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(jìng)價(jià)上網(wǎng)等政策的逐步實(shí)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(jìng)爭(zhēng)力已成為各發(fā)電廠努力追求的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。節(jié)電就意味著降低成本、提高利潤(rùn)，也意味著企業(yè)在激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中先行一步。

在火力發(fā)電廠中，水泵電機(jī)是重要的廠用電負(fù)荷，約占廠用電的二分之一。目前，我國(guó)火電廠中的水泵大多數(shù)為定速驅(qū)動(dòng)的，采用泵的出口閥門來調(diào)節(jié)流量，存在嚴(yán)重的節(jié)流損耗。尤其在機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于水泵的運(yùn)行偏離高效點(diǎn)，使電機(jī)運(yùn)行效率降低，浪費(fèi)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(jì)效益，而在廠用電負(fù)荷中，水泵的用電量約占廠用電的50%，這些設(shè)備都是長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行和長(zhǎng)時(shí)間處于低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)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(jiǎn)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(jī)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(jī)均為異步電機(jī)，由電機(jī)學(xué)可知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系如式（1）：

其中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為頻率，P為電機(jī)極對(duì)數(shù)，s為異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

水泵是典型的變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特性是轉(zhuǎn)矩隨速度的上升而上升，水泵電機(jī)的軸功率與其流量、揚(yáng)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(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率f成正比，當(dāng)改變電源頻率時(shí)，即可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。由公式（2）可知，水泵電動(dòng)機(jī)的軸動(dòng)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(jī)的功率，達(dá)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(jī)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(jī)變頻節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)及可行性

目前，火力發(fā)電廠中的6 kV風(fēng)機(jī)、水泵絕大部分電機(jī)都是異步電機(jī)，國(guó)內(nèi)外經(jīng)過長(zhǎng)期的研究和探索，常用的異步電機(jī)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(duì)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)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(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍廣，適用于各類交流電動(dòng)機(jī)，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(diǎn)：

1）電機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩大；

2）頻率變化大，調(diào)節(jié)范圍寬，且能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速以及可以方便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

以蘭電公司為例，該公司每臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)容量為2 200 kW的凝結(jié)水泵，正常運(yùn)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(jī)的負(fù)荷有直接關(guān)系，由于凝結(jié)水泵采用定速運(yùn)行，出口流量只能由控制閥門跟隨機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)，節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴(yán)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(dòng)機(jī)械調(diào)整結(jié)構(gòu)，線性度和調(diào)節(jié)品質(zhì)差、自動(dòng)投入率低，加之凝結(jié)水的長(zhǎng)期沖蝕導(dǎo)致閥門使用壽命短，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量大，造成各種資源的極大浪費(fèi)。該公司于2009年對(duì)#4機(jī)凝結(jié)水泵進(jìn)行了變頻控制改造，通過實(shí)際論證凝泵變頻控制的可行性，并于2011年5月實(shí)現(xiàn)了全廠凝結(jié)水泵的變頻自動(dòng)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(dòng)控制技術(shù)和微電子技術(shù)的不斷進(jìn)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(shí)，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(duì)水泵電機(jī)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(tái)600 MW超臨界機(jī)組在變頻改造前，每臺(tái)發(fā)電機(jī)組配有兩臺(tái)凝結(jié)水泵，正常發(fā)電時(shí)一臺(tái)凝結(jié)水泵運(yùn)行，一臺(tái)凝結(jié)水泵熱備用。一旦運(yùn)行中的水泵發(fā)生故障，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)備用泵，從而保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。

由于每臺(tái)機(jī)組配置兩臺(tái)容量為2 200 kW的凝結(jié)水泵，正常運(yùn)行方式為1用1備，因而設(shè)計(jì)變頻改造時(shí)采用“一拖二”的方式，即兩臺(tái)凝結(jié)水泵電機(jī)共用一臺(tái)變頻器，平時(shí)一臺(tái)泵變頻運(yùn)行，而另一臺(tái)泵工頻熱備用。改造后，一段6 kV電源仍然供一臺(tái)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(jìn)出口閘刀QS1、QS2及旁路閘刀QS3和凝結(jié)水泵2的變頻器進(jìn)出口閘刀QS4、QS5及旁路閘刀QS6，兩臺(tái)泵共用一臺(tái)變頻器。其中QF1、QF2、凝泵電機(jī)M為現(xiàn)場(chǎng)原有設(shè)備。QS2和QS3之間、QS5和QS6之間存在完全機(jī)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(yán)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(yùn)行方式

由于是“一拖二”方式，因此，只能允許一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行。

1）A泵變頻運(yùn)行

QS1和QS2合閘，QS3分閘，QS4和QS5分閘，QS6合閘。此時(shí)合上QF1，變頻器帶A泵變頻運(yùn)行。B泵處于工頻狀態(tài)。當(dāng)A泵運(yùn)行到最大轉(zhuǎn)速還未滿足工況要求時(shí)，自動(dòng)以工頻方式啟動(dòng)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(yùn)行；當(dāng)A泵調(diào)速運(yùn)行有故障時(shí)，可以通過故障信號(hào)自動(dòng)將A泵以工頻方式啟動(dòng)，調(diào)節(jié)凝泵閥門。

2）B泵變頻運(yùn)行

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

3）工頻運(yùn)行或備用

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

3.3 變頻改造后的保護(hù)配置

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

由于凝泵電機(jī)額定功率為2 200 kW，在工頻運(yùn)行時(shí)應(yīng)當(dāng)配置差動(dòng)保護(hù)，保障電機(jī)的安全運(yùn)行。然而，變頻改造后，電機(jī)變頻運(yùn)行情況下，經(jīng)過長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，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(jī)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(yùn)行方式下，凝泵電機(jī)可不配置差動(dòng)保護(hù)。因此，采用工頻運(yùn)行方式先投入差動(dòng)保護(hù)，變頻運(yùn)行時(shí)退出差動(dòng)保護(hù)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(jì)

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

表1 電量情況統(tǒng)計(jì)

表2 電流情況統(tǒng)計(jì)

4.2 節(jié)能效果分析

從表2數(shù)據(jù)可以看出，在同一負(fù)荷工況下，凝泵的運(yùn)行電流相差較大，尤其低負(fù)荷時(shí)更為明顯。由此說明采用變頻調(diào)速后負(fù)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(dá)到27%，見表3。

表3 節(jié)電率分析

表3數(shù)據(jù)抄錄時(shí)間的負(fù)荷為全年平均負(fù)荷，以#3機(jī)為例，根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，日平均節(jié)電量：

考慮到機(jī)組正常的停機(jī)檢修時(shí)間，機(jī)組按每年300天運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，年平均節(jié)電為：

按照0．4元/kWh的上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算，變頻改造后一年產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益為：

參照該公司每臺(tái)機(jī)組凝泵變頻改造的費(fèi)用，不到一年的時(shí)間就能收回成本，帶來十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

同時(shí)，變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟啟動(dòng)，減少了電機(jī)的啟動(dòng)沖擊和機(jī)械磨損，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命，同時(shí)有利于降低廠用電率，降低機(jī)組發(fā)電煤耗，帶來良好的安全效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

5 結(jié)束語

蘭電公司4臺(tái)機(jī)組凝結(jié)水泵通過變頻改造后，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)、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(jī)中去，在提高自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的同時(shí)達(dá)到節(jié)能降耗的目的，提高企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。