高壓變頻器在龍煤熱電公司給水泵上的應(yīng)用

The Application of High Voltage Inverter in Water Pump of Longmei Thermal Power Company 

                                         龍口礦業(yè)集團(tuán)熱電公司  劉洪偉

                               山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司  徐長海 郭宗偵

                                  Liu Hongwei  Xu Changhai  Guo Zongzhen

摘  要：本文介紹了風(fēng)光牌高壓變頻器在龍煤熱電公司鍋爐給水泵變頻系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，闡述了變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理、功能及特點(diǎn)，對節(jié)能效果進(jìn)行了分析。從全新的角度，詮釋了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)與現(xiàn)場DCS系統(tǒng)的高效對接，增強(qiáng)了鍋爐給水系統(tǒng)的自動(dòng)化性能。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速系統(tǒng)  鍋爐給水系統(tǒng)  高壓變頻器  DCS

Abstract: The article introduces the application instances of FengGuang high voltage inverter in Longmei Thermal power company boiler water supply systems，with a description of the frequency control system implementation mechanism、 function and features，and the energy savings is analyzed.From a new perspective，interpretation of the high-voltage frequency control system and DCS systems in efficient docking site， and enhance the automation of the boiler Boiler water supply system performance quoted.

Key words: Frequency control system   Boiler water supply system   High voltage inverter  DCS

1引言 
      龍口礦業(yè)集團(tuán)熱電公司位于龍口市境內(nèi)，在龍口市北郊，距龍口市區(qū)約4公里處。熱電公司在進(jìn)行鍋爐技術(shù)改造后，引進(jìn)一臺JG140-9.8/540-M型循環(huán)流化床，配備了2臺專供此鍋爐給水系統(tǒng)的給水泵及電機(jī)，并一次投運(yùn)成功。工程采用了空冷、煙氣脫硫、等離子點(diǎn)火、中水回收利用、靜電高效除塵等先進(jìn)技術(shù)。該工程的建設(shè)不僅解決了原有發(fā)電機(jī)組的滿負(fù)荷發(fā)電問題，同時(shí)還可滿足附近幾個(gè)區(qū)域的用戶取暖。

圖1 龍礦熱電公司6號爐

2變頻改造項(xiàng)目工況介紹
      我公司6#鍋爐配有兩臺給水泵，公司6號爐現(xiàn)場如圖1所示。以往水量調(diào)節(jié)依靠閥門開度來控制。在機(jī)組運(yùn)行中，給水泵的出口閥門調(diào)節(jié)復(fù)雜。由于這樣的調(diào)節(jié)方法僅僅是改變通道的流通阻力，而驅(qū)動(dòng)源的輸出功率并沒有改變，節(jié)流損失相當(dāng)大，浪費(fèi)了大量電能。其主要弊端主要表現(xiàn)為：
    （1）調(diào)節(jié)閥前后壓差增加，工作安全特性變壞，壓力損失嚴(yán)重，造成能耗增加；
    （2）給水泵電機(jī)定速運(yùn)行，閥門調(diào)整節(jié)流損失大，出口壓力高，系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費(fèi)；
    （3）管道壓力過高，威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能；
    （4）長期的閥門開度，加速閥門自身磨損，導(dǎo)致閥門控制特性變差；
    （5）設(shè)備起動(dòng)沖擊電流大，需增加配電設(shè)備容量而增加投資。
    為了解決上述問題，經(jīng)過了大量的技術(shù)論證，龍口礦業(yè)集團(tuán)熱電公司決定      用高壓變頻器替代傳統(tǒng)的閥門調(diào)節(jié)給水量的方法。電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)對正常生產(chǎn)至關(guān)重要，對設(shè)備要求特別苛刻，因此在高壓變頻器的選用上非常謹(jǐn)慎。為了克服以上種種弊端，熱電公司選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器對2臺給水泵同時(shí)進(jìn)行變頻改造。選用一臺高壓變頻器，采用一拖二方式，一臺給水泵運(yùn)行，另外一臺給水泵備用。2臺給水泵電機(jī)和變頻器的技術(shù)參數(shù)如表1和表2：

