於立峰 沙建飛 孫佳和

浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司

0 引言

隨著電力行業(yè)改革的不斷深化，廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)等政策的逐步實施，在節(jié)能減排越來越受到關(guān)注的今天，降低發(fā)電廠的廠用電率，以降低發(fā)電成本提高上網(wǎng)電力競爭力已成為各發(fā)電廠努力追求的經(jīng)濟目標。節(jié)電就意味著降低成本、提高利潤，也意味著企業(yè)在激烈競爭的市場經(jīng)濟中先行一步。

在火力發(fā)電廠中，水泵電機是重要的廠用電負荷，約占廠用電的二分之一。目前，我國火電廠中的水泵大多數(shù)為定速驅(qū)動的，采用泵的出口閥門來調(diào)節(jié)流量，存在嚴重的節(jié)流損耗。尤其在機組變負荷運行時，由于水泵的運行偏離高效點，使電機運行效率降低，浪費了大量的電能。降低廠用電直接關(guān)系著發(fā)電廠的經(jīng)濟效益，而在廠用電負荷中，水泵的用電量約占廠用電的50%，這些設(shè)備都是長期連續(xù)運行和長時間處于低負荷及變負荷運行狀態(tài)，其節(jié)能潛力巨大。本文結(jié)合浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡稱蘭電公司）凝泵變頻改造的案例，分析變頻改造在高壓水泵電機中的應(yīng)用。

1 變頻調(diào)速節(jié)能原理

火力發(fā)電廠中，廠用水泵電機均為異步電機，由電機學(xué)可知，異步電動機的轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系如式（1）：

其中，n為電機轉(zhuǎn)速，f為頻率，P為電機極對數(shù)，s為異步電機轉(zhuǎn)差率。

水泵是典型的變轉(zhuǎn)矩負載，變轉(zhuǎn)矩負載的特性是轉(zhuǎn)矩隨速度的上升而上升，水泵電機的軸功率與其流量、揚程之間的關(guān)系式如下：

由此可以得到水泵壓力和流量的關(guān)系曲線見圖1，電機功率與速度關(guān)系曲線見圖2。

圖1

圖2

由公式（1）可知電動機的轉(zhuǎn)速與電源頻率f成正比，當改變電源頻率時，即可改變電動機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)調(diào)速的目的。由公式（2）可知，水泵電動機的軸動力（輸出功率）與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。所以，改變轉(zhuǎn)速可以降低電機的功率，達到節(jié)能的目的。

由于功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，理論上電機轉(zhuǎn)速降低10%，功率即可下降約27%，有良好的節(jié)能效果。

2 電機變頻節(jié)能的優(yōu)點及可行性

目前，火力發(fā)電廠中的6 kV風(fēng)機、水泵絕大部分電機都是異步電機，國內(nèi)外經(jīng)過長期的研究和探索，常用的異步電機的節(jié)能改造技術(shù)有變頻改造、變極改造、永磁改造等。

變頻改造通過加裝高壓變頻器對水泵電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)速控制，這種方法需要增加變頻設(shè)備。變頻調(diào)速為無級調(diào)速，調(diào)速范圍廣，適用于各類交流電動機，節(jié)能效果好，變頻調(diào)速與其它調(diào)速方案相比，具有以下優(yōu)點：

1）電機輸出轉(zhuǎn)矩特性基本上保持了原來固有特性，轉(zhuǎn)差率小，啟動轉(zhuǎn)矩大；

2）頻率變化大，調(diào)節(jié)范圍寬，且能實現(xiàn)無級調(diào)速以及可以方便實現(xiàn)自動化控制系統(tǒng)(如DCS系統(tǒng)等)的通訊；

3）可恒功率調(diào)速，也可恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；

4）直接與DCS聯(lián)系，可便于通過變頻器內(nèi)置的PID功能實現(xiàn)閉環(huán)控制。

以蘭電公司為例，該公司每臺機組配置2臺容量為2 200 kW的凝結(jié)水泵，正常運行方式為1用1備，其調(diào)節(jié)方式采用凝結(jié)水母管調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)除氧器水位的方式。凝結(jié)水的流量與汽輪機的負荷有直接關(guān)系，由于凝結(jié)水泵采用定速運行，出口流量只能由控制閥門跟隨機組負荷調(diào)節(jié)，節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統(tǒng)效率低，存在較大的節(jié)能空間。

由于控制閥門為電動機械調(diào)整結(jié)構(gòu)，線性度和調(diào)節(jié)品質(zhì)差、自動投入率低，加之凝結(jié)水的長期沖蝕導(dǎo)致閥門使用壽命短，現(xiàn)場維護量大，造成各種資源的極大浪費。該公司于2009年對#4機凝結(jié)水泵進行了變頻控制改造，通過實際論證凝泵變頻控制的可行性，并于2011年5月實現(xiàn)了全廠凝結(jié)水泵的變頻自動控制，以求取得效益最大化。

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和微電子技術(shù)的不斷進步和控制手段的日趨完善，高壓變頻技術(shù)變得漸漸成熟，采用變頻調(diào)速節(jié)能在技術(shù)上完全可行。同時，由于變頻調(diào)速技術(shù)帶來的巨大的節(jié)能效果和操作方便性，對水泵電機的變頻改造也顯得十分必要。

3 蘭電公司凝泵變頻系統(tǒng)的組成

3.1 一次系統(tǒng)的組成

蘭電公司4臺600 MW超臨界機組在變頻改造前，每臺發(fā)電機組配有兩臺凝結(jié)水泵，正常發(fā)電時一臺凝結(jié)水泵運行，一臺凝結(jié)水泵熱備用。一旦運行中的水泵發(fā)生故障，系統(tǒng)就會自動啟動備用泵，從而保證系統(tǒng)的連續(xù)運行。

