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

【亞洲泵網(wǎng)訊】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)展的關鍵，作為現(xiàn)代電廠成本控制的關鍵，提高設備的可靠性、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。給水泵作為聯(lián)合循環(huán)機組中能耗較大的輔助設備，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。

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

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)速方式改造的首選方案。

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)有設備，在原6kV開關室內(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給水泵開關柜出線，#2給水泵電源進線連接原#2給水泵開關柜出線;控制電源由機組400VGT/ST-MCC電源供電。

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備和熱力設備的沖擊應力，防止了由沖擊電流引起母線電壓下降導致的其它設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)設為變頻控制方式，備泵(如#2泵)只能設為工頻控制方式，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，達到安全、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)速改造的最好節(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)機組的安全運行，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最低限制，對應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全國發(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。