一种海边电厂循环水泵双变频节能控制系统及方法与流程

本发明涉及燃煤发电厂的自动控制领域，具体涉及海边电厂循环水泵双变频节能控制系统及方法。

背景技术：

汽轮机冷端系统比较庞大，包括凝汽器及抽真空系统、循环水系统和凝结水系统等，其存在问题较多，影响机组的热经济性。每台机组辅机的正常运行耗电量一般占机组发电量的5％-9％，其中对于海边电厂而言，冷端系统中循环水泵的耗电量占了厂用电量相当大的比重。因此，冷端系统节能优化控制可以有效地实现火电厂节能降耗的目的。

目前应用较多的定速或双速循环水泵尽管可通过泵的启停或(和)高低速的切换实现循泵运行组合的改变，从而适应冷端工况的变化，然而无论是6kv电机的启停还是高低速切换都不可能频繁连续进行，因此往往只能针对长周期的季节变化进行有限次数的调整，对于昼夜环境温差变化、用电负荷峰谷变化等无法做出有效响应，但在火电机组深度调峰的背景下，响应后者的大幅变化显得更有意义。变频循环水泵具有更加自由和精确的连续变频调节能力，不仅可根据负荷等工况变化实时采用变转速控制，还可以在高负荷段采用工频运行，适应性非常广泛，从而实现变负荷工况下节能降耗的目的。

另一方面，针对已进行循环水泵变频改造后的参数设置多依赖人工经验给定循泵运行频率等冷端设备运行参数，现有冷端优化技术以耗时的冷端优化试验为基础，以运行指导为技术手段，给出不同环境温度与机组负荷对应的循泵运行组合。然而受实际运行工况与试验工况之间存在偏差、冷端管道结垢、机组热负荷与循环水流量难以准确测量、运行指导表格或曲线使用不便、运行人员劳动强度大等制约，实际冷端优化计算精度不足、节能效果有限，变频循泵的自动连续调节能力无法有效发挥。

其次，对于利用海水作为凝汽器等辅机冷却水源的海边电厂火电机组而言，一方面昼夜和冬夏温差大，机组实际运行环境温度往往存在较大的波动；另一方面受潮汐作用影响日潮位变化大，并且潮峰潮谷时间不定，导致凝汽器换热特性和循环水泵耗功特性发生变化。影响冷端系统性能变量较多，对运行人员而言无法实时根据各变量变化对循泵参数进行实时控制。同时由于部分电厂循环水有多种用途，除了保证凝汽器冷却以维持凝汽器真空要求，还有可能参与其他装置的冷却，应保证最低循环水母管压力。因此，影响冷端系统性能的自变量很多，控制系统及方法至关重要。现有的海边电厂循环水泵变频控制系统未充分利用变频自动控制，控制手段仍然依靠操作员根据机组负荷变化及相关参数变化的经验手动输入，循环水泵出口压力参数设定仍缺少科学指导，为了保证机组运行安全，往往设置很大的裕量，并不能真正实现节能目的。

目前，现有海边电厂循环水系统变频节能控制技术局限性：

1.常规机组冷端系统采用定速或双速循环水泵，只能针对长周期的季节变化进行有限次数的调整，对于昼夜环境温差变化、用电负荷峰谷变化等无法做出有效响应；

2.对于海边电厂，由于受潮汐潮位、昼夜/季节温度、负荷等多变量影响，凝汽器换热性能和循环水泵耗功随时随刻发生变化，仅仅凭借运行人员经验无法完成较为准确的冷端设备控制，实际运行过程中机组启停等可控参数缺少科学指导，参数设置存在盲目性，经常会因为循泵母管压力设定裕量选取过大，造成循泵耗功电能浪费严重。同时也会导致部分负荷时，循环水调节门参与动作，对系统造成了较大的节流损失，循环水调节门开度也应该进行合理设定。

3.目前通过部分冷端性能试验进行冷端可控参数进行优化，包括循环水泵变频参数设定、阀门开度等，其中性能测试数据存在片面性。一方面，海边电厂受潮位变化影响较大，并潮位时刻变化，每一工况内其运行状态在发生变化，循泵及凝汽器等装置运行特性发生变化，不易进行测量；其次，受潮位、环境温度、负荷等变量影响，如要获得较为全面的数据，测量工作量也是需要考虑的因素。同时由于受冷端管道结垢等影响实际运行工况与试验工况之间存在偏差，也会导致冷端优化控制不精确，节能效果有限。

