23交流變頻技術(shù)在火電廠凝結(jié)水泵的應(yīng)用王意興(鎮(zhèn)海)

1、變頻技術(shù)在火電廠凝結(jié)水泵的應(yīng)用王意興(浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司)摘要：通過介紹鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司200mw機(jī)組凝結(jié)水泵變頻改造項(xiàng)目方案和實(shí)施情況，分析運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益，說明變頻技術(shù)既很好地實(shí)現(xiàn)了凝結(jié)水泵水量的自動(dòng)調(diào)節(jié)又達(dá)到了節(jié)能降耗目的。關(guān)鍵詞：變頻技術(shù)；凝結(jié)水泵；節(jié)能降耗1引言由電機(jī)學(xué)可知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與供電頻率f、轉(zhuǎn)速差s、電機(jī)極對(duì)數(shù)p三個(gè)參數(shù)有關(guān)（見公式一），改變其中任何一個(gè)參數(shù)都可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。針對(duì)某一電機(jī)而言p是一定的，而通過改變s進(jìn)行調(diào)速空間非常小，所以，變頻調(diào)速是最為合理的調(diào)速方法。若均勻改變供電頻率f，即可平滑改變電機(jī)同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、

2、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)。目前，變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)最主要的調(diào)速方法。 （公式一）變頻技術(shù)在實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速平滑調(diào)整的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，因此對(duì)發(fā)電廠的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。其節(jié)能的原理可根據(jù)流體力學(xué)分析如下:； ； （公式二） （公式二）表明，水泵的水量q與其轉(zhuǎn)速成正比，水泵的壓力p與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，水泵的軸功率p與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。降低轉(zhuǎn)速可大幅度地降低水泵軸功率，當(dāng)水泵低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，理論節(jié)電為： （公式三）為額定轉(zhuǎn)速，為實(shí)際轉(zhuǎn)速，p為額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率，t為工作時(shí)間。可見，通過變頻改造，不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能，以上公式為變頻節(jié)能提供了充分

3、的理論依據(jù)。2概述鎮(zhèn)電公司4臺(tái)200mw機(jī)組各配有兩臺(tái)凝結(jié)水泵，正常運(yùn)行時(shí)一工一備。凝結(jié)水泵將凝汽器中的凝結(jié)水升壓，通過低壓加熱器進(jìn)入除氧器。凝結(jié)水的流量大小與汽輪機(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。而且由于控制閥門為電動(dòng)機(jī)械調(diào)整結(jié)構(gòu)，線性度不好、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)。鑒于鎮(zhèn)電公司變頻器應(yīng)用在引風(fēng)機(jī)、給煤機(jī)、給粉機(jī)等系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)及取得的效益，在2007年對(duì)#3、#4機(jī)凝結(jié)水泵進(jìn)行了部分變頻控制改造。目的是實(shí)際論證凝泵變頻

4、控制的可行性，最終實(shí)現(xiàn)全廠凝結(jié)水泵的變頻自動(dòng)控制，以求取得效益最大化。附表一：凝結(jié)水泵及電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)凝結(jié)水泵型 號(hào)16nl-180凝泵電機(jī)型號(hào)jsl-4頻率（hz）50流 量550t/h額定功率（kw）430額定轉(zhuǎn)速（r/min）1486壓 力180mh2o額定電壓（kv）6接法y轉(zhuǎn) 速1486r/min額定電流（a）49功率因數(shù)0.853工程方案本著安全可靠的前提,本次變頻改造分別只對(duì)#3、4機(jī)的一臺(tái)凝泵（乙）進(jìn)行，另一臺(tái)凝泵（甲）保持原狀不變。通過對(duì)6kv、690v電壓等級(jí)變頻器分析比較，決定采用可靠性高的低壓690v變頻器-acs800系列變頻器的方案，另配置str型旁路起動(dòng)器，并同時(shí)

5、更換凝結(jié)水泵電機(jī)。這樣既可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，又可實(shí)現(xiàn)大功率電機(jī)的軟起動(dòng)，達(dá)到改善電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況的目的。acs800變頻器擁有變頻器的所有常用功能，由于采用了dtc技術(shù)，又有如下的優(yōu)勢(shì)： 直接轉(zhuǎn)矩控制（dtc）作為核心控制技術(shù)，具有極佳的速度轉(zhuǎn)矩控制特性，起動(dòng)力矩大，磁通優(yōu)化功能強(qiáng)、噪音低。電機(jī)能獲得在零速時(shí)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，而不需要光碼盤或測(cè)速電機(jī)的反饋, 并能夠提供高達(dá)200%額定轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 定子磁通和轉(zhuǎn)矩是acs800變頻器主要的控制變量。高速數(shù)字信號(hào)處理器與先進(jìn)電機(jī)軟件模型結(jié)合使電機(jī)狀態(tài)每秒鐘更新40,000次。這能使傳動(dòng)產(chǎn)生最佳的開關(guān)組合并對(duì)負(fù)載擾動(dòng)和瞬時(shí)掉電等動(dòng)態(tài)變化做出快速響應(yīng)。電

