大除鹽水泵運行問題分析及其電機變頻改造方案的研究

冷攀攀，王宏亮

(中國電建集團貴州電力設計研究院有限公司，貴陽 550002)

0 引 言

某熱電聯產項目為超臨界直流爐，裝機容量1×350 MW，除鹽水補水量80 t/h，設置了兩臺機組正常運行時使用的除鹽水泵(一用一備)，并設有一臺啟動用大除鹽水泵，流量290 t/h，揚程130 m，功率為160 kW，用于鍋爐吹管及酸洗時大量用除鹽水時啟動，除鹽水泵采用變頻調節，啟動用大除鹽水泵采用工頻運行。在機組整套啟動前吹管期間，大除鹽水泵發生了斷路器觸頭損壞、水泵電機燒毀等事故，對機組吹管造成了一定的影響。根據大除鹽水泵的啟動和運行工況的數據分析，事故主要原因為啟動電流過大，對改善方案進行比較后，確定對該泵實施變頻改造。改造后能實現泵的軟啟動，可將啟動電流限制在額定電流的1.2～1.5倍，避免了啟動時沖擊電流對電機的損傷，保護了電氣設備，改善了運行條件，同時能夠實現便捷的調節流量，減少了運行人員的勞動強度。某電廠和某鋼鐵廠也對其除鹽水泵進行了變頻改造，主要目的是改善供水量調節的條件，同時達到節能降耗的效果[1-2]。

1 運行情況及故障原因分析

1.1 運行工況分析

機組整套啟動前的鍋爐吹管階段，除鹽水補水量不是恒定的，根據現場數據顯示，流量常在100 t/h到350 t/h波動，有時候甚至降到80 t/h以下，此時需停大除鹽水泵并啟用小除鹽水泵進行補水，當機組需要除鹽水量增加之后，除鹽水泵的流量又不能滿足要求，此時，又需啟動大除鹽水泵進行補水，使得大除鹽水泵的啟停較為頻繁，并且長時間偏離設計工況點運行。

1.2 事故情況

大除鹽水泵安裝完成后進行單體調試時，發生了故障導致緊急停泵，經初步判斷為機械故障，將泵體拆開后發現軸承損壞，經廠家現場查看后確定為水泵軸承選型過小，更換較大的軸承后根據要求完成了單體調試，并通過驗收。

在鍋爐第一次吹管期間，大除鹽水泵在啟動過程中出現斷路器觸頭拉弧損壞，在更換斷路器后又出現電機燒毀的情況。經現場調取DCS電流曲線和框架斷路器動作歷史記錄發現，電流速斷0.01 s保護動作跳開斷路器，動作電流最高達到8 780 A，遠遠超出短路瞬動整定值3 360 A。對電機三相繞組進行絕緣測試，結果顯示相間及相對地電阻均為零，將電機拆開之后明顯看出為電機繞組匝間短路，因短路電流過大，斷路器保護動作切斷故障電流過程中拉弧，最終導致觸頭損壞。

1.3 原因分析

當大除鹽水泵工作揚程低于額定揚程時，將會產生較大的啟動電流。啟動電流過大容易對匝間絕緣產生沖擊，使繞組出現匝間松弛、絕緣裂紋等不良現象，破壞效應不斷積累使絕緣最薄弱點碳化引起匝間短路，最終導致繞組局部燒毀。經過分析得出解決這一問題的關鍵在于如何降低大除鹽水泵的啟動電流，并使其處于安全范圍內。

2 減小電機啟動電流的幾種常用方式

在工程應用中，常采用Y-△啟動[3]，增加軟啟動器或者增加變頻器的方式減小電機啟動電流，以保護電機及電氣設備。

2.1 Y-△降壓啟動

Y-△啟動是一種降壓啟動方式，啟動時將異步電動機三相定子繞組接成星形，等啟動完成后，再接成三角形。適合于電動機的輕載啟動，并且局限于正常運轉時為三角形接法的異步電動機。

2.2 增加軟啟動器

軟啟動器是一種具有軟啟動、軟停止、輕載節能和定時低速運行等多種功能的電動機控制裝備。它可以在整個啟動過程中實現電動機的平滑啟動，還能根據電動機所帶負載的特性來調整各種啟動參數，如過流值、過扭矩值、啟動時間等。

