济运行。
1.3 循环水流量的调速控制方式原理
水泵的管阻特性曲线可用公式(4)表示：
式中Sf为管网阻力系数，HST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。SfQ2为总的水阻力损失，它与流量的平方成正比。管阻特性曲线与H~Q曲线的交点即为水泵运行的工况点。
当汽轮机的蒸汽负荷改变时，循环水泵的流量要随之变动假设流量从QA降为QB)。有两种方法可以改变流量：一种是通过改变给水调节阀的开度(节流调节方式)，使管网阻力系数Sf改变，从而改变管阻特性曲线，这时水泵运行的工况点变为B，对应的流量是QB，扬程是HB。另一种方法是通过改变水泵的转速，改变水泵的特性曲线，这时水泵运行的工况点为A’，转速由nA降到nA’，流量也为QB，而扬程为HA’。
可以看出，与调速方式相比，调节阀门流量的控制方式中有HB-HA’的扬程浪费在管网中；当在低负荷等工况运行时，冷却水的流量由于只能靠调节阀门控制，造成阀门两端压差很大，很大的能量消耗在阀门上，长期运行能耗十分严重。并且当这个差值很大的时候，有可能导致管网破裂，造成重大经济损失。因而循环水泵采用调速运行，节能效果是很显著的。
2、汽轮机最有利真空度循环泵控制系统设计
(一)系统的控制原理。该系统主要由3台水泵、1台变频器、IPC、PLC、PID以及线性压力传感器等组成。工控机(IPC)作为上位机，主要负责火电厂的运行检测和监控，并在线计算最有利真空值，为控制循环水泵系统的经济运行提供重要参考数据。PLC、PID调节器和压力传感器组成闭环反馈控制系统，用来控制循环冷却水流量。
(二)循环水泵的调速控制。由上文的分析可知，最有利真空的实现是靠调节循环冷却水的流量。本文利用PLC和PID设计了一个反馈控制系统。其中，PLC控制着各台水泵的运行状态(工频、变频、停止)，从而控制水泵的运行台数，在大范围上控制循环水的流量；PID调节器控制变频器对变频泵进行速度调节，在小范围上控制循环水的流量，从而使汽轮机的真空度稳定的维持在最有利真空位置。系统采用的 REX-CD901 PID调节器，内嵌模糊控制技术和参数自整定技术，调节品质优良。它的输入设定值来自上位机根据蒸汽负荷和冷却水温度等参数计算出的最有利真空值，反馈值为由压力传感器检测的汽轮机的实际运行的真空值。根据设定值和反馈值，PID自动调整变频器的频率给定输入，从而控制变频器的输出电压，进而控制循环水泵的转速，实现循环水流量的稳定控制。
(三)控制系统的硬件设计。系统选用的PLC为SiemensS7-200 CPU226，用来控制三台水泵的运行逻辑(加减泵、切换、热备、故障处理)，并检测系统的状态(电机运行方式、变频器频率上/下限、各种故障等)，实现系统的全自动运行。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，实现最有利真空经济运行。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/手动切换功能和指定运行功能。
3、应用优点
循环水泵变频控制系统具有以下优点：一是与节流调节方式相比，调速方式提高了真空度的控制精度，改善了汽轮机机组运行的经济性能。二是适应主机调频的需要。定速泵已不能适应这大中型机组的启停和低负荷运行。调速给水泵的出口压力是可变的，因此能满足调频机组给水压力的需要。三是提高机组的安全可靠性。当系统发生故障时，调速水泵可降低转速运行，降低给水压力和流量，在排除事故以后，机组即可重新启动参与运行。
4、结语
本文通过分析汽轮机的经济运行方式，设计了一种汽轮机最有利真空控制系统。该系统能够根据最有利真空的计算值，通过控制循环水泵的运行台数和转速来调整循环水流量，使电机组汽轮机工作在最有利真空位置，实现经济运行的目的。其控制技术先进，精度高、稳定可靠。
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论文作者:赵慧
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/12
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