鍋爐燃油供油泵變頻改造分析

李哲璽

（山西京能呂臨發(fā)電有限公司，山西 呂梁 033299）

1 前言

我國發(fā)電結(jié)構(gòu)目前火電仍占絕對主導(dǎo)地位。發(fā)電裝機和發(fā)電量開始從高速增長進入低速增長階段，從兩位數(shù)增長轉(zhuǎn)為個位數(shù)增長。無論是發(fā)電裝機容量還是發(fā)電量，都呈現(xiàn)出可再生能源占比擴大的趨勢。2019年，發(fā)電裝機容量59.2%，非化石能源裝機占40.8%。從我國發(fā)電量結(jié)構(gòu)的份額變化可以看出，火電在發(fā)電量中的份額從2011年開始出現(xiàn)下降趨勢，而核電、水電、風(fēng)電光伏發(fā)電等發(fā)電量占比穩(wěn)步上升。2019年，我國發(fā)電量中，火電占68.9%，非化石能源發(fā)電量占31.1%。

隨著近幾年新能源、光伏、風(fēng)電的快速發(fā)展，火電企業(yè)的生存越來越難，企業(yè)利潤受困于煤價和上網(wǎng)電價，大多數(shù)火電企業(yè)處于虧損狀態(tài)，即使盈利，效益也不是很好，企業(yè)為了生存，節(jié)能降耗是公司長期發(fā)展的重要工作，節(jié)能降耗就意味著增效。目前，在我國的電力能源結(jié)構(gòu)中，火電約占68.9%，而電廠中的引風(fēng)機、送風(fēng)機、給水泵電機及輔機設(shè)備的油泵、水泵等高能耗設(shè)備，大都采用工頻運行，其輸出的功率不能根據(jù)機組的負荷進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，只能通過改變擋板或閥門的開度來進行調(diào)整，造成大量的能耗損失。因此，如何改進目前電廠機組及輔機設(shè)備的節(jié)能工作，顯得十分重要。

2 變頻改造的原因

異步電動機運行時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n低于旋轉(zhuǎn)磁場的同步速度n0，用轉(zhuǎn)差率s來表示，它們的關(guān)系參見式（1）：

旋轉(zhuǎn)磁場的同步速度n0與電動機的極對數(shù)p及定子電流的頻率f之間的關(guān)系參見式（2）、式（3）：

可見，電動機的運行轉(zhuǎn)動速度是由定子電流的頻率、極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率三個參數(shù)決定的。因此，可以通過改變這三個參數(shù)來調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速，由于電機的極對數(shù)只能是偶整數(shù)，所以改變極對數(shù)P只能實現(xiàn)有極調(diào)速，不能實現(xiàn)無極調(diào)速；而改變轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法，則是把從定子傳送到轉(zhuǎn)子的能量先在轉(zhuǎn)子電阻上消耗掉一部分，使輸出的機械功率變小，于是，使電機的轉(zhuǎn)速變低，就電機本身而言，并不節(jié)能，但因為對風(fēng)機、泵而言功率的消耗是與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，而電機中的損耗只與轉(zhuǎn)差的一次方成正比，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速下降時，從風(fēng)機、泵類上節(jié)約下來的能耗只與轉(zhuǎn)差的一次方成正比，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速下降時，從風(fēng)機、泵類上節(jié)約下來的能量遠遠超過電機轉(zhuǎn)子回路電阻上損耗所增加的數(shù)值；較理想的調(diào)速還是變頻調(diào)速，因為在變頻的情況下，電機的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速隨著頻率變化而變化，電機的轉(zhuǎn)速也將隨之而變，不消耗任何功率，故效率較高，節(jié)電效果可高達30%以上。

