一、引言
火电厂锅炉在机组启动点火时，为了能够顺利地在冷炉膛内将煤粉点燃，使锅炉系统迅速预热升温，实现机组的快速启动；或者机组运行时，为了提高煤粉的燃烧率，保证机组的出力，都需要向炉膛内喷入高压燃油引火、助燃。目前国内汽轮发电机组的燃油泵系统，普遍都是采用工频定速运行，通过调节门来控制回油量的方式，来调节母管油压及调节喷油量。如图1(a)所示，正常时1台或2台油泵运行，1台备用，互为联锁。在实际运行中存在如下问题：
1、定速运行方式不管是否需要喷油，油泵电机恒高速运行，母管油压力、流量都比较大，因此耗能大。特别是在汽轮发电机组长期稳定运行，不需要点火或助燃时，耗能问题更加突出。
2、油泵长期高速运行容易造成轴承磨损、发热，导致泵体损坏，影响其寿命。另外，油泵启动冲击大，易造成电气或机械故障。
采用可编程序逻辑控制器(PLC)控制的变频调速，对火电厂的燃油系统进行改造，将能很好地解决上述问题。广西大学电气工程学院成功地对来宾电厂、柳州发电有限公司(柳州电厂)等的燃油泵系统进行了变频调速改造，给电厂带来了很大的经济效益。
二、变频调速方式
为提高变频器的利用率，减少设备的一次投资，我们设计的燃油泵变频调速系统，采用“一比三” 的结线方式，即1台变频器可以分别向3台油泵供电；运行上采用“变频+定速”的方式；母管的油压通过压力变送器反馈到变频器的测量输入端，如图1(b)所示。当需要喷油时，升高变频器(VVVF)输出电压U和频率f，使油泵电机转速升高，保证供油母管的压力和流量。当f=50 Hz后，如果母管油压和流量还不能满足要求时，投入2台油泵工作，其中1台为变频调速工作，另1台为工频定速工作。当不需要喷油时，1台油泵在低频低转速下工作，就能满足了母管回油压力和小回油量的要求，而火电厂的点火油泵，绝大部分时间恰恰都是工作在这种状态下。
图1 点火油泵及控制系统图
(a)点火油泵系统图；(b)电气控制原理图
图2是调速油泵的运行曲线图，图中H表示压力，Q是流量，n是转速。油泵如果只作定速运行，则喷油和不喷油时，油泵的转速都为n1，其工作在A1点，用电量是图中OH1A1Q1包围的面积。进行变频调速之后，喷油时，转速为n1，工作点在A1点。不喷油时，调节转速为n2，工作点移到A2点，用电量为OH2A2Q2包围的面积。从图2我们可以看到，进行调速后用电量比定速运行时少得多。减少的用电量是H1A1Q1Q2A2H2所包围的面积。
图2 油泵调速的p-Q曲线
H1A1Q1Q2A2H2=OH1A1Q1-OH2A2Q2
实际运行时，这部分的电量，白白地消耗在管道的回油作功上。从泵类负载的工作原理，我们也不难得出油泵输入电功率为：
式中：P——油泵电机输入的电功率；M——油泵转矩；n——转速。
泵类负载流量Q正比于转速n。
qv∝n
又，油泵属于平方型负载，转矩M与转速成平方关系，即
M∝n2
所以输入电功率
式中：k——系数。
也就是说用变频调速方式改变流量，减少Q时，输入的电功率P按流量的三次方减少。因此，对燃油泵进行调速节能效果非常显著。
在柳州电厂燃油泵变频调速改造中，喷油时，整定频率f1=50 Hz，母管油压p1=3.0 Mpa；不喷油时，整定频率f2=25 Hz，母管油压p2=0.8 Mpa。单台油泵运行时，调速前后，不喷油时实测数据如表1所示。
表1 单台油泵调速前后运行参数记录
三、PLC控制
图1(b)电路中，P1、P2、P33台油泵通过KM1、KM3、KM5都可以接到变频器(VVVF)；通过控制KM1、KM4、KM6可以接到工频电源。也就是说，通过控制KM1～KM6，可将任1台油泵设置为变频调速、工频定速或备用3种状态之一。变频器能分别对3台油泵进行软启动，但正常运行时，它仅允许带动1台油泵。这些控制均由PLC自动实现。当不喷油时或用油量较小时，合上KM1，启动变频器带动P1泵低频低转速供油。当1台锅炉点火或用油量较大时，将频率f升高，P1泵高频高转速单独供油。当2台锅炉同时点火或要求增加发电功率而需要大量喷油助燃时，仅P1 1台泵供油量不够后，先断开KM1退出变频器，之后立即合上KM2将P1切换到工频工作状态，然后合KM3投入变频器软启动P2泵，并带动P2变频调速工作，保证母管油压和供油量。如果工作泵出现故障，会出现下列情况：①工频定速泵P1故障，将变频器输出升到f=50Hz，U=380 V，断开KM3，投入KM4，使P2工频定速运行，然后合KM5，启动备用泵P3变频运行；②变频调速泵故障，直接合KM5，启动备用泵P3变频运行。可编程序控制器PLC的程序流程如图3所示。
图3 软件流程图
四、经济效益
柳州电厂点火油泵变频改造项目可取得如下经济效益：①可减少运行人员5人，按人均1.5万元/年薪计，节支7.5万元/年。②在节能方面，改造前油泵电流110 A，改造后为10 A，cosφ=0.85,P=
Uicosφ，按年运行7094 h计，年节电量为 ：
W=ΔP.t=U(I1-I2)cosφ.t=380(110-10)cos0.85.7 094=396 876 (kW.h)
按上网电价0.38元/kW.h计，每年节约资金15.1万元。两项合计年效益为22.6万元。该项目总投资23万元，投运一年后即可收回全部投资。
五、结论
1、火电厂点火燃油泵系统的变频调速，很好地起到了节能降耗的作用，同时用变频器的软启动功能，很好地解决了由于油泵启动冲击而引起的电气、机械故障等问题。
2、用PLC对油泵调速系统进行控制，大大提高了系统的自动化程度，在主控室便可以对油泵进行遥控，油泵房不再需要运行人员值班操作，既减轻了劳动强度，减少工资开支，又提高了系统的可靠性。
3、通过软件编程，还可以定期地进行“倒泵”操作。在一定的时段内切换每1台油泵的工作状态，及其投入、切除的顺序等，保证每台油泵年运行的时数相等，避免使用率不均而造成部分油泵过磨损或因长期不用而卡涩。
总之，实际应用证明，PLC控制的油泵变频调速系统，是一种实用可靠、效益显著、值得广泛推广的系统。
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