變頻裝置在火電廠高壓水泵電機節能中的應用

於立峰 沙建飛 孫佳和

浙江浙能蘭溪發電有限責任公司

0 引言

隨著電力行業改革的不斷深化，廠網分開、競價上網等政策的逐步實施，在節能減排越來越受到關注的今天，降低發電廠的廠用電率，以降低發電成本提高上網電力競爭力已成為各發電廠努力追求的經濟目標。節電就意味著降低成本、提高利潤，也意味著企業在激烈競爭的市場經濟中先行一步。

在火力發電廠中，水泵電機是重要的廠用電負荷，約占廠用電的二分之一。目前，我國火電廠中的水泵大多數為定速驅動的，采用泵的出口閥門來調節流量，存在嚴重的節流損耗。尤其在機組變負荷運行時，由于水泵的運行偏離高效點，使電機運行效率降低，浪費了大量的電能。降低廠用電直接關系著發電廠的經濟效益，而在廠用電負荷中，水泵的用電量約占廠用電的50%，這些設備都是長期連續運行和長時間處于低負荷及變負荷運行狀態，其節能潛力巨大。本文結合浙江浙能蘭溪發電有限責任公司（以下簡稱蘭電公司）凝泵變頻改造的案例，分析變頻改造在高壓水泵電機中的應用。

1 變頻調速節能原理

火力發電廠中，廠用水泵電機均為異步電機，由電機學可知，異步電動機的轉速與頻率的關系如式（1）：

其中，n為電機轉速，f為頻率，P為電機極對數，s為異步電機轉差率。

水泵是典型的變轉矩負載，變轉矩負載的特性是轉矩隨速度的上升而上升，水泵電機的軸功率與其流量、揚程之間的關系式如下：

由此可以得到水泵壓力和流量的關系曲線見圖1，電機功率與速度關系曲線見圖2。

圖1

圖2

由公式（1）可知電動機的轉速與電源頻率f成正比，當改變電源頻率時，即可改變電動機轉速，實現調速的目的。由公式（2）可知，水泵電動機的軸動力（輸出功率）與轉速的3次方成正比。所以，改變轉速可以降低電機的功率，達到節能的目的。

由于功率與轉速的3次方成正比，理論上電機轉速降低10%，功率即可下降約27%，有良好的節能效果。

2 電機變頻節能的優點及可行性

目前，火力發電廠中的6 kV風機、水泵絕大部分電機都是異步電機，國內外經過長期的研究和探索，常用的異步電機的節能改造技術有變頻改造、變極改造、永磁改造等。

變頻改造通過加裝高壓變頻器對水泵電機轉速進行調速控制，這種方法需要增加變頻設備。變頻調速為無級調速，調速范圍廣，適用于各類交流電動機，節能效果好，變頻調速與其它調速方案相比，具有以下優點：

1）電機輸出轉矩特性基本上保持了原來固有特性，轉差率小，啟動轉矩大；

2）頻率變化大，調節范圍寬，且能實現無級調速以及可以方便實現自動化控制系統(如DCS系統等)的通訊；

3）可恒功率調速，也可恒轉矩調速；

4）直接與DCS聯系，可便于通過變頻器內置的PID功能實現閉環控制。

以蘭電公司為例，該公司每臺機組配置2臺容量為2 200 kW的凝結水泵，正常運行方式為1用1備，其調節方式采用凝結水母管調節閥門調節除氧器水位的方式。凝結水的流量與汽輪機的負荷有直接關系，由于凝結水泵采用定速運行，出口流量只能由控制閥門跟隨機組負荷調節，節流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統效率低，存在較大的節能空間。

由于控制閥門為電動機械調整結構，線性度和調節品質差、自動投入率低，加之凝結水的長期沖蝕導致閥門使用壽命短，現場維護量大，造成各種資源的極大浪費。該公司于2009年對#4機凝結水泵進行了變頻控制改造，通過實際論證凝泵變頻控制的可行性，并于2011年5月實現了全廠凝結水泵的變頻自動控制，以求取得效益最大化。

隨著現代電力電子技術、自動控制技術和微電子技術的不斷進步和控制手段的日趨完善，高壓變頻技術變得漸漸成熟，采用變頻調速節能在技術上完全可行。同時，由于變頻調速技術帶來的巨大的節能效果和操作方便性，對水泵電機的變頻改造也顯得十分必要。

3 蘭電公司凝泵變頻系統的組成

3.1 一次系統的組成

蘭電公司4臺600 MW超臨界機組在變頻改造前，每臺發電機組配有兩臺凝結水泵，正常發電時一臺凝結水泵運行，一臺凝結水泵熱備用。一旦運行中的水泵發生故障，系統就會自動啟動備用泵，從而保證系統的連續運行。