4.根据性能试验进行冷端系统参数设置，往往采用运行指导表格或曲线的形式进行指导，操作者需要对当前运行工况进行插值等寻优工作，从而确定相关设置参数，使用不便，运行人员劳动强度大。同时变量较多时，实时进行参数校正更为不现实。

技术实现要素：

鉴于以上问题，本发明针对海边电厂冷端系统开发了循环水泵双变频节能控制系统，基于循环水泵变频改造的基础上，增加了循环水母管压力的保护控制，增加了循环水泵变频自动控制及循环水泵出口阀门控制回路，以及根据凝汽器真空等设置了循环水泵变频自动保护控制回路，实现了循环水泵变频节能自动控制，解决了潮位、循环水入口温度、负荷等多变量协同控制难题，从而提高了电厂的自动控制水平，降低了循环水泵电耗，实现节能降耗的目的。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种海边电厂循环水泵双变频节能控制系统，测量第一循环水前池4液位信号的第一循环水前池液位传感器17和测量循环水母管压力的循环水母管压力传感器18与第一循环水泵扬程计算模块19连接，计算扬程的第一循环水泵扬程计算模块19和测量第一循环水泵8转速的第一循环水泵转速传感器16与第一循环水泵泵功计算模块20连接，测量第一循环水泵8电流的第一循环水泵电流传感器21和第一循环水泵泵功计算模块20与第一循环水泵特性曲线修正模块22连接；同理，测量第二循环水前池5液位信号的第二循环水前池液位传感器24和测量循环水母管压力的压力传感器18与第二循环水泵扬程计算模块25连接，计算扬程的第二循环水泵2扬程计算模块25和测量第二循环水泵9转速的第二循环水泵转速传感器23与第二循环水泵泵功计算模块26连接，测量第二循环水泵9电流的第二循环水泵电流传感器27和第二循环水泵泵功计算模块26与第二循环水泵特性曲线修正模块28连接；所述第一循环水泵扬程计算模块19、第一循环水泵转速传感器16、第二循环水泵扬程计算模块25、第二循环水泵转速传感器23与计算循环水总流量的循环水流量计算模块31相连；设置在凝汽器13进出口的凝汽器循环水进口温度传感器29和凝汽器循环水出口温度传感器30与循环水流量计算模块31三者均与凝汽器热负荷计算模块32相连；凝汽器热负荷计算模块32与凝汽器背压计算模块33连接，测量实际凝汽器背压的凝汽器真空压力传感器34、实测汽轮机12负荷的机组负荷测量模块35、凝汽器背压计算模块33与凝汽器微增功率曲线计算模块36连接；凝汽器微增功率曲线计算模块36、第一循环水泵特性曲线修正模块22和第二循环水泵特性曲线修正模块28与控制指令模块37连接；控制指令模块37与被控部件第一循环水泵8和第二循环水泵9以及第一凝汽器循环水入口调门10和第二凝汽器循环水入口调门11相连。

