高壓給水泵多種運(yùn)行方式在熱電企業(yè)中的應(yīng)用

傅月明

（福建省福能龍安熱電有限公司，福建寧德 355200）

0 引言

給水泵作為朗肯循環(huán)的主要設(shè)備之一，給水壓力及流量是鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，利用變頻節(jié)能原理，本文結(jié)合某熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)4 臺(tái)給水泵采用變頻器“一拖一”“一拖二分時(shí)啟動(dòng)”及工頻運(yùn)行相結(jié)合，節(jié)約占地面積，節(jié)省項(xiàng)目資金，降低設(shè)備維修成本。

1 變頻節(jié)能原理

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速如式（1）所示：

式中：n-電機(jī)轉(zhuǎn)速；f-供電頻率；p-電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；s-電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；由式（1）可知，相同的電機(jī)極對(duì)數(shù)，在轉(zhuǎn)差率s 不變的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著供電頻率降低而降低[1]。

傳統(tǒng)方式通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)或啟停電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)給水泵水壓和流量的調(diào)節(jié)，該方式閥門(mén)節(jié)流損失較大，水泵的總效率偏低，由此而引發(fā)的電能損失較大，而介入變頻調(diào)節(jié)，可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變給水泵的性能曲線，從而達(dá)到水泵的水壓、流量滿(mǎn)足供況要求，變速前后流量、水壓、功率、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系見(jiàn)式（2）～式（4）。

式中：Q1、Q2-水泵調(diào)整前后的流量；H1、H2-水泵調(diào)整前后的水壓；P1、P2-水泵調(diào)整前后的軸功率。

變頻器頻率由額定50Hz 降至35Hz，即調(diào)整前后的轉(zhuǎn)速比為0.7，則調(diào)整前后的功率比為0.343，可見(jiàn)降低轉(zhuǎn)速能大大降低電機(jī)功率，因變頻器的功率較高，變頻器本身的功耗很低，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在50%額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，給水泵效率變化不是很明顯，另外在滿(mǎn)足操作要求的前提下，因電動(dòng)機(jī)輸出力矩相對(duì)穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低不會(huì)導(dǎo)致給水泵效率降低，因此變頻器的節(jié)能效果才能體現(xiàn)出來(lái)。

2 設(shè)備概況

某熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)共3 臺(tái)150t/h 高溫超高壓循環(huán)流化床鍋爐，配套一臺(tái)17MW、一臺(tái)20MW 發(fā)電機(jī)，配置4 臺(tái)高壓給水泵。由于鍋爐負(fù)荷受外網(wǎng)熱用戶(hù)用汽量波動(dòng)需要頻繁調(diào)整，給水調(diào)節(jié)隨之變化，為滿(mǎn)足給水調(diào)節(jié)的便利性及經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)場(chǎng)配置兩臺(tái)高壓變頻器，采用多種控制方式相結(jié)合，以滿(mǎn)足實(shí)際運(yùn)行工況。

該變頻器的優(yōu)點(diǎn)：①引入變頻器的使用，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，具有啟動(dòng)電流小，對(duì)電網(wǎng)沖擊小的優(yōu)點(diǎn)；②該變頻器具有完善的保護(hù)功能：配備有過(guò)電流，過(guò)電壓、欠壓以及短路保護(hù)，輕故報(bào)警，重故跳閘等保護(hù)；③系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，大大降低對(duì)電機(jī)的要求，對(duì)電網(wǎng)的諧波污染小[2]，不需要濾波變頻器就可以直接輸出所需的正弦的電流和電壓。

3 控制方式選擇

由于熱用戶(hù)用汽波動(dòng)在50—350t/h，該企業(yè)給水系統(tǒng)屬于母管制供水系統(tǒng)，企業(yè)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工況，采用變頻器“一拖一”“一拖二分時(shí)啟動(dòng)”“工頻”三種方式聯(lián)合控制，在不同工況下，采用不同的啟動(dòng)方式，以達(dá)到節(jié)能效果。

其中，變頻一拖一為1 號(hào)給水泵；變頻一拖二為2 號(hào)給水泵與3 號(hào)給水泵；工頻為4 號(hào)給水泵。

3.1 一拖一選擇

受外網(wǎng)供熱因素影響，供熱量在0—120t/h，采用單臺(tái)給水泵變頻啟動(dòng)方式，如圖1 所示。QF1 為10KV 高壓隔離開(kāi)關(guān)，QS1、QS2 為變頻器隔離刀閘，KM1、KM2 為變頻器前、后真空接觸器，KM3 為變頻器旁路柜真空接觸器。運(yùn)行人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況遠(yuǎn)程選擇1 號(hào)給水泵工頻/變頻運(yùn)行方式。外網(wǎng)在65—115t/h，1 號(hào)給水泵既滿(mǎn)足鍋爐安全運(yùn)行，又達(dá)到節(jié)能省電降噪。