型號

YKK5005-2

額定電壓

10000V

額定電流

69.6A

額定功率

1000kW

額定頻率

50Hz

額定轉(zhuǎn)速

2985r/min

功率因數(shù)

0.88

接法

Y

生產(chǎn)廠家

西安西瑪電機(jī)股份有限公司

3給水泵節(jié)能原理介紹

      改變水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法的基本原理是改變水泵壓頭特性曲線來改變工況點(diǎn)，由于水泵和風(fēng)機(jī)的控制理論相似同是流體力學(xué)，適用于風(fēng)機(jī)的節(jié)電方法，也基本適用于水泵上，但是液體的密度明顯的比氣體大，因而具有很高的壓力；管路阻力中的液位差較大。其節(jié)電的基本方法有三大要素：
    （1）減少不必要的流量
    （2）減少管路的阻力
    （3）用高效的方法控制流量
　　其具體的改變流量的方法有很多，但它們都是以可能降低不必要的流量和壓頭為前提的。控制流量的方法：間歇運(yùn)轉(zhuǎn)、并聯(lián)臺數(shù)控制、串聯(lián)臺數(shù)控制、翼角控制、調(diào)速控制等，變頻調(diào)速控制初期投資高些，但是運(yùn)行中的電耗可以大量減少，適用于流量變化大，揚(yáng)程變化范圍較大的場合。

3.2給水泵節(jié)能原理

根據(jù)式(3)可以計(jì)算出：當(dāng)頻率從50Hz降至40Hz時(shí)，可節(jié)約能耗近一半。
　　更直觀的水泵(或風(fēng)機(jī))工作曲線圖見圖2：水泵(或風(fēng)機(jī))的正常工作點(diǎn)為A，當(dāng)水量(或風(fēng)量)需要從Q1調(diào)到Q2時(shí)，采用閥門調(diào)節(jié)，管網(wǎng)特性曲線由R1（閥門全開）改變?yōu)镽2（閥門關(guān)?。?，其工作點(diǎn)調(diào)至B點(diǎn)，其功率為OQ2BH2’所圍成的面積，其功率變化很小，而其效率卻隨之降低。當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，可以按需要升降電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變設(shè)備的性能曲線，圖中從n1（額定轉(zhuǎn)速）到n2（轉(zhuǎn)速下降）,其工作點(diǎn)調(diào)至C點(diǎn)，使其參數(shù)滿足工藝要求，其功率為OQ2CH2所圍成的面積，同時(shí)其效率曲線也隨之平移，依然工作在高效區(qū)。圖中陰影部分為實(shí)際節(jié)約能耗。