由于每臺機組配置兩臺容量為2 200 kW的凝結水泵，正常運行方式為1用1備，因而設計變頻改造時采用“一拖二”的方式，即兩臺凝結水泵電機共用一臺變頻器，平時一臺泵變頻運行，而另一臺泵工頻熱備用。改造后，一段6 kV電源仍然供一臺水泵，在原真空開關QF1和QF2后面加入凝結水泵1的變頻器進出口閘刀QS1、QS2及旁路閘刀QS3和凝結水泵2的變頻器進出口閘刀QS4、QS5及旁路閘刀QS6，兩臺泵共用一臺變頻器。其中QF1、QF2、凝泵電機M為現場原有設備。QS2和QS3之間、QS5和QS6之間存在完全機械互鎖；QS1和QS4之間、QS2和QS5之間均存在電氣閉鎖和邏輯閉鎖關系，防止變頻器輸出側與6 kV電源側短路等嚴重事故，一次系統接線見圖3。

圖3 蘭電凝泵一次系統圖

3.2 凝泵運行方式

由于是“一拖二”方式，因此，只能允許一臺水泵變頻運行。

1）A泵變頻運行

QS1和QS2合閘，QS3分閘，QS4和QS5分閘，QS6合閘。此時合上QF1，變頻器帶A泵變頻運行。B泵處于工頻狀態。當A泵運行到最大轉速還未滿足工況要求時，自動以工頻方式啟動B泵，調節凝泵閥門，系統穩定后，A泵可以轉入調速運行；當A泵調速運行有故障時，可以通過故障信號自動將A泵以工頻方式啟動，調節凝泵閥門。

2）B泵變頻運行

QS4和QS5合閘，QS6分閘，QS1和QS2分閘，QS3合閘，此時合上QF2，變頻器帶B泵變頻運行；分開QF2，變頻器停運，B泵停運。A泵處于工頻狀態。

3）工頻運行或備用

QS3和QS6合閘，QS1和QS2、QS4和QS5分閘，此時變頻器停運，A和B泵工頻運行或備用。

3.3 變頻改造后的保護配置

根據GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》要求，2 MW及以上的電動機，或2 MW以下，但電流速斷保護靈敏系數不符合要求時，可裝設縱聯差動保護，縱聯差動保護應防止在電動機自啟動過程中誤動作。

由于凝泵電機額定功率為2 200 kW，在工頻運行時應當配置差動保護，保障電機的安全運行。然而，變頻改造后，電機變頻運行情況下，經過長期的現場運行經驗，轉速在額定轉速的70%～90%，以最大的可能轉速1 350 r/min考慮，由公式（2）可知電機的輸出功率為額定功率的75%左右，輸出功率為1 650 kW，小于2 000 kW，因此，在變頻運行方式下，凝泵電機可不配置差動保護。因此，采用工頻運行方式先投入差動保護，變頻運行時退出差動保護是合理可行的。

4 改造后的節能效果分析

4.1 改造后電量統計

蘭電公司4臺機組凝結水泵自完成了變頻器改造，凝結水泵系統運行正常。蘭電公司4臺機組容量相同，所有重要輔機設備工作方式相同。因此采取變頻改造前后數據對比的方法，隨機選取#3機組運行的凝結水泵進行了電流和電量的統計，見表1和表2。

表1 電量情況統計

表2 電流情況統計

4.2 節能效果分析

從表2數據可以看出，在同一負荷工況下，凝泵的運行電流相差較大，尤其低負荷時更為明顯。由此說明采用變頻調速后負荷越低，節能效果越好。

分析表1、表2中的數據，可以得出變頻后節電率較高，從表1中的6天數據可見，節電率可達到27%，見表3。

表3 節電率分析

表3數據抄錄時間的負荷為全年平均負荷，以#3機為例，根據表1數據可知，日平均節電量：

考慮到機組正常的停機檢修時間，機組按每年300天運行時間計算，年平均節電為：

按照0．4元/kWh的上網電價計算，變頻改造后一年產生的直接經濟效益為：

參照該公司每臺機組凝泵變頻改造的費用，不到一年的時間就能收回成本，帶來十分可觀的經濟效益。

同時，變頻調速實現了電機軟啟動，減少了電機的啟動沖擊和機械磨損，延長了電機的使用壽命，同時有利于降低廠用電率，降低機組發電煤耗，帶來良好的安全效益、社會效益和環境效益。

5 結束語

蘭電公司4臺機組凝結水泵通過變頻改造后，產生了較大的經濟效益和社會、環境效益，該公司還將繼續把變頻技術應用于其它主要輔機中去，在提高自動調節品質的同時達到節能降耗的目的，提高企業的綜合競爭力。