DQZHAN訊：淺談利用變頻技術(shù)對給水泵電機的節(jié)能改造及綜合效益分析

0前言

節(jié)約能源是國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略決策，也是發(fā)電企業(yè)提高企業(yè)核心競爭力的必由之路，發(fā)電企業(yè)發(fā)電過程的成本控制成為了影響企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，作為現(xiàn)代電廠成本控制的關(guān)鍵，提高設(shè)備的可靠性、降低廠用電率是實現(xiàn)電廠降低成本、提高市場競爭力的基礎(chǔ)。給水泵作為聯(lián)合循環(huán)機組中能耗較大的輔助設(shè)備，降低其用電量對有效降低廠用電率有重要的意義，本文就利用變頻技術(shù)對給水泵的節(jié)能改造進行簡要論述。

1給水泵運行情況的分析

華能金陵燃機熱電有限公司有兩套S109FA燃氣--蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，每套機組配置2臺給水泵，1臺運行，另1臺作為備用，兩臺給水泵互為連鎖。給水泵電機額定功率為2240kW，額定電流245.4A，額定電壓6000V，頻率50Hz;泵組采用多級立式離心泵，軸功率1772kW，轉(zhuǎn)速2985r/min,流量高壓311m3/h，中壓78m3/h。給水泵配置的電機功率相對水泵軸功率而言，略偏大，因而完全可滿足聯(lián)合循環(huán)機組的運行需求。

給水泵采用定速運行且高、中壓合泵。給水泵第3級后抽出的工質(zhì)成為中壓給水，進入中壓省煤器，中壓給水在中壓省煤器中加熱到接近飽和溫度后，一部分去天然氣性能加熱器，一部分進入中壓汽包。中壓汽包中的水由下降管進入中壓蒸發(fā)器，加熱后成為汽水混合物回到汽包，在汽包內(nèi)的分離器中進行汽水分離。分離出來的水回到汽包的水空間，飽和蒸汽則通過飽和蒸汽引出管送到中壓過熱器，繼續(xù)被加熱成為過熱蒸汽，與高壓缸排汽(冷再蒸汽)混合后，進入再熱器1加熱，出口蒸汽經(jīng)過再熱器減溫器，由中壓給水來的減溫水調(diào)節(jié)溫度后進入再熱器2，溫度進一步提高后，進入汽機中壓缸中做功。給水泵出口工質(zhì)為高壓給水，依次經(jīng)過7級高壓省煤器進入高壓汽包。高壓汽包中的水由下降管進入高壓蒸發(fā)器，加熱后成為汽水混合物回到汽包，在汽包內(nèi)的分離器中進行汽水分離。分離出來的水回到汽包的水空間，飽和蒸汽經(jīng)過飽和蒸汽引出管被依次送到高壓過熱器1、2加熱，出口蒸汽經(jīng)過高壓蒸汽減溫器，由高壓給水來的減溫水調(diào)節(jié)溫度后再依次送入高壓過熱器3、4內(nèi)繼續(xù)加熱，溫度進一步提高后，進入汽機高壓缸做功。為防止機組低負荷運行時給水泵汽蝕，還設(shè)計有給水再循環(huán)管路。

在正常運行狀態(tài)下，給水泵工頻運行，高、中汽包給水調(diào)門根據(jù)汽包水位設(shè)定值自動水位，給水泵是通過調(diào)節(jié)給水調(diào)節(jié)閥門的開度來實現(xiàn)水位的調(diào)節(jié)與控制。但是由于這一控制方式節(jié)流損失較大、控制閥門為機械調(diào)整結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)品質(zhì)差。在實際運行中，經(jīng)常由于高、中壓汽包上水調(diào)整門的調(diào)節(jié)特性所限，容易出現(xiàn)各種故障，使現(xiàn)場維護量增加，且存在著出口壓力高、容易造成管路損壞等問題。從配套電機參數(shù)中可知，給水泵是利用大功率馬達來帶動小水泵來工作，長期運行中受調(diào)節(jié)控制方式的限制，這一方式下的系統(tǒng)效率低下，極易造成電機老化和能源的浪費，并且大功率電機直接啟動，啟動電流過大易造成設(shè)備啟動瞬間損壞(該廠投產(chǎn)至今發(fā)生9次給水泵啟動瞬間電機損壞事故)，在現(xiàn)代節(jié)能減排、降低成本經(jīng)營管理理念的指導(dǎo)下，這種控制方式已經(jīng)不能滿足企業(yè)生產(chǎn)的需求。因此，采用變頻控制技術(shù)進行給水泵的技術(shù)改造，以此實現(xiàn)給水泵電機軟啟動及節(jié)能降耗的目的勢在必行。

