摘要：本文從節(jié)能及投資回報(bào)、運(yùn)行可靠性等方面對(duì)高壓變頻的應(yīng)用進(jìn)行評(píng)估，介紹了高壓變頻調(diào)速在發(fā)電廠補(bǔ)水泵上的應(yīng)用方案、試驗(yàn)和運(yùn)行情況，并總結(jié)變頻運(yùn)行的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：高壓變頻、風(fēng)機(jī)和泵、節(jié)能、可靠性 前言： 發(fā)電廠風(fēng)機(jī)和泵類大型電動(dòng)機(jī)均由高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，它們包括送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)和各種水泵，這些高壓電動(dòng)機(jī)的耗電量占整個(gè)廠用電的80％左右。目前，發(fā)電廠風(fēng)機(jī)和水泵的設(shè)計(jì)裕量明顯過大，而且大都采用節(jié)流調(diào)節(jié)，因此風(fēng)機(jī)、水泵以及異步電動(dòng)機(jī)都運(yùn)行在中低負(fù)荷的低效率區(qū)，能量損耗相當(dāng)大，如果機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行，整個(gè)拖動(dòng)系統(tǒng)效率將更低。 隨著電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，到上世紀(jì)90 年代，6KV、10KV等級(jí)的高壓變頻調(diào)速裝置的研制生產(chǎn)成為可能，經(jīng)過近十年的發(fā)展，高壓變頻技術(shù)進(jìn)展非?？?，產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性達(dá)到實(shí)用程度，市場(chǎng)趨于成熟，近年來(lái)有很多成功應(yīng)用于發(fā)電廠的案例。因此，采用高壓變頻調(diào)速裝置對(duì)大型用電設(shè)備進(jìn)行改造成為發(fā)電廠節(jié)能降耗、提高機(jī)組自動(dòng)化程度、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要措施。 1、立項(xiàng)評(píng)估 1.1、節(jié)能及投資回報(bào)評(píng)估 由風(fēng)機(jī)和泵的變速調(diào)節(jié)特性可知：流量Q 正比于轉(zhuǎn)速N，壓頭H 正比與N[sup]2[/sup]，而功率正比于N[sup]3[/sup]。從理論上分析，當(dāng)流量由100％降至50％，則轉(zhuǎn)速可從100％降至50％，此時(shí)壓頭降低4 倍至25％，而電機(jī)的軸功率則可降低8 倍至12.5％。實(shí)際上，扣除因轉(zhuǎn)速下降引起的電動(dòng)機(jī)效率下降、以及變頻調(diào)速裝置本身效率等因素，節(jié)能效果仍相當(dāng)顯著，一般可達(dá)30％－60％，視發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的負(fù)荷度和風(fēng)機(jī)和泵管路系統(tǒng)而不同。 十里泉發(fā)電廠目前由三十公里外的水源地供水，水源地共裝有五臺(tái)水泵，均由560KW/6KV 高壓電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，多數(shù)情況下開1－2 臺(tái)泵運(yùn)行就可以滿足發(fā)電要求，采用手動(dòng)節(jié)流調(diào)節(jié)方法控制水流量。如果節(jié)流閥開度不大、并且水流量足夠，則停一臺(tái)水泵；如果節(jié)流閥全開仍不滿足水流量要求，則再開啟一臺(tái)水泵，由于管道長(zhǎng)達(dá)三十公里、且節(jié)流閥始終處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，如選擇一臺(tái)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速改造，節(jié)流閥全開，實(shí)現(xiàn)恒水壓控制，不但具有良好的節(jié)能效果，泵站的控制特性也大為改善。 變頻改造后，如變頻泵平均流量降低到80％（與節(jié)流閥全開相比），則理論上，功率降低為51.2％，扣除電動(dòng)機(jī)和變頻器功率損失、再扣除節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)也具有一定的節(jié)能效果，功率可降低到65％以下，平均節(jié)能應(yīng)在35％以上。