2.3 增加變頻器

變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變頻率控制交流電動機的運行速度和轉矩實現降壓啟動，它主要由整流、逆變、濾波、制動和驅動四單元等組成。依靠開斷內部的IGBT來調整電源輸出的頻率和電壓，以達到調速和節能的作用，同時，變頻器還具有防過載、防過流、防過壓等功能。

2.4 方案的選擇

使用Y-△啟動、增加軟啟動器和變頻器均可以較好的限制電機啟動電流，從而避免電機啟動時的沖擊電流對設備造成損傷。但使用Y-△啟動或軟啟動器只能限制電機啟動電流，軟啟動器的輸出只能改變電壓而不能改變頻率，不具備調速功能[4]。而變頻器的軟啟動可以控制啟動速度，延長啟動時間，使啟動電流從零逐步升高，可以極大地減輕對廠用電網的沖擊力，對延長電機和電氣設備的使用壽命也更加有利。同時使用變頻器還可以通過變頻調速對出口流量進行調節，而不必通過調整水泵出口閥門開度來對流量進行調節，從而減輕運行人員的勞動強度，提高了自動化程度，故最終確定采用變頻改造實施方案。

3 改造方案

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。目前使用的變頻器主要采用“交-直-交”方式(VVVF變頻或矢量控制變頻)，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器由整流、中間直流環節、逆變和控制四部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式變頻器，且輸出為PWM波形，中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。

交流電動機工作原理中的轉速關系：

n=60f(1-s)/p

(1)

式中，n為電機轉速，rad/min；f為電源頻率,Hz；s為轉差率；p為極對數。

根據上式可知，在極對數p和轉差率s保持不變的情況下，均勻改變電動機定子繞組的電源頻率f，就可以平滑地改變電動機的同步轉速n，根據流體力學知識，流量、壓力、轉速、輸出功率之間的關系為：水泵流量與轉速的一次方成正比，壓力與轉速的二次方正比，而軸功率與轉速的三次方成正比。理想情況下的相互關系見表1。

表1 轉速、流量、揚程、功率之間的關系

根據上表可知，通過變頻器調節電動機轉速，就能對泵出口流量進行調節，以滿足不同工況下泵的供水量。另外電動機轉速變慢，軸功率也相應減少，電動機輸入功率也隨之減少。

水泵以較低頻率啟動，啟動電流大大降低，能減輕對水泵電機的沖擊，有效保護了斷路器等電氣設備及元件，延長其使用壽命。

根據現場情況，在大除鹽水泵電源端新增一面變頻器控制柜，變頻器采用某國產品牌Hope800系列高性能矢量控制變頻器。該變頻器具有控制策略強大，參數設置簡單，后期維護方便的特點。動力電源經過變頻器變頻輸出后接入大除鹽水泵電機，其變頻改造的電氣示意圖如圖1所示。電流和轉速反饋模擬信號以及電機轉速指令模擬信號采用硬接線的形式接入DCS，從而實現DCS后臺監視和調速功能。

圖1 大除鹽水泵變頻改造電氣示意圖

變頻調節優點：

(1)電機采用變頻啟動，按設定的加速時間，隨著電源頻率的逐步上升，電流、轉速平穩增加，避免了啟動時沖擊電流對電機的損傷；

(2)變頻器調速系統的使用，減少了軸承磨損、發熱等現象，延長了泵的使用壽命；

(3)頻率可在20～50 Hz之間調節，能適應各種負荷工況下除鹽水母管壓力穩定調節的要求，同時達到節能的效果；

(4)調節精度高，可更好的控制除鹽水母管壓力在設定范圍內；

(5)保護功能完善，有過電流、過電壓、短路、過載等多項保護；

(6)具有開機自檢、故障記憶等功能，提高了設備的安全系數。

4 結束語

變頻調節在鍋爐補給水處理系統中應用很多，但是大除鹽水泵采用變頻調節的案例較少，本項目根據大除鹽水的現場運行情況，對其進行了變頻改造，使該泵及其電氣設備在啟動和運行時的不良狀況得以大大改善，改造至今將近一年時間運行穩定，未再出現過任何故障。運行人員能夠在DCS上實現對水泵流量的精準調節，避免了只能通過調整水泵出口閥門開度來調節流量的不便，同時低負荷運行時軸功率也相應降低，能達到節能降耗的目的，帶來較好的經濟效益。對這種功率較大的水泵，需要考慮其較大啟動電流對水泵及其相關電氣設備帶來的不利影響，同時也要充分了解其運行工況，以便在設計中采取措施提前消除運行中可能帶來的隱患，使設計更加的合理。