所述的一种海边电厂循环水泵双变频节能控制系统的控制方法，具体如下：

将第一循环水前池液位传感器17测量的前池液位信号和循环水母管压力传感器18测量的循环水母管压力信号送入第一循环水泵扬程计算模块19进行计算，将得到第一循环水泵8扬程和通过第一循环水泵转速传感器16测量的第一循环水泵8转速信号一起送入第一循环水泵泵功计算模块20进行插值计算，根据循环水泵厂家提供的循泵特性曲线插值获得第一循环水泵8理论泵功，随后利用第一循环水泵电流信号和第一循环水泵工作电压计算获得第一循环水泵8实际泵功，随后送入第一循环水泵特性曲线修正模块22对第一循环水泵8的泵功特性曲线进行修正；同理，将第二循环水前池液位传感器24测量的前池液位信号和循环水母管压力传感器18测量的循环水母管压力信号送入第二循环水泵扬程计算模块25进行计算，将得到第二循环水泵9扬程和通过第二循环水泵转速传感器23测量的第二循环水泵9转速信号一起送入第二循环水泵泵功计算模块26进行插值计算，根据循环水泵厂家提供的循泵特性曲线插值获得第二循环水泵9理论泵功，随后利用第二循环水泵电流信号和第二循环水泵工作电压计算获得循第二环水泵9实际泵功，随后送入第二循环水泵特性曲线修正模块28对第二环水泵9的泵功特性曲线进行修正；根据第一循环水泵扬程计算模块19计算得到第一循环水泵8扬程、第一循环水泵转速传感器16测量的第一循环水泵8转速信号、第二循环水泵扬程计算模块25计算得到第二循环水泵9扬程、第二循环水泵转速传感器23测量的第二循环水泵转速信号送入循环水流量计算模块31中进行计算，插值查询循泵特性曲线获得循环水总流量；随后根据凝汽器循环水进口温度传感器29和凝汽器循环水出口温度传感器30实测凝汽器循环水进口和出口温度，并结合循环水总流量送入凝汽器热负荷计算模块32求得凝汽器热负荷，送入凝汽器背压计算模块33根据凝汽器生产厂家提供的换热特性曲线进行插值求得凝汽器理论背压；并结合凝汽器真空压力传感器34测得实际凝汽器背压对换热特性曲线进行修正，根据机组负荷测量模块35测量的汽轮机负荷，送入凝汽器微增功率曲线计算模块36计算不同流量下对应的背压-微增功率关系，从而通过控制指令模块37将汽机微增功率曲线和泵耗功特性曲线进行寻优获得当前潮位、最优背压及循环水流量对应的第一循泵8和第二循泵9转速指令和第一凝汽器循环水入口调门10和第二凝汽器循环水入口调门11所对应的开度；从而避免循环水流量过大，造成过低的凝汽器背压致使循环水泵耗功的浪费，也能够通过第一凝汽器循环水入口调门10和第二凝汽器循环水入口调门11的调节避免循环水泵母管压力过低造成的安全问题。

所述汽轮机微增功率计算模块36计算不同流量下对应的背压-微增功率关系方法如下：

首先通过凝汽器背压计算模块33获得理论计算背压p′和实测背压p对凝汽器换热特性曲线进行修正；

δp＝p-p′

随后认为当前凝汽器循环水温度不变、热负荷不变时，给出不同流量下对应的背压关系曲线；

p＝f1(q)+δp

微增功率曲线公式：

pt＝f2(p)＝f2(f1(q)+δp)。

所述控制指令模块37将汽机微增功率曲线和泵耗功特性曲线进行寻优采用粒子群寻优算法。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、对于海边电厂，由于受潮汐潮位、昼夜/季节温度、负荷等多变量影响，凝汽器换热性能和循环水泵耗功随时随刻发生变化，仅仅凭借运行人员经验无法完成较为准确的冷端设备控制，实际运行过程中机组启停等可控参数缺少科学指导，参数设置存在盲目性，经常会因为循泵母管压力设定裕量选取过大，造成循泵耗功电能浪费严重。同时也会导致部分负荷时，循环水调节门参与动作，对系统造成了较大的节流损失。采用该变频节能控制系统，可以精确计算当前潮位、负荷、环境温度下所需的循环水流量，从而保证凝汽器循环水入口调门最大开度，有效降低了节流损失，循环水泵转速较低，从而达到节能减排的目的。

2、目前通过部分冷端性能试验进行冷端可控参数进行优化，包括循环水泵变频参数设定、阀门开度等，其中性能测试数据存在片面性。一方面，海边电厂受潮位变化影响较大，并潮位时刻变化，每一工况内其运行状态在发生变化，循泵及凝汽器等装置运行特性发生变化，不易进行测量；其次，受潮位、环境温度、负荷等变量影响，如要获得较为全面的数据，测量工作量也是需要考虑的因素。同时由于受冷端管道结垢等影响实际运行工况与试验工况之间存在偏差，也会导致冷端优化控制不精确，节能效果有限。该控制方法通过实测数据，包括潮位、循环水入口温度、循泵电流、凝汽器背压等参数，对循泵耗功特性曲线和凝汽器换热特性曲线进行修正，获得实时准确的控制指令。