燃油系統(tǒng)正常運行時，只需要維持燃油系統(tǒng)油壓正常，但電機始終處在高速運行狀態(tài)，耗電量大，軸承壽命減少，機務(wù)設(shè)備磨損快，生命周期短，設(shè)備的維護成本高；采用變頻控制技術(shù)，電機變頻啟動時，可降低啟動電流，電機變頻運行，轉(zhuǎn)速降低，負載電流減少，耗電量降低，軸承壽命增加，機務(wù)設(shè)備磨損減緩，設(shè)備生命周期延長。進行變頻控制改造可實現(xiàn)無極調(diào)速，V/F控制、矢量控制等；利用變頻器本身等的通訊功能，上位機能夠?qū)崟r監(jiān)控電機的運行狀況，實現(xiàn)節(jié)能降耗為企業(yè)增加利潤的目的。

3 改造過程

現(xiàn)場核對A離心式供油泵電機名牌參數(shù)信息，為變頻改造手機基礎(chǔ)參數(shù)。A離心式供油泵電機銘牌參數(shù)如表1。

表1 A離心式供油泵電機銘牌參數(shù)

變頻器調(diào)速改造根據(jù)A燃油供油泵負載特性選擇相應(yīng)特性的變頻器，A燃油供油泵變頻器采用西門子MM430變頻裝置，組成成套的變頻柜，變頻器容量選擇75kW。

3.1 變頻器控制接線

（1）變頻器安放在燃油庫房MCC段旁邊。

（2）變頻器電源將原來接在A離心式供油泵電機電源接至變頻器入口電源上。

（3）將現(xiàn)在A離心式燃油泵電機電纜接至→RS-160A（保險）→（電流互感器）BH-200/5→電抗器→濾波器→變頻器→A離心式供油泵電機。

（4）發(fā)電廠燃油泵電機變頻控制參見圖3。

3.2 變頻器高次諧波產(chǎn)生及問題處理

由于變頻器的整流橋和逆變裝置對電網(wǎng)來說是一個非線性負載，所以會產(chǎn)生高次諧波分量，會對同一的電網(wǎng)系統(tǒng)的其他電氣、電子設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾、造成諧波污染。其主要帶來的危害有以下幾點：

（1）諧波會導(dǎo)致繼電保護和自動裝置誤動作，熱控控制信號等產(chǎn)生影響。

（2）諧波會對鄰近通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。

（3）諧波使電網(wǎng)中電氣元件產(chǎn)生附加高次諧波損耗，降低發(fā)電用戶、輸電用戶及用電戶線路使用效率，大量的3次諧波流過中性線時會使所在的電網(wǎng)線路過熱，電網(wǎng)線路過熱長期積累逐步引發(fā)火災(zāi)，導(dǎo)致電力事故。

（4）諧波影響各種電氣電子設(shè)備正常工作，使電機產(chǎn)生附件損耗、發(fā)生機械振動、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴重過熱，使電容器、電子設(shè)備、保護設(shè)備、電纜等設(shè)備溫度異常升高、過熱，長期溫度升高、過熱導(dǎo)致設(shè)備絕緣老化，壽命不可見的縮短損壞。

（5）諧波對大家生活的影響也是顯而易見的，比如，大家使用的電視機、筆記本、計算機的顯示亮度發(fā)生晃動，圖像或圖形發(fā)生扭曲變形，甚至?xí)箼C器內(nèi)部電子元件損壞，導(dǎo)致機器無正常法使用或系統(tǒng)無法正常運行。

高次諧波對應(yīng)的處理方法（遵守EMI防護導(dǎo)則）：

①線路分開：為了避免燃油A變頻負荷電流造成電壓畸形對控制、信號電纜產(chǎn)生影響，避免對DCS控制信號產(chǎn)生影響，采取把產(chǎn)生諧波負荷的燃油泵的電源電纜線路和對諧波敏感負荷的DCS電源電纜及控制電纜線路按照不同路徑分開敷設(shè)，線性負荷電纜和非線性負荷電纜從同一電源點開始由不同間隔電源供電，使燃油泵變頻的非線性負荷產(chǎn)生畸變電壓不會傳導(dǎo)到DCS電源及DCS的控制電纜電源線性負荷上。