工頻運(yùn)行平均負(fù)荷按0.95×560KW 計(jì)算，每年運(yùn)行300 日7200 小時(shí)，每年節(jié)電134萬(wàn)度，按上網(wǎng)電價(jià)算兩年不到收回投資，如按售價(jià)算，則一年收回投資。 1.2、高壓變頻調(diào)速裝置選型 對(duì)于6KV 等級(jí)，目前主要有三種方式的高壓變頻裝置：?jiǎn)卧?lián)多電平型、三電平型和電流源型。由于單元串聯(lián)多電平方式容易實(shí)現(xiàn)冗余運(yùn)行，在單元故障時(shí)能進(jìn)行旁路而不影響電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行，并且具有諧波小、dv/dt 低、技術(shù)成熟等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此決定采用這種方式的高壓變頻器。 對(duì)國(guó)內(nèi)外各廠家的單元串聯(lián)多電平型高壓頻裝置進(jìn)行性能價(jià)格比較和運(yùn)行可靠性評(píng)估，選用了上海科達(dá)機(jī)電控制有限公司和上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所生產(chǎn)的MAXF700-6000/750 型高壓變頻調(diào)速裝置，該類型產(chǎn)品還具有如下特點(diǎn)： 􀃎 功率單元冗余運(yùn)行、故障時(shí)自動(dòng)快速旁路。 􀃎 可在線更換功率單元，不需停機(jī)。 􀃎 采用無(wú)極性電力電容代替電解電容，提高裝置壽命和整體可靠性。 􀃎 采用特制散熱器，使功率單元溫升小，裝置體積小。 􀃎 輸出dv/dt 低，電動(dòng)機(jī)絕緣不受損害。 􀃎 電網(wǎng)自動(dòng)重合閘后繼續(xù)運(yùn)行。 1.3、控制方式 變頻改造后，采用裝置內(nèi)置的PID 控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒水壓控制，壓力變送器安裝在母管上，無(wú)論是變頻泵單獨(dú)運(yùn)行，還是工頻泵與變頻泵并列運(yùn)行，均由變頻泵進(jìn)行水壓調(diào)節(jié)。變頻裝置設(shè)置運(yùn)行頻率高限和低限，以防止變頻泵空轉(zhuǎn)。設(shè)壓力過高和壓力過低指示以提示運(yùn)行人員停止、開啟工頻泵。變頻裝置安裝在高壓柜廠房，采用遠(yuǎn)方控制，遠(yuǎn)方可顯示壓力當(dāng)前值和設(shè)定值、輸出頻率和輸出功率，可進(jìn)行自動(dòng)/手動(dòng)運(yùn)行方式切換，自動(dòng)為恒水壓運(yùn)行，手動(dòng)為恒頻率運(yùn)行。 2、試驗(yàn)和運(yùn)行 裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試以及投入正常運(yùn)行全過程相當(dāng)順利，隨后設(shè)置了裝置參數(shù)、電動(dòng)機(jī)參數(shù)、整定了自動(dòng)恒水壓控制的PID 參數(shù)、測(cè)量和整定了裝置運(yùn)行頻率高限和低限，并進(jìn)行了一系列功能試驗(yàn)和特殊工況試驗(yàn)： 􀃎 觀察輸出電壓電流波形，如圖一 [align=center] 圖一：裝置電壓電流波形（電流滯后）[/align] 􀃎 單元切換和自動(dòng)平衡試驗(yàn)：在額定負(fù)荷時(shí)，依次切換1－15 功率單元，電動(dòng)機(jī)始終保持連續(xù)運(yùn)行，且單元投切后三相電壓電流保持平衡。 􀃎 自動(dòng)手動(dòng)切換試驗(yàn)：在自動(dòng)恒水壓控制和手動(dòng)恒頻率控制之間切換，裝置運(yùn)行頻率和水壓波動(dòng)不超過規(guī)定值。 􀃎 自動(dòng)運(yùn)行時(shí)階躍響應(yīng)試驗(yàn)：由于變頻泵在運(yùn)行時(shí)，要承受工頻泵的開停沖擊，這相當(dāng)于約20％的階躍量，因此，試驗(yàn)時(shí)，在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)設(shè)定值施加20％階躍變化，超調(diào)量和振蕩次數(shù)不超過規(guī)定值。 􀃎 變壓器和裝置溫升測(cè)定，額定連續(xù)運(yùn)行24 小時(shí)，測(cè)定輸入移相整流變壓器和各單元溫升。 􀃎 變頻泵運(yùn)行時(shí)，工頻泵投切試驗(yàn)：自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，升高設(shè)定值到裝置給出“壓力過低”報(bào)警信號(hào)，投入一臺(tái)工頻泵，此時(shí)變頻泵應(yīng)自動(dòng)降低轉(zhuǎn)速并將母管壓力調(diào)節(jié)到設(shè)定值，超調(diào)量和振蕩次數(shù)不超過規(guī)定值，報(bào)警信號(hào)自動(dòng)消失。