由于每臺機組配置兩臺容量為2 200 kW的凝結(jié)水泵，正常運行方式為1用1備，因而設(shè)計變頻改造時采用“一拖二”的方式，即兩臺凝結(jié)水泵電機共用一臺變頻器，平時一臺泵變頻運行，而另一臺泵工頻熱備用。改造后，一段6 kV電源仍然供一臺水泵，在原真空開關(guān)QF1和QF2后面加入凝結(jié)水泵1的變頻器進出口閘刀QS1、QS2及旁路閘刀QS3和凝結(jié)水泵2的變頻器進出口閘刀QS4、QS5及旁路閘刀QS6，兩臺泵共用一臺變頻器。其中QF1、QF2、凝泵電機M為現(xiàn)場原有設(shè)備。QS2和QS3之間、QS5和QS6之間存在完全機械互鎖；QS1和QS4之間、QS2和QS5之間均存在電氣閉鎖和邏輯閉鎖關(guān)系，防止變頻器輸出側(cè)與6 kV電源側(cè)短路等嚴重事故，一次系統(tǒng)接線見圖3。

圖3 蘭電凝泵一次系統(tǒng)圖

3.2 凝泵運行方式

由于是“一拖二”方式，因此，只能允許一臺水泵變頻運行。

1）A泵變頻運行

QS1和QS2合閘，QS3分閘，QS4和QS5分閘，QS6合閘。此時合上QF1，變頻器帶A泵變頻運行。B泵處于工頻狀態(tài)。當A泵運行到最大轉(zhuǎn)速還未滿足工況要求時，自動以工頻方式啟動B泵，調(diào)節(jié)凝泵閥門，系統(tǒng)穩(wěn)定后，A泵可以轉(zhuǎn)入調(diào)速運行；當A泵調(diào)速運行有故障時，可以通過故障信號自動將A泵以工頻方式啟動，調(diào)節(jié)凝泵閥門。

2）B泵變頻運行

QS4和QS5合閘，QS6分閘，QS1和QS2分閘，QS3合閘，此時合上QF2，變頻器帶B泵變頻運行；分開QF2，變頻器停運，B泵停運。A泵處于工頻狀態(tài)。

3）工頻運行或備用

QS3和QS6合閘，QS1和QS2、QS4和QS5分閘，此時變頻器停運，A和B泵工頻運行或備用。

3.3 變頻改造后的保護配置

根據(jù)GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》要求，2 MW及以上的電動機，或2 MW以下，但電流速斷保護靈敏系數(shù)不符合要求時，可裝設(shè)縱聯(lián)差動保護，縱聯(lián)差動保護應(yīng)防止在電動機自啟動過程中誤動作。

由于凝泵電機額定功率為2 200 kW，在工頻運行時應(yīng)當配置差動保護，保障電機的安全運行。然而，變頻改造后，電機變頻運行情況下，經(jīng)過長期的現(xiàn)場運行經(jīng)驗，轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的70%～90%，以最大的可能轉(zhuǎn)速1 350 r/min考慮，由公式（2）可知電機的輸出功率為額定功率的75%左右，輸出功率為1 650 kW，小于2 000 kW，因此，在變頻運行方式下，凝泵電機可不配置差動保護。因此，采用工頻運行方式先投入差動保護，變頻運行時退出差動保護是合理可行的。

4 改造后的節(jié)能效果分析

4.1 改造后電量統(tǒng)計

蘭電公司4臺機組凝結(jié)水泵自完成了變頻器改造，凝結(jié)水泵系統(tǒng)運行正常。蘭電公司4臺機組容量相同，所有重要輔機設(shè)備工作方式相同。因此采取變頻改造前后數(shù)據(jù)對比的方法，隨機選取#3機組運行的凝結(jié)水泵進行了電流和電量的統(tǒng)計，見表1和表2。

表1 電量情況統(tǒng)計

表2 電流情況統(tǒng)計

4.2 節(jié)能效果分析

從表2數(shù)據(jù)可以看出，在同一負荷工況下，凝泵的運行電流相差較大，尤其低負荷時更為明顯。由此說明采用變頻調(diào)速后負荷越低，節(jié)能效果越好。

分析表1、表2中的數(shù)據(jù)，可以得出變頻后節(jié)電率較高，從表1中的6天數(shù)據(jù)可見，節(jié)電率可達到27%，見表3。

表3 節(jié)電率分析

表3數(shù)據(jù)抄錄時間的負荷為全年平均負荷，以#3機為例，根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，日平均節(jié)電量：

考慮到機組正常的停機檢修時間，機組按每年300天運行時間計算，年平均節(jié)電為：

按照0．4元/kWh的上網(wǎng)電價計算，變頻改造后一年產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益為：

參照該公司每臺機組凝泵變頻改造的費用，不到一年的時間就能收回成本，帶來十分可觀的經(jīng)濟效益。

同時，變頻調(diào)速實現(xiàn)了電機軟啟動，減少了電機的啟動沖擊和機械磨損，延長了電機的使用壽命，同時有利于降低廠用電率，降低機組發(fā)電煤耗，帶來良好的安全效益、社會效益和環(huán)境效益。

5 結(jié)束語

蘭電公司4臺機組凝結(jié)水泵通過變頻改造后，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益和社會、環(huán)境效益，該公司還將繼續(xù)把變頻技術(shù)應(yīng)用于其它主要輔機中去，在提高自動調(diào)節(jié)品質(zhì)的同時達到節(jié)能降耗的目的，提高企業(yè)的綜合競爭力。