 圖2 水泵(或風(fēng)機(jī))工作曲線圖

      如果在管網(wǎng)特性不變的系統(tǒng)中進(jìn)行水泵調(diào)速，并且對水壓沒有要求，這種情況下節(jié)能效益比恒壓供水要顯著得多。
4變頻改造方案介紹
      變頻調(diào)速系統(tǒng)配置目前我廠已有的DCS，通過DCS對變頻器進(jìn)行啟動(dòng)、停機(jī)、調(diào)速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行。
      為了保證鍋爐給水系統(tǒng)的可靠性，變頻器裝置具有工頻手動(dòng)旁路裝置，當(dāng)變頻器發(fā)生故障，停止運(yùn)行時(shí)，電機(jī)可以手動(dòng)切換到工頻下運(yùn)行，這樣可以保證鍋爐的供水要求，提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。
      操作方面，有遠(yuǎn)程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統(tǒng)的安全性能。DCS做好閉環(huán)控制，DCS根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷情況，按設(shè)定程序檢測母管壓力情況，運(yùn)算后給變頻器一個(gè)合適的頻率值，從而實(shí)現(xiàn)對鍋爐給水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制，保證母管壓力的穩(wěn)定。
　　給水泵變頻系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：給水泵變頻系統(tǒng)，既可以變頻調(diào)速運(yùn)行，也可以直接投工頻運(yùn)行，同時(shí)增加可靠的閉鎖回路；為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時(shí)，由于變頻器的控制電源和主電源沒有相位及同步要求，變頻器可以使用UPS繼續(xù)運(yùn)行，不會(huì)停機(jī)；在現(xiàn)場DCS速度給定信號掉線時(shí)，變頻器提供報(bào)警的同時(shí)，可按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)行，維持機(jī)組的工況不變；變頻器配置單元旁路功能，在局部故障時(shí)，變頻器可將故障單元旁路，降額繼續(xù)運(yùn)行，減少突然停機(jī)造成的損失；保留原電機(jī)繼續(xù)使用，不改變原有電機(jī)設(shè)備任何基礎(chǔ)。
5高壓凝泵變頻方案
5.1  動(dòng)力系統(tǒng)方案
      我廠給水系統(tǒng)變頻改造采用一拖二手動(dòng)旁路方案。其一次電路如圖3所示，即配備一臺高壓變頻器，通過切換高壓隔離開關(guān)把高壓變頻器切換到要運(yùn)行的給水泵上去。高壓變頻器可以拖動(dòng)7#給水泵電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行，也可以通過切換拖動(dòng)9#給水泵電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行。兩側(cè)給水泵電動(dòng)機(jī)均具備工頻旁路功能。

圖3 高壓變頻一次系統(tǒng)接線圖

k1和k2為變頻器旁路開關(guān)柜高壓隔離開關(guān)；
QF4和QF5為變頻器旁路開關(guān)柜高壓斷路器；
QF1和QF3分別為現(xiàn)場9#和7#給水泵工頻電源高壓斷路器；
QF2為現(xiàn)場變頻電源高壓斷路器；
    變頻器為風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻器；
    7#、9#給水泵受變頻器控制。

圖4   6#爐給水泵DCS監(jiān)控圖

      給水泵變頻啟動(dòng)時(shí)先操作對應(yīng)QF2高壓斷路器，給變頻器充電，再按變頻器啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)變頻器，在變頻啟動(dòng)時(shí)為了不使給水泵發(fā)生“汽濁”現(xiàn)象 ，給水泵以最小流量控制方式啟動(dòng)，打開給水泵再循環(huán)閥門，滿足給水泵的最小流量，在啟動(dòng)過程中當(dāng)出口流量大于最小流量時(shí)將延時(shí)打開出口閥門，出口閥門全開后關(guān)閉再循環(huán)閥門，隨著流量的增大，進(jìn)入母管的主調(diào)節(jié)閥門也將隨著流量的變化開啟到最大，在運(yùn)行中主要通過轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)管道中的流量，滿足汽包中水位的變化需要。
      由于該變頻器不能夠聯(lián)啟，所以7#與9#給水泵只能選擇一臺變頻運(yùn)行，另外一臺工頻運(yùn)行，兩臺泵的連鎖投入方法與改造前一致。
5.3給水泵的啟動(dòng)條件
（1）給水泵的入口和出口管道要充滿水；
（2） 給水泵入口閥門全開；
（3）給水泵出口閥門全關(guān)；
（4）給水泵再循環(huán)閥門打開；
（5）冷卻系統(tǒng)正常；
（6）機(jī)械密封水正常；
（7）油面正常；
（8）電氣聯(lián)鎖，進(jìn)線斷路器QF2合閘，變頻接觸器KM1，KM2合閘；
（9）變頻器帶電，系統(tǒng)自檢正常，收到變頻器發(fā)出的“就緒”信號。
6 運(yùn)行情況及效益

圖5高壓變頻器現(xiàn)場應(yīng)用

      2010年3月2日，本臺變頻器一次性投運(yùn)成功。該變頻器自運(yùn)行以來運(yùn)行基本良好。高壓變頻器現(xiàn)場應(yīng)用如圖5所示。