6、機(jī)因無固定開關(guān)頻率驅(qū)動(dòng)所以無高頻噪聲，變頻器輸出的高次諧波分量少。 由于acs800能在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出電機(jī)的狀態(tài)，因此其自起動(dòng)性能好，并不需延時(shí)起動(dòng)。 igbt觸發(fā)采用光纖觸發(fā)技術(shù)，具有更高的可靠性和抗干擾能力，尤其適用于惡劣的強(qiáng)電環(huán)境。 控制盤可實(shí)現(xiàn)多種控制和顯示功能。3.1電氣主接線及主設(shè)備3.1.1凝泵乙電機(jī)變頻控制主接線及運(yùn)行方式凝泵乙電動(dòng)機(jī)改變頻控制后，電動(dòng)機(jī)額定電壓由原6kv降為690v（通過變頻變壓器），電動(dòng)機(jī)容量基本不變（430kw），6kv電源開關(guān)不變。凝泵乙電機(jī)變頻控制主接線見（圖1）。 正常運(yùn)行：6kv凝泵乙開關(guān)合上，電源進(jìn)線刀熔開關(guān)（qs1）合上，電源出線開關(guān)（q

7、1）合上，變頻器運(yùn)行帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)（旁路進(jìn)線電源開關(guān)qf1和出線電源開關(guān)q2在斷開位置）。 工頻運(yùn)行：進(jìn)線電源開關(guān)qf1和出線電源開關(guān)q2合上（qs1和q1在斷開位置）。起動(dòng)階段由旁路軟起動(dòng)器限流帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，起動(dòng)結(jié)束km接觸器合上工頻帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。注：其中q1與q2之間有機(jī)械聯(lián)鎖，任何狀態(tài)下只允許合一把刀閘。防止不同電源短路。3.1.2主設(shè)備選型及配置情況附表二：主設(shè)備配置表負(fù)載電機(jī)功率名 稱型號(hào)和規(guī)格產(chǎn)地生產(chǎn)廠家凝結(jié)水泵430kw變頻器acs807-0490-7芬蘭abb變壓器ltsfgn-550kva/6kv/690v北京新華都電機(jī)y400-4山東華力旁路柜內(nèi)裝旁路軟起動(dòng)器strb4

8、50-6西安西普 凝結(jié)水泵乙變頻變壓器變頻變壓器為干式變壓器，由銅線繞制，配金屬外殼、冷卻器，并按溫度設(shè)定自動(dòng)投、退的功能，具有就地和遠(yuǎn)方超溫報(bào)警功能，變頻變壓器正常運(yùn)行分接開關(guān)位置在45檔。 凝結(jié)水泵乙電動(dòng)機(jī)型號(hào):y400-4 額定功率:430kw 額定電壓:690v 額定電流:450a 額定轉(zhuǎn)速：1490r/min 接法：y附表三：acs800系列變頻器技術(shù)參數(shù)型號(hào)acs807-0490-7輸入頻率（hz）48-63輸入電壓（v）三相690vac10%輸出頻率（hz）0100輸出電壓（v）三相0-690v總功率因數(shù)0.95額定輸出功率（kw）450基波功率因數(shù)0.97額定輸出電流（a）42

9、6防護(hù)等級(jí)ip21過載能力正常方式，每十分鐘允許短時(shí)過載一分鐘重載方式，每十分鐘允許短時(shí)過載一分鐘 旁路軟起動(dòng)器str數(shù)字式交流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器是采用電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)及現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)生產(chǎn)的高科技產(chǎn)品。它從根本上改變了傳統(tǒng)的（自耦式、磁控式及星/三角等）降壓起動(dòng)器在起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電壓、電流突變帶來的不良后果。 型號(hào)：strb450-6 額定功率：450kw 額定電壓：660v （接觸器km通過裝置接線端接入） 起動(dòng)方式：限流起動(dòng)、電壓斜坡起動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)控制方式。 多重保護(hù)功能：過流、過載、缺相、過熱等。 完善的鍵盤設(shè)置功能：參數(shù)設(shè)定、修改、方式選擇等。3.2凝泵控制邏輯及變頻器功能設(shè)置3.2