②在變頻器電源進線和出線可安裝電抗器，配備濾波器其效果相當(dāng)好。

③遵守EMI的防護導(dǎo)則，嚴格按照其要求進行合理的布線（電動機和電源布線要求按照圖1或圖2）。

圖1 電動機和電源的布線方法1

圖2 電動機和電源的布線方法2

3.3 變頻器調(diào)試設(shè)置

A供油泵變頻器主要修改兩方面：（1）畫面修改。在燃油泵房主畫面左上角添加A供油泵變頻調(diào)節(jié)，有壓力設(shè)定、頻率設(shè)定以及自動手動選擇按鈕。當(dāng)A供油泵運行時，需選擇A供油泵變頻調(diào)節(jié)為“自動”狀態(tài)；當(dāng)A供油泵停止運行時，需選擇A供油泵變頻調(diào)節(jié)為“手動”狀態(tài)。（2）邏輯修改。以供油母管壓力值為目標調(diào)節(jié)值，進行A供油泵變頻器的自動調(diào)節(jié)。供油母管壓力原來由循環(huán)調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)，邏輯修改后，改為由A供油泵變頻器進行自動調(diào)節(jié)。變頻器設(shè)備參數(shù)由西門子子廠家技術(shù)人員現(xiàn)場進行調(diào)試（如圖3）。

圖3 發(fā)電廠燃油泵電機變頻控制

3.4 變頻改造后運行方式

當(dāng)A離心式供油泵運行時，B離心式供油泵投備用（B離心式供油泵啟動條件為燃油母管壓力0.85MPa啟B供油泵），保證燃油系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。當(dāng)變頻器故障時B供油泵運行，C供油泵投備用。可以保證任何狀態(tài)下燃油系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4 改造前后電流和油壓對比分析

A離心式燃油泵電機改造變頻前后運行時每小時記錄一次電機運行電流和油壓，A離心式燃油泵電機改變頻前后油壓和電流的對比見表2。

表2 A離心式燃油泵電機改變頻前后油壓和電流的對比

表2 為A離心式燃油泵電機改變頻控制前后油壓和電流的對比，對于未改變頻前，其在正常運行期間基本處于滿功率運行，電機額定電流134A，正常運行120A左右。而改成變頻控制運行后，所使用的功率比原來減少了40kW左右，正常運行電流為60A，依然可以滿足燃油系統(tǒng)正常運行。而且變頻器本身自帶保護功能多，對設(shè)備的堵轉(zhuǎn)、過負荷、過電流、過熱等故障狀態(tài)能做出比較準確的判斷，并予以保護，并設(shè)有故障存儲功能，能保留存儲最近8次故障代碼和最后一次故障的參數(shù)信息，便于運行及維護人員查詢處理。

5 技術(shù)節(jié)能效果

A離心式燃油泵電機變頻技術(shù)改造前平均運行電流為120A左右；而對A離心式燃油泵電機變頻技術(shù)改造后平均運行電流為（58+60+59+59+60+58+60）/7=59.2A；平均每小時比工頻時電流減少60.8A，則每小時節(jié)約電量為60.8×0.936×0.38×1.732=37.5kW·h；每天 節(jié) 約 電 量 為37.5×24=900kW·h；全 年 節(jié) 約 電 量為1046.4×365=328500kW·h，一 年 至 少 可 以 節(jié) 約328500kW·h×0.27元/kW·h=88695元（電 價 按 照0.27元/kW·h)。

6 結(jié)語

變頻技術(shù)用于燃油泵節(jié)能改造，取得了顯著的節(jié)能節(jié)電效果，是很理想的節(jié)能調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)備的利用效率，又滿足了設(shè)備生產(chǎn)工藝要求，并減少了設(shè)備的維護工作量，節(jié)約了維修維護費用。本次燃油A離心式供油泵總投資為6.5萬元，不到一年的時間就可收回成本。直接經(jīng)濟和間接經(jīng)濟效益非常明顯，是企業(yè)可以推行的一項節(jié)能節(jié)電措施。