2給水泵節(jié)能改造的分析

新型的變頻控制技術(shù)是將傳統(tǒng)控制閥門全開，以變頻技術(shù)實現(xiàn)對給水泵電動機轉(zhuǎn)速的控制，以此達到調(diào)節(jié)給水泵出口壓力、流量的目的。變頻控制技術(shù)能夠減少傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式對管路的影響，以變頻調(diào)速方式提高給水泵的運行可靠性。而且，以變頻控制技術(shù)進行給水泵的調(diào)節(jié)還能夠極大地提高調(diào)節(jié)速度。通過變頻技術(shù)減少了能源的消耗，達到節(jié)能改造的目的。變頻調(diào)速技術(shù)作為20世紀90年代迅速發(fā)展起來的一項集電力電子、電機拖動和自動控制于一體的高新電力傳動技術(shù)，以其優(yōu)越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)能效果、完善的保護功能及易與DCS接口等特點成為給水泵調(diào)速方式改造的優(yōu)選方案。

2.1變頻節(jié)能工作原理

根據(jù)泵與風機的流體力學(xué)知識可知，流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(zhuǎn)速平方成正比，輸出功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速即可改變水泵的特性曲線，從而得到期望的流量和壓力，當水泵效率一定時，給水泵轉(zhuǎn)速降低，電機輸出功率按三次方遞減。異步電機轉(zhuǎn)速n與電源頻率f、轉(zhuǎn)差率s及磁極對數(shù)p有如下關(guān)系：n=60f(1-s)/p，電機帶負載運行時，轉(zhuǎn)差率隨負載變化而略微變化，可近似認為電機轉(zhuǎn)速與電源頻率呈線性關(guān)系，改變電源頻率即可改變電機轉(zhuǎn)速。異步電機調(diào)速時需考慮的一個重要因素是磁通量Φm。若減弱磁通，電機鐵心沒有被充分利用，同樣電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩小，是一種浪費;若增大磁通，又會使鐵芯飽和，一方面定子電流中勵磁電流分量增大，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機;另一方面轉(zhuǎn)矩電流分量減少，電機功率因數(shù)降低，因此希望磁通量為額定值不變。三相異步電機中的磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生的，定子每相感應(yīng)電動勢的有效值是：E=4.44fNKNΦm從上式可知，只要控制好E和f，便可達到控制磁通的目的(這里只需考慮基頻即額定頻率以下的情況)。要保持Φm不變，當頻率從額定值fn向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低E，使E/f=常數(shù)，即恒電動勢頻率比控制方式，但E難以直接控制，當E較高時，定子繞組的漏磁阻抗壓降可以忽略，近似認為定子相電壓U=E，從而得到U/f=常數(shù)，即恒壓頻比控制方式。變頻器利用電力電子器件的通斷，將工頻電源變換為另一頻率、電壓均可控的電源供給電機，頻率可控即電機轉(zhuǎn)速可控，從而達到節(jié)能調(diào)速的目的。