10、.1凝結(jié)水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 除氧器水位和凝汽器水位控制 采用凝泵變頻器來控制除氧器水位和凝汽器水位的平衡。即：當(dāng)h-sphl-spl時(shí)，減小凝泵變頻器輸出當(dāng)h-sphsph+spl時(shí)，減小化補(bǔ)水流量；當(dāng)h+lsph+spl時(shí)，增大化補(bǔ)水流量。以上為凝泵變頻器正常運(yùn)行時(shí)的控制策略，控制回路中設(shè)計(jì)切換器，當(dāng)凝泵變頻器故障或停止運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)退出變頻自動(dòng)控制，轉(zhuǎn)為原設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。（即除氧器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位、化補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥控制凝汽器水位）。 凝結(jié)水母管壓力控制當(dāng)凝泵變頻器正常運(yùn)行時(shí)通過除氧器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥維持壓力在一定范圍內(nèi)。當(dāng)凝泵變頻器故障或停止運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)退出變頻自動(dòng)控制，轉(zhuǎn)為原設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)（即

11、凝泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥控制母管壓力）。3.2.2凝結(jié)水泵甲、乙及旁路軟起動(dòng)器（乙）控制邏輯的設(shè)計(jì)原理 凝結(jié)水泵乙變頻器可在就地或遠(yuǎn)方實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟停，手動(dòng)或自動(dòng)（按3.2.1條）實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。 凝結(jié)水泵甲、乙及旁路軟啟動(dòng)器（乙）之間控制邏輯關(guān)系（見圖2）圖2凝泵系統(tǒng)控制邏輯圖控制邏輯：凝泵乙變頻運(yùn)行（聯(lián)鎖開關(guān)投入），當(dāng)凝泵乙退出運(yùn)行及母管壓力低或變頻器乙故障，自動(dòng)切至凝泵甲運(yùn)行；凝泵甲故障或退出運(yùn)行，自動(dòng)切至凝泵乙旁路軟起動(dòng)運(yùn)行。3.2.3變頻器部分功能介紹及參數(shù)設(shè)置 功能介紹 欠壓功能：當(dāng)變頻輸入電壓跌落時(shí)，變頻器直流回路電壓跌落至80時(shí)，變頻器激活失電跨越功能，依靠負(fù)載的慣性能量拖動(dòng)電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，電

12、動(dòng)機(jī)感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)逆變器續(xù)流二極管整流將能量回饋至變頻器中間直流回路；當(dāng)直流電壓跌落至71時(shí)，失電跨越功能 + 欠電壓報(bào)警；只要直流電壓不低壓65，變頻器不停機(jī)。當(dāng)變頻輸入電壓恢復(fù)正常，變頻器恢復(fù)正常運(yùn)行。 變頻器產(chǎn)生的諧波完全滿足gb/t 14549電能質(zhì)量“公用電網(wǎng)諧波”及“ieee519-1992”標(biāo)準(zhǔn)。 變頻器瞬時(shí)斷電后再啟動(dòng)的初始化時(shí)間為10秒；轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時(shí)間為3ms。 變頻器為電壓源型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用大功率元器件igbt，igbt為單管結(jié)構(gòu)，無需串并聯(lián)。 采用dtc控制技術(shù)，逆變器的開關(guān)狀態(tài)由電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩直接控制。測(cè)量的電機(jī)電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機(jī)模型的輸入，該模型每25微

13、秒產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值。電機(jī)轉(zhuǎn)矩比較器將轉(zhuǎn)矩實(shí)際值與給定值作比較，磁通比較器將磁通實(shí)際值與給定值作比較，依靠這兩個(gè)輸出值，優(yōu)化脈沖選擇器決定逆變器的最佳開關(guān)狀態(tài)。附表四：部分參數(shù)設(shè)置情況序號(hào)label設(shè)置值實(shí)際意義及范圍*組99：?jiǎn)?dòng)數(shù)據(jù) start-up data9904motor ctrl modedtc電機(jī)控制模式：直接轉(zhuǎn)矩控制9905motor nom voltage690v電機(jī)額定電壓9906motor nom current416電機(jī)額定電流9907motor nom freq50hz電機(jī)額定頻率9908motor nom speed1490電機(jī)額定速度9909moto