1 號(hào)給水泵連鎖保護(hù)：

互為閉鎖關(guān)系：KM2 和KM3 互為閉鎖，即KM2 合閘后KM3無(wú)法合閘，KM3 合閘后KM2 無(wú)法合閘。

圖1 1 號(hào)給水泵接線

互為聯(lián)鎖關(guān)系：KM1 與KM2 互為聯(lián)鎖，即KM1 合閘后KM2方能合閘；KM1 聯(lián)鎖QS1，即KM1 合閘后QS1 無(wú)法操作。

1 號(hào)給水泵在運(yùn)行中，可實(shí)現(xiàn)“工/變”人為自由切換。當(dāng)變頻器故障跳閘后，自動(dòng)切換至工頻運(yùn)行，保證鍋爐的上水。

3.2 兩臺(tái)變頻器運(yùn)行

當(dāng)供熱負(fù)荷在120—280t/h，可選用二臺(tái)變頻器運(yùn)行。如圖2所示：QF1、QF2 為 10KV 高壓開(kāi)關(guān)，QS1、QS2 為變頻器輸入隔離刀閘，QS3、QS4 為變頻器輸出隔離刀閘，KM1、KM2、KM3、KM4為變頻器前、后真空接觸器、KM5 和KM6 為變頻器旁路柜真空接觸器。

圖2 變頻器“一拖二”接線

當(dāng)3 號(hào)給水泵QF1 合閘后，選擇變頻器C，變頻啟動(dòng)3 號(hào)給水泵，反之變頻啟動(dòng)2 號(hào)給水泵。在外網(wǎng)負(fù)荷達(dá)267t/h，1 號(hào)、3 號(hào)給水泵在變頻條件下，仍能滿(mǎn)足鍋爐上水要求，并達(dá)到節(jié)能效果。

互為閉鎖關(guān)系：KM1 和KM2 互為閉鎖，即KM1 合閘后KM2無(wú)法合閘，KM2 合閘后KM1 無(wú)法合閘。

KM3 和KM4 互為閉鎖，即KM3 合閘后KM4 無(wú)法合閘，KM4合閘后KM3 無(wú)法合閘。

KM3 和 KM5 互為閉鎖，即 KM3 合閘后 KM5 無(wú)法合閘，KM5合閘后KM3 無(wú)法合閘。

KM4 和 KM6 互為閉鎖，即KM4 合閘后KM6 無(wú)法合閘，KM6合閘后KM4 無(wú)法合閘。

互為聯(lián)鎖關(guān)系：KM1 與KM3 互為聯(lián)鎖，即KM1 合閘后KM3方能合閘。

KM2 與KM4 互為聯(lián)鎖，即KM2 合閘后KM4 方能合閘。

真空接觸器：KM1（KM2）的作為隔離刀閘 QS1（QS2）的閉鎖開(kāi)關(guān)，即 KM1（KM2）合閘后，QS1（QS2）無(wú)法操作。

3.3 一工兩變運(yùn)行方式

當(dāng)外網(wǎng)負(fù)荷>280t/h，選擇“一工，兩變”聯(lián)合運(yùn)行，在保證工頻運(yùn)行泵不超電流的情況下，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)上水流量及壓力，達(dá)到節(jié)能降耗。

4 節(jié)能分析

福建地屬全國(guó)多雷區(qū)，該企業(yè)在閩東沿海地區(qū)，常年多雨潮濕，常發(fā)生地面返潮現(xiàn)象。研究表明，凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生，與溫度、濕度、氣壓三個(gè)要素緊密相關(guān)。為避免高壓設(shè)備因受潮，導(dǎo)致短路跳閘，該企業(yè)特設(shè)置給水泵變頻室，并配備空調(diào)，以維持室內(nèi)濕度的同時(shí)保證高壓變頻器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量及時(shí)得到冷卻。由于東方日立變頻器配備有變壓器柜、功率柜、控制柜、旁路柜四部分組成，占地面積較大，在寸土如金的沿海城市，節(jié)約用地可有效控制前期投資成本，因此選用“一拖二分時(shí)啟動(dòng)”的方式，減少設(shè)備的資金投入及占地面積，從根本上降低企業(yè)成本。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，該企業(yè)2019 年年供熱169.1 萬(wàn)噸，年平均運(yùn)行約7500h，平均供熱量為225t/h，平均上水量317t/h，從表1 可知，年上網(wǎng)電量增加441.75MW·h，可增加利潤(rùn)173.8 萬(wàn)。

表1 給水泵變/工運(yùn)行節(jié)能對(duì)比

5 結(jié)論

（1）熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)運(yùn)行時(shí)，由于受熱用戶(hù)影響，負(fù)荷波動(dòng)大，調(diào)節(jié)頻繁，給水母管制系統(tǒng)采用給水泵多種運(yùn)行方式相結(jié)合，選擇合理的運(yùn)行方式，節(jié)能效果顯著。

（2）采用變頻技術(shù)，啟動(dòng)給水泵時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)曲線平滑，大大降低了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，有效減少機(jī)械磨損，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，大幅降低設(shè)備的維護(hù)成本。