2.2變頻改造方案與實施

通過對給水泵及配套電機主要技術(shù)參數(shù)和給水系統(tǒng)運行情況的綜合研究分析，決定采用一拖二手動工/變頻切換的電氣控制方案。改造利用現(xiàn)有設(shè)備，在原6kV開關(guān)室內(nèi)加裝1臺共用的變頻器，正常運行時，變頻器帶動1臺給水泵運行，另1臺給水泵處于工頻備用狀態(tài)，當變頻器跳閘后，備用泵立即工頻聯(lián)啟，無擾切換，以保證高、中壓汽包給水的穩(wěn)定。該方案可滿足給水泵定期輪換制度的要求，提高變頻器的利用率。采用一拖二的控制方式可以避免當供電系統(tǒng)出現(xiàn)電壓低等影響變頻器的正常工作時，可快速切換到工頻狀態(tài)下的備泵投入運行，從而保證機組設(shè)備的正常連續(xù)運行。

變頻改造方案是兩臺給水泵電機控制配置1臺北京利德華福(Harvest)電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的水泵專用變頻器，該專用變頻器是引進德國施耐德先進技術(shù)精心設(shè)計制造而成，符合國際電氣標準。變頻改造后采用變頻技術(shù)接受4~20mA控制信號調(diào)整給水泵電動機的轉(zhuǎn)速，達到改變給水泵出口壓力、流量的目的。該系統(tǒng)消除了因管路孔口變化造成的壓流損失，可靠性好，調(diào)節(jié)方便，節(jié)約能源，控制系統(tǒng)能很好地滿足生產(chǎn)工藝要求，同時實現(xiàn)給水泵電機軟啟動。改造后的#1給水泵電源進線連接原#1給水泵開關(guān)柜出線，#2給水泵電源進線連接原#2給水泵開關(guān)柜出線;控制電源由機組400VGT/ST-MCC電源供電。其電氣原理圖如圖2所示。

3給水泵變頻改造后的運行情況分析

給水泵經(jīng)過變頻改造后，電機變頻啟動時，電流從零開始，隨著轉(zhuǎn)速增加平穩(wěn)上升，因而變頻啟動消除了大啟動電流對電氣設(shè)備和熱力設(shè)備的沖擊應(yīng)力，防止了由沖擊電流引起母線電壓下降導(dǎo)致的其它設(shè)備運行異常事件的發(fā)生，避免了電機啟動瞬間過流損壞事故。變頻運行時，電機轉(zhuǎn)速均在額定轉(zhuǎn)速以下，機械磨損和振動減小，軸瓦溫度降低，軸承壽命延長。

為了更好地利用變頻器來控制給水泵的運行，要結(jié)合聯(lián)合循環(huán)機組的啟動特性來設(shè)定變頻器的啟動曲線。機組啟動、停止過程中可以將給水泵的電機轉(zhuǎn)速控制在某一值(只要將頻率設(shè)定在某一定值如40Hz)，采用上水門調(diào)節(jié)，不但保證了給水泵的出口壓力，使高、中壓汽包的水位穩(wěn)定，也保證了主再熱蒸汽減溫水及中壓省煤器出水壓力的要求。機組在正常運行中，可以將變頻器的控制選擇到“手動”控制，變頻器設(shè)定值為45Hz,高、中壓汽包給水調(diào)門自動根據(jù)水位調(diào)節(jié)。如表一是給水泵電機不同工況下的運行參數(shù)。另外，由于給水泵變頻控制是采用一拖二的方式，在正常運行時只能將主泵(如#1號泵)設(shè)為變頻控制方式，備泵(如#2泵)只能設(shè)為工頻控制方式，主/備泵可投“自動”投“連鎖”，當變頻主泵出現(xiàn)故障時可以連鎖啟動工頻“備泵”，實現(xiàn)無擾切換，以保證高、中壓汽包水位的運行需求，達到**、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的目的。

4高、中壓合泵幾點問題

4.1由于給水泵是高、中壓合泵，而查閱其它電廠進行變頻或者調(diào)速改造的電機，一般都是單泵系統(tǒng)。給水泵調(diào)速改造的*好節(jié)能效果是使高壓給水調(diào)門和中壓給水調(diào)門基本全開，依靠給水泵調(diào)速來調(diào)節(jié)高、中壓包的水位。但是由于給水泵是合泵，因此，不能達到以上效果。