降低設(shè)定值到裝置給出“壓力過高”報(bào)警信號(hào)，切除一臺(tái)工頻泵，此時(shí)變頻泵應(yīng)自動(dòng)降低轉(zhuǎn)速并將母管壓力調(diào)節(jié)到設(shè)定值，超調(diào)量和振蕩次數(shù)不超過規(guī)定值，報(bào)警信號(hào)自動(dòng)消失。 高壓變頻投入運(yùn)行后，節(jié)流閥全開，采用遠(yuǎn)方自動(dòng)恒水壓控制方式，平時(shí)運(yùn)行人員只需改變壓力設(shè)定值（在操作室用按鈕進(jìn)行升降設(shè)定），多數(shù)情況下，變頻器運(yùn)行在40Hz 左右，功率270KW 左右，高壓輸入電流30A 不到，而50Hz定速運(yùn)行時(shí)功率約530KW，高壓輸入電流60A 左右。 3、節(jié)能情況 經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，同時(shí)考核實(shí)際節(jié)能情況，如前所述，多數(shù)情況下，變頻器運(yùn)行在42Hz 上下，平均功率320KW 左右，與50Hz 定速運(yùn)行530KW 比較，平均節(jié)電率39.6％。年節(jié)電151 萬(wàn)度。 前面所述的是采用節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)的情況，如果采用的是水量控制方法：當(dāng)儲(chǔ)水池水量過多時(shí)停一臺(tái)水泵，水量不足時(shí)開啟一臺(tái)水泵，此時(shí)節(jié)流閥也全開，這種情況下如果采用變頻調(diào)速，其節(jié)能情況如何呢？ 首先假設(shè)是一臺(tái)水泵每天開12 小時(shí)，停12 小時(shí)就可以滿足水量要求，則開12 小時(shí)過程中，功率為P，流量為Q，一天中的平均功率為0.5P。進(jìn)行變頻運(yùn)行后，每天開24 小時(shí)，流量為0.5Q，按照風(fēng)機(jī)和泵的特性，理論上，功率降為0.125P，扣除電動(dòng)機(jī)和變頻器功率損失，節(jié)能仍在30％左右。按照水量控制方法，長(zhǎng)期運(yùn)行的實(shí)際情況接近以上假設(shè)的工況，因此，對(duì)于多臺(tái)水泵并列運(yùn)行的情況進(jìn)行變頻改造，無(wú)論是節(jié)流調(diào)節(jié)方式還是水量控制方式，均具有良好節(jié)能效果。 4、變頻運(yùn)行的其它優(yōu)點(diǎn) 該泵站經(jīng)高壓變頻改造后，除了節(jié)能外，水流量控制特性以及電動(dòng)機(jī)和泵的運(yùn)行特性明顯改善，主要有： 􀃎 實(shí)現(xiàn)恒母管水壓控制：運(yùn)行人員只需改變母管壓力設(shè)定值，不再調(diào)整節(jié)流閥，運(yùn)行自動(dòng)化程度大為提高，運(yùn)行和維護(hù)工作量降低。 􀃎 管道壓力降低：原來(lái)節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)，流量變小時(shí)，管道壓力反而升高，不利于管道安全運(yùn)行，容易爆管，而采用變頻調(diào)節(jié)后，流量變小時(shí)，管道壓力變低。 􀃎 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)，避免水泵頻繁啟停：經(jīng)測(cè)量，變頻運(yùn)行時(shí)起動(dòng)電流小于5A，而工頻直接起動(dòng)電流超過300A，因此，變頻運(yùn)行完全消除了因直接啟動(dòng)造成的對(duì)電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)的沖擊，降低了電動(dòng)機(jī)故障率。 􀃎 功率因素提高：從電網(wǎng)側(cè)看，工頻運(yùn)行時(shí)功率因素為0.85 左右，變頻運(yùn)行時(shí)功率因素達(dá)到0.95，因此，即使同樣是滿負(fù)荷運(yùn)行，變頻運(yùn)行時(shí)，高壓輸入電流明顯比工頻運(yùn)行小，這也有利于節(jié)能和設(shè)備安全運(yùn)行。 􀃎 電機(jī)和泵轉(zhuǎn)速降低：設(shè)備轉(zhuǎn)速降低后，運(yùn)行噪聲降低，磨損減少，設(shè)備壽命增長(zhǎng)。 􀃎 控制響應(yīng)速度增快：改變水壓設(shè)定值后，裝置迅速改變運(yùn)行轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，母管水壓迅速跟蹤設(shè)定值。 5、結(jié)束語(yǔ) 高壓變頻調(diào)速裝置用于拖動(dòng)發(fā)電廠大型風(fēng)機(jī)和泵電動(dòng)機(jī)，不僅節(jié)能，而且大為改善控制特性和運(yùn)行特性。目前，高壓變頻技術(shù)日趨成熟，其運(yùn)行可靠性已達(dá)到發(fā)電廠要求，建議大力推廣使用。