14、r nom power430電機(jī)額定功率組10:啟動(dòng)/停止/方向1001ext1 start/stp/dirdi1p，2p 選擇外部控制地，ext1的起動(dòng)/停機(jī)/方向命令的信號(hào)源1002ext2 start/stp/dirnot sel選擇外部控制地，ext2的起動(dòng)/停機(jī)/方向命令的信號(hào)1003directionforward旋轉(zhuǎn)方向鎖定組11:給定選擇1102ext1/ext2 select（o）ext1外部控制地選擇輸入1103ext ref1 select（o）ai2確定外部給定1的給定源1104ext ref1 minimum0外部給定1最小值1105ext ref1 maximum1

15、490外部給定1最大值組13:模擬輸入1301minimum ai10vai1的最小值，對(duì)應(yīng)最小給定1302maximum ai110vai1的最大值，對(duì)應(yīng)最大給定1303scale ai1100%ai1的換算因子1304filter ai10.1sai1的濾波時(shí)間常數(shù)1306minimum ai24maai2的最小值，對(duì)應(yīng)最小給定1307maximum ai220maai2的最大值，對(duì)應(yīng)最大給定1308scale ai2100%ai2的換算因子1309filter ai20.1sai2的濾波時(shí)間常數(shù)組21：?jiǎn)?dòng)/停止2101start functionauto起動(dòng)功能選擇2102const

16、magn time300ms預(yù)勵(lì)磁時(shí)間2103stop functioncoast停機(jī)功能選擇2105dc hold speed5rpm直流抱閘速度2106dc hold curr30%直流抱閘電流組22：加速/減速2201acc/dec 1/2 sel(o)acc/dec 1加速/減速積分變化率選擇2202accel time 130s從速度0加到最大的時(shí)間 2203decel time 130s從最大速度降到0的時(shí)間 4運(yùn)行效果及經(jīng)濟(jì)效益改造前，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)凝結(jié)水閥門開度來控制凝結(jié)水流量大小；改造后控制閥門全開，用dc420ma信號(hào)控制變頻輸出調(diào)整凝泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到改變凝泵出口流量

17、滿足機(jī)組運(yùn)行要求的目的。該系統(tǒng)消除了因閥門開度變化造成的壓流損失，且調(diào)節(jié)方便，節(jié)能效果明顯。圖3節(jié)能效果比較圖4.1運(yùn)行效果分析 變頻投運(yùn)時(shí)運(yùn)行人員可以非常平滑、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)流量，對(duì)系統(tǒng)的調(diào)整控制更為穩(wěn)定自如。大大改善自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作狀況，使系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)性能大大提高，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)。 凝結(jié)水泵投入變頻運(yùn)行后，冷卻水流量及出口壓力都能很好滿足生產(chǎn)工藝的要求，凝結(jié)水泵可以隨機(jī)組負(fù)荷的變化而調(diào)節(jié)輸出功率，達(dá)到了節(jié)能的目的。凝結(jié)水泵單耗明顯降低。 消除了因閥門開度調(diào)節(jié)引致的壓流損失，提高了系統(tǒng)效率。 由于變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)和保護(hù)等功能，減小了電機(jī)的起動(dòng)電流，降低了設(shè)備損壞，延長(zhǎng)了使用壽命，減少了設(shè)

18、備維護(hù)量。4.2經(jīng)濟(jì)效益分析此次單機(jī)變頻控制改造費(fèi)用約為98萬。經(jīng)改造后的凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與改造前的控制閥門開度調(diào)節(jié)相比較如下： 節(jié)能計(jì)算如下:電動(dòng)機(jī)輸出功率：430kw。年運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間：8000小時(shí)。運(yùn)轉(zhuǎn)類型：1/2時(shí)間（4000小時(shí)）工作在85%流量，1/2時(shí)間（4000小時(shí)）工作在70%流量。 閥門調(diào)節(jié)狀況下運(yùn)行：流量（q）在85%時(shí)：需要功率=97%430kw=417.1kw流量（q）在70%時(shí)：需要功率=94%430kw=392.1kw全年消耗電量：（417.1kw+392.1kw）4000h=3236800kwh 變頻調(diào)速狀況下運(yùn)行：流量（q）在85%時(shí)：需要功率=67%430kw=288.1kw流量（q）在70%時(shí)：需要功率=51%430kw=219.3kw全年消耗電量：（288.1kw+219.3kw）4000h=2029600kwh 全年節(jié)能效果：3236800-202