3、根据性能试验进行冷端系统参数设置，往往采用运行指导表格或曲线的形式进行指导，操作者需要对当前运行工况进行插值等寻优工作，从而确定相关设置参数，使用不便，运行人员劳动强度大。同时变量较多时，实时进行参数校正更为不现实。该控制方法使用自适应分析最佳工况，给出最优控制指令，指令连续，不需运行人员额外操作，大大降低运行人员劳动强度。

附图说明

图1为本发明系统部件连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明。

海边电厂冷端系统如图1中实线框图所示，海边电厂海水1潮汐作用经过第一前池过滤装置2和第二前池过滤装置3分别过滤后流入第一循环水前池4和第二循环水前池5中，保持第一循环水泵入口电动阀6和第二循环水泵入口电动阀7全开，海水分别经过第一循环水泵8和第二循环水泵9加压流经第一凝汽器循环水入口调门10和第二凝汽器循环水入口调门11送入凝汽器13中对汽轮机12排汽进行冷却，随后流出凝汽器返回海水中。另一侧，汽轮机12排出的蒸汽进入凝汽器13中经过循环水冷却送入热井中，随后经过凝结水泵15加压完成后续加热发电等流程。凝汽器13连接真空泵14。

本发明提出的海边电厂循环水泵双变频节能控制系统的组成如图1中虚线所示：

测量第一循环水前池4液位信号的第一循环水前池液位传感器17和测量循环水母管压力的循环水母管压力传感器18与第一循环水泵扬程计算模块19连接，计算扬程的第一循环水泵扬程计算模块19和测量第一循环水泵8转速的第一循环水泵转速传感器16与第一循环水泵泵功计算模块20连接，测量第一循环水泵8电流的第一循环水泵电流传感器21和第一循环水泵泵功计算模块20与第一循环水泵特性曲线修正模块22连接；同理，测量第二循环水前池5液位信号的第二循环水前池液位传感器24和测量循环水母管压力的压力传感器18与第二循环水泵扬程计算模块25连接，计算扬程的第二循环水泵2扬程计算模块25和测量第二循环水泵9转速的第二循环水泵转速传感器23与第二循环水泵泵功计算模块26连接，测量第二循环水泵9电流的第二循环水泵电流传感器27和第二循环水泵泵功计算模块26与第二循环水泵特性曲线修正模块28连接；所述第一循环水泵扬程计算模块19、第一循环水泵转速传感器16、第二循环水泵扬程计算模块25、第二循环水泵转速传感器23与计算循环水总流量的循环水流量计算模块31相连；设置在凝汽器13进出口的凝汽器循环水进口温度传感器29和凝汽器循环水出口温度传感器30与循环水流量计算模块31三者均与凝汽器热负荷计算模块32相连；凝汽器热负荷计算模块32与凝汽器背压计算模块33连接，测量实际凝汽器背压的凝汽器真空压力传感器34、实测汽轮机12负荷的机组负荷测量模块35、凝汽器背压计算模块33与凝汽器微增功率曲线计算模块36连接；凝汽器微增功率曲线计算模块36、第一循环水泵特性曲线修正模块22和第二循环水泵特性曲线修正模块28与控制指令模块37连接；控制指令模块37与被控部件第一循环水泵8和第二循环水泵9以及第一凝汽器循环水入口调门10和第二凝汽器循环水入口调门11相连。