4.2由于9F聯(lián)合循環(huán)機組的中壓給水系統(tǒng)包含了一個分支，就是中省出口取部分水用于天然氣性能加熱器。而天然氣性能加熱器的特點是為了保證聯(lián)合循環(huán)機組的**運行，要求水壓大于天然氣的壓力。性能加熱器處的天然氣壓力3.6Mpa左右，考慮裕量，這就要求給水泵中壓抽頭出口壓力保證在3.8Mpa以上。因此，有了這個限制條件后，給水泵節(jié)能就沒有預(yù)期的理想效果。

4.3由上面的分析，給水泵變頻改造，給水泵調(diào)速運行過程中，中壓抽頭壓力保證在3.8Mpa以上，對于中壓給水系統(tǒng)，仍保持傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式，通過中壓給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)中壓汽包水位。而對于高壓給水系統(tǒng)，保持高壓給水調(diào)門在較大開度維持不變，通過給水泵調(diào)速調(diào)節(jié)高壓汽包水位。這種方式一定程度上削弱了調(diào)速改造的節(jié)能效果。

4.4給水泵變頻改造后，給水壓頭明顯下降，應(yīng)考慮可能造成省煤器汽化問題。我廠目前運行中高壓省煤器出口水溫達315℃，中壓省煤器出口水溫達205℃。對于中壓系統(tǒng)，由于給泵中間抽頭壓力在3.6Mpa以上，因此中壓省煤器不存在汽化問題。對于高壓省煤器，為了防止汽化，進入高壓省煤器的給水壓力必須在10.5Mpa以上(由于高中壓合泵，給泵中間抽頭壓力有*低限制，對應(yīng)的高壓出口壓力也能滿足要求)。

5給水泵電機改造后的節(jié)能效果

從表一中參數(shù)分析可知，給水泵電機工頻運行，電機的工作電流在214A，給水泵的出口流量在260m3/h，給水泵出口壓力16Mpa;而利用變頻器控制給水泵，給水泵電機在正常工況下的運行電流在150A左右，給水泵的出口流量在260m3/h，給泵出口壓力13Mpa，可以滿足高、中壓汽包的水位及中壓省煤器出水壓力要求。經(jīng)過變頻控制后電機的有效功率降低了，而出口流量基本保持不變，改變了過去工頻狀態(tài)下“大馬拉小車”的現(xiàn)象，節(jié)能降耗效果明顯。

變頻給水泵運行每小時約節(jié)約用電305kWh。采用一拖二的變頻控制方式，只需投入技改資金120萬元，例如2014年#2機組給水泵運行時間3730.3h，給水泵大約節(jié)約廠用電113.8萬kWh，按上網(wǎng)電價0.606元/kWh，增加收益68.96萬元，不到2年即可以收回投資，經(jīng)濟效益顯著。按標準煤折算，2014年約節(jié)省了13.98萬噸標準煤。減少36.35萬噸二氧化碳排放。

6結(jié)束語

隨著電力體制改革的深入和國內(nèi)發(fā)電裝機容量的大幅增加，電力緊缺的局面將隨之消失，發(fā)電企業(yè)之間的競爭越來越激烈，在發(fā)電成本大幅上漲的嚴峻形勢下，為提高電廠的競爭力，電廠選用一些節(jié)能潛力較大的設(shè)備實施節(jié)能降耗改造意義重大。電廠給水泵電機實行變頻改造后，節(jié)能降耗方面取得了明顯的經(jīng)濟效益，同時也減少電機啟動時電流沖擊，延長了設(shè)備壽命，降低了檢修維護成本約15萬元/年，同時提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性。通過給水泵電機變頻控制節(jié)能技術(shù)的實現(xiàn)，為電廠技改、節(jié)能提供了活生生的良好例子，為電力生產(chǎn)企業(yè)的健康發(fā)展奠定了一定基礎(chǔ)。