6.1直接效益

      電機(jī)變頻運(yùn)行參數(shù)記錄如表3所示。根據(jù)工況要求，電機(jī)運(yùn)行在40～45Hz之間，并且長時(shí)間運(yùn)行在45Hz左右，此時(shí)，變頻器的輸入功率在785kW左右，節(jié)能效果相當(dāng)明顯。
      以往，我公司沒有使用變頻設(shè)備時(shí)，在工頻情況下運(yùn)行的給水泵，電機(jī)電壓為10.3kV，電流為60A，功率為942kW。改造以后，給水泵一般在45.6Hz下運(yùn)行，其變頻輸出電壓為9.7kV，輸出電流為57A，功率為842kW，每天可節(jié)省2400kW•h。
      在使用變頻以來，改變了以往運(yùn)行人員經(jīng)常操作泵出口閥門的方式，緩解了水流對閥門內(nèi)部的沖擊，延長了閥門的更換周期。以前1～2年更換一次，但現(xiàn)在自2009年投運(yùn)以來，至今未更換過，不但節(jié)約了材料費(fèi)用，而且減少了對設(shè)備的維護(hù)量。
6.2間接效益
（1）變頻控制后，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小于額定電流值，啟動(dòng)更平滑。
（2）電機(jī)以及負(fù)載轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)效率得到提高，取得節(jié)能效果。大大減少了對設(shè)備的維護(hù)量，節(jié)約了人力物力資源。
（3）由于電機(jī)以及負(fù)載采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，工作特性改變，設(shè)備工況得到改善，延長設(shè)備使用壽命。
（4）使用變頻調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)恒定運(yùn)行，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。
（5）由于采用自動(dòng)控制，進(jìn)一步提高了設(shè)備運(yùn)行控制和系統(tǒng)運(yùn)行管理的自動(dòng)化水平，從而真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，大大增強(qiáng)了運(yùn)行的安全可靠性。
6.3運(yùn)行情況
      JD-BP38-1000F高壓變頻器監(jiān)控畫面內(nèi)故障類型共分為主控板故障、保護(hù)板故障、外部故障、停機(jī)故障、掉電三秒故障、頻率給定故障幾種。在運(yùn)行過程中曾出現(xiàn)過兩個(gè)方面的問題。
（1）由于受到本公司運(yùn)行環(huán)境的制約和影響，灰塵多將濾網(wǎng)堵死，造成內(nèi)部干式變壓器溫度升高而報(bào)警的情況時(shí)有發(fā)生，但將濾網(wǎng)及時(shí)除垢后，保證了變頻器的正常通風(fēng)，設(shè)備即可正常運(yùn)行，所以應(yīng)及時(shí)定期清掃濾網(wǎng)。
（2）在2010年11月份，變頻器監(jiān)控畫面出現(xiàn)過C相單元故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)柜內(nèi)一個(gè)整流單元損壞，更換后投入運(yùn)行，設(shè)備均運(yùn)行正常。
除了以上兩種故障外，風(fēng)光牌高壓變頻器在我公司運(yùn)行一切良好。
7結(jié)束語
      在龍口礦業(yè)集團(tuán)熱電公司鍋爐給水系統(tǒng)采用JD-BP38-1000F高壓變頻器，不但操作方便、容易、維護(hù)量小，而且有明顯的節(jié)能效果。通過高壓變頻器在龍口礦業(yè)集團(tuán)熱電公司鍋爐給水系統(tǒng)的應(yīng)用，可以根據(jù)鍋爐汽包水位情況進(jìn)行電機(jī)調(diào)節(jié)，大大提高鍋爐的穩(wěn)定性，并且節(jié)煤效果很好，提高了運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。通過在給水泵上的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，公司領(lǐng)導(dǎo)爭取在廠區(qū)其他設(shè)備上大力推廣。

參考文獻(xiàn)
山東新風(fēng)光電子使用手冊[Z] 山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司。

個(gè)人簡介：
劉洪偉  高級工程師，現(xiàn)供職于龍口礦業(yè)集團(tuán)熱電公司。

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文章聯(lián)系人：郭培彬
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