基于以上凝结水变频节能控制系统技术方案的控制方法为：

将第一循环水前池液位传感器17测量的前池液位信号和循环水母管压力传感器18测量的循环水母管压力信号送入第一循环水泵扬程计算模块19进行计算，将得到第一循环水泵8扬程和通过第一循环水泵转速传感器16测量的第一循环水泵8转速信号一起送入第一循环水泵泵功计算模块20进行插值计算，根据循环水泵厂家提供的循泵特性曲线插值获得第一循环水泵8理论泵功，随后利用第一循环水泵电流信号和第一循环水泵工作电压计算获得第一循环水泵8实际泵功，随后送入第一循环水泵特性曲线修正模块22对第一循环水泵8的泵功特性曲线进行修正；同理，将第二循环水前池液位传感器24测量的前池液位信号和循环水母管压力传感器18测量的循环水母管压力信号送入第二循环水泵扬程计算模块25进行计算，将得到第二循环水泵9扬程和通过第二循环水泵转速传感器23测量的第二循环水泵9转速信号一起送入第二循环水泵泵功计算模块26进行插值计算，根据循环水泵厂家提供的循泵特性曲线插值获得第二循环水泵9理论泵功，随后利用第二循环水泵电流信号和第二循环水泵工作电压计算获得循第二环水泵9实际泵功，随后送入第二循环水泵特性曲线修正模块28对第二环水泵9的泵功特性曲线进行修正；根据第一循环水泵扬程计算模块19计算得到第一循环水泵8扬程、第一循环水泵转速传感器16测量的第一循环水泵8转速信号、第二循环水泵扬程计算模块25计算得到第二循环水泵9扬程、第二循环水泵转速传感器23测量的第二循环水泵转速信号送入循环水流量计算模块31中进行计算，插值查询循泵特性曲线获得循环水总流量；随后根据凝汽器循环水进口温度传感器29和凝汽器循环水出口温度传感器30实测凝汽器循环水进口和出口温度，并结合循环水总流量送入凝汽器热负荷计算模块32求得凝汽器热负荷，送入凝汽器背压计算模块33根据凝汽器生产厂家提供的换热特性曲线进行插值求得凝汽器理论背压；并结合凝汽器真空压力传感器34测得实际凝汽器背压对换热特性曲线进行修正，根据机组负荷测量模块35测量的汽轮机负荷，送入凝汽器微增功率曲线计算模块36计算不同流量下对应的背压-微增功率关系，从而通过控制指令模块37将汽机微增功率曲线和泵耗功特性曲线进行寻优获得当前潮位、最优背压及循环水流量对应的第一循环水泵8和第二循环水泵9转速指令和第一凝汽器循环水入口调门10和第二凝汽器循环水入口调门11所对应的开度；从而避免循环水流量过大，造成过低的凝汽器背压致使循环水泵耗功的浪费，也能够通过第一凝汽器循环水入口调门10和第二凝汽器循环水入口调门11的调节避免循环水泵母管压力过低造成的安全问题。

以下详细说明相关模块的计算过程：

(1)第一循环水泵扬程计算模块19和第二循环水泵扬程计算模块25计算循环水泵扬程的公式如下：

p1＝ρg(h-z1)

式中：h为扬程/m；p2为循环水泵出口压力/pa；p1为循环水泵进口压力/pa；ρ为循环水泵进、出口水的平均密度/kg·m^-3；g为重力加速度(9.81m·s^-2)；z2为循环水泵出口测量截面标高/m；z1为循环水泵进口测量截面标高/m；v2为循环水泵出口管道流速/m·s^-1；v1为循环水泵进口管道流速/m·s^-1；h为前池液位/m；

其中由于管径前后相同，进出口流速相同，可忽略最后一项，进出口标高为定值，循环水泵进口压力可用前池液位和进口标高进行换算，因此输入计算使用循环水母管压力和前池液位即可。

(2)循环水流量计算模块31、第一循环水泵泵功计算模块20和第二循环水泵泵功计算模块26的插值计算方法如下：

厂家会提供循泵特性曲线及数据，包括转速-流量-扬程三者之间的关系、转速-流量-泵轴功三者之间的关系。公式使用下述表达方式：

qn＝f(h，n)

当n1＜n＜n2时，

式中：n为当前循泵转速/rpm；h为循泵扬程/m；qn为当前转速循环水流量/m³·s^-1；为转速n1时的循环水流量/m³·s^-1；为转速n2时的循环水流量/m³·s^-1；a1、b1、c1、d1和a2、b2、c2、d2分别为循环水泵在转速为n1和n2的曲线常数系数；

相同原理，泵功计算如下：

pn＝f(qn，n)

当n1＜n＜n2时，

式中：n为当前循泵转速/rpm；qn为当前转速循环水流量/m³·s^-1；pn为当前转速泵轴功/w；为转速n1时的泵轴功/w；为转速n2时的泵轴功/w；a1、b1、c1、d1和a2、b2、c2、d2分别为循环水泵在转速为n1和n2的曲线常数系数；

(3)第一循环水泵特性曲线修正模块22和第二循环水泵特性曲线修正模块28对泵功特性曲线进行如下修正：

由第一循环水泵泵功计算模块20和第二循环水泵泵功计算模块26可知理论泵轴功p′n；

实际泵输入功率：

泵电机输入功率与泵轴功关系：pn＝pcηηgr

式中：u为水泵电压/kv；i为实测电流值/a；为功率因数；η为泵机械效率；ηgr为泵电机效率；

δp＝pn-p′n

随后用偏差对当前转速下循环水泵曲线进行修正；

pn＝f(qn，n)+δp

随后使用相似定理，求解不同转速及流量下对应的泵轴功pn；

q2/q1＝n2/n1

p2/p1＝(n2/n1)³

(4)凝汽器热负荷计算模块32进行凝汽器热负荷的公式如下：

热负荷计算：w＝mcp(t2-t1)

式中：w为凝汽器热负荷/w；cp为冷却水平均温度下的比热容/j·(kg·k)^-1；m为冷却水流量，kg·s^-1。

(5)凝汽器背压计算模块33进行如下插值计算：

厂家会提供凝汽器换热特性曲线及数据，在循环水流量和凝汽器循环水入口温度已知，即可求出热负荷-背压之间的关系曲线，随后根据热负荷即可求出理论背压。已知当前循环水泵流量为qn、当前凝汽器循环水入口温度t，计算公式如下：

p＝f(qn，t，w)

当q1＜qn＜q2、t1＜t＜t2时，

式中：p为当前计算背压/kpa；qn为当前转速循环水流量/m³·s^-1；q1为特性曲线给出工况1循环水流量/m³·s^-1；q2为特性曲线给出工况2循环水流量/m³·s^-1；t为当前凝汽器循环水入口温度/℃；t1为工况1凝汽器循环水入口温度/℃；t2为工况2凝汽器循环水入口温度/℃；为流量为q1、温度为t1下凝汽器背压/kpa；为流量为q1、温度为t2下凝汽器背压/kpa；为流量为q2、温度为t1下凝汽器背压/kpa；为流量为q2、温度为t2下凝汽器背压/kpa；a1、b1、c1、d1和a1、b1、c1、d1为流量为q1时温度为t1和t2的曲线常数系数；a2、b2、c2、d2和a2、b2、c2、d2为流量为q2时温度为t1和t2的曲线常数系数。

(6)汽轮机微增功率计算模块36计算不同流量下对应的背压-微增功率关系

首先通过凝汽器背压计算模块33获得理论计算背压p′和实测背压p对凝汽器换热特性曲线进行修正。

δp＝p-p′

随后认为当前凝汽器循环水温度不变、热负荷不变时，给出不同流量下对应的背压关系曲线；

p＝f1(q)+δp

微增功率曲线公式：

pt＝f2(p)＝f2(f1(q)+δp)

(7)控制指令模块37将汽机微增功率曲线和泵耗功特性曲线进行寻优采用粒子群寻优算法，具体如下：(粒子群寻优算法为通用算法)

由第一循环水泵特性曲线修正模块22、第二循环水泵特性曲线修正模块28、第二循环水泵特性曲线修正模块36可求出修正后的流量对应泵耗功、微增功率的关系式，故使用粒子群算法可以求出三者之间收益最好对应的流量，进而求得对应的最优背压、最优转速及阀门开度。

假设在一个n维空间进行搜索，粒子i的信息可用两个n维向量来表示：第i个粒子的位置可表示为xi＝(xi1，xi2，…xin)^t，速度为vi＝(vi1，vi2，…vin)^t，在找到两个最优解后，粒子可根据下式来更新自己的速度和位置：

式中：——粒子i在第k次迭代中第d维的速度；——粒子i在第k次迭代中第d维的当前位置；i——1,2,3,…,m种群大小；c1、c2——学习因子；rand1、rand2——介于[0，1]之间的随机数；——粒子i在第d维的个体极值点的位置；——整个种群在第d维的全局极值点的位置。