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1 用戶現(xiàn)場工況介紹

濟南熱電有限公司某熱電廠裝機容量為3×70MW鏈條式熱水鍋爐，擔負著供熱面積350萬平方米的任務(wù)。熱力網(wǎng)的穩(wěn)定主要取決于鍋爐、熱網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)和管線。鍋爐安全、穩(wěn)定的經(jīng)濟運行一般遵循“一守，三動”的控制原則，即主要是以風(fēng)、灰、煤相互配比來完成鍋爐的經(jīng)濟性燃燒。而熱網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)主要保證水循環(huán)穩(wěn)定和壓力恒定，即控制好水位達到安全運行的目的。供熱負荷變化時需要調(diào)節(jié)水量，如果通過調(diào)節(jié)泵的出口門的開度來實現(xiàn)，實際上是靠壓損來減少給水流量，而電機的出力卻沒有變化。所以熱網(wǎng)循環(huán)泵最佳方案就是采用變頻器進行調(diào)速，這樣就可以將出口門全部打開，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制流量，可以方便的調(diào)整機組的供熱量，從而最大程度地降低熱電廠供熱成本。2017年7月濟南熱電有限公司領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過多方考察，決定對下屬某熱電廠#5熱網(wǎng)循環(huán)泵電動機實施變頻改造，采用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP38系列高壓變頻器。

#5熱網(wǎng)循環(huán)泵的具體參數(shù)如表1所示。

表1 水泵節(jié)能原理

2 循環(huán)水泵節(jié)能原理

根據(jù)水泵的壓力-流量特性曲線按照工藝要求實現(xiàn)變速變流量控制，是節(jié)電的有效方法。

按照電機學(xué)的基本原理，電機的轉(zhuǎn)速滿足如下的關(guān)系式：

　　       (1)

其中p為電機極對數(shù)，f為電機運行頻率，s為滑差。

從式(1)看出，電機的同步轉(zhuǎn)速正比于電機的運行頻率()，由于滑差s一般情況下比較小（0～0.05），電機的實際轉(zhuǎn)速約等于電機的同步轉(zhuǎn)速。所以調(diào)節(jié)了電機的供電頻率，就改變了電機的轉(zhuǎn)速，進而控制水泵流量的大小。

水泵功率與轉(zhuǎn)速有下列三次方關(guān)系：

　　(2)

其中P為水泵消耗功率，KP為功率常數(shù)，n為電動機拖動水泵的轉(zhuǎn)速。

由式(1)和式(2)，得式(3)：

　　(3)

圖1 手動旁路柜

表2 JD-BP38-2000F高壓變頻器主要技術(shù)參數(shù)

圖2 手動旁路柜

根據(jù)式(3)可以計算出：當頻率從50Hz降至45Hz時，可節(jié)約水泵能耗27%左右。

更直觀的水泵工作曲線圖如圖1所示，泵的軸功率與流量和揚程有以下關(guān)系，P∝KQH，Q為流量，H為泵出口壓力。由于循環(huán)水泵受管道阻力影響較小，在出口壓力基本恒定的情況下，轉(zhuǎn)速降低，流量降低，使泵的輸出功率減小。這種情況下節(jié)能效益比恒壓供水要顯著得多。圖1中陰影部分為節(jié)能功率。

3 風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。2007年9月，風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器榮獲“中國名牌”稱號。JD-BP38-2000F高壓變頻器技術(shù)參數(shù)如表2所示。

4 高壓變頻器技術(shù)要求及改造方案

4.1改造邏輯設(shè)計

由于熱網(wǎng)熱負荷調(diào)節(jié)以調(diào)節(jié)汽輪機抽汽量為調(diào)節(jié)方式，所以熱網(wǎng)循環(huán)泵主要以穩(wěn)定供熱管網(wǎng)壓力為調(diào)節(jié)方式。熱網(wǎng)循環(huán)泵變頻調(diào)節(jié)以熱網(wǎng)供水壓力為被調(diào)量，通過DCS系統(tǒng)調(diào)節(jié)熱網(wǎng)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)供水壓力。

4.2高壓變頻器改造旁路設(shè)計

該熱電廠#5循環(huán)泵高壓變頻器改造采用“一拖一”控制方式，配備手動切換控制柜。變頻器改造旁路如圖2所示：

圖2旁路柜中，共有3個高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構(gòu)，實現(xiàn)電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)試。

旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。

故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當變頻器出現(xiàn)故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。

保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。

4.3控制回路設(shè)計

如圖3所示，DCS系統(tǒng)輸出4～20mA電流信號（壓力信號）控制JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行頻率，來控制電機的運行轉(zhuǎn)速。JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)反饋4～20mA電流信號指示JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出頻率、輸出電流。JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同時接收DCS控制系統(tǒng)的啟動、停止、急停、復(fù)位控制信號，調(diào)整運行狀態(tài)。

當JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)故障時，系統(tǒng)輸出故障停機和報警信息，用于提示用戶啟動故障處理措施，同時JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)將信號發(fā)送給DCS，在DCS系統(tǒng)上顯示故障，以便于及時的排除故障。如果系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況，DCS監(jiān)視人員立即點擊變頻器緊急停止按鈕，此時變頻器立即封鎖輸出，并及時跳開現(xiàn)場高壓斷路器。

4.4恒壓工作原理、PID設(shè)定

由于供熱公司需要控制熱網(wǎng)循環(huán)水的壓力穩(wěn)定，因此變頻器采用恒壓控制方式，其工作原理如圖4所示，將壓力傳感器設(shè)在水泵機組母管網(wǎng)出水口，Vi為恒定壓力設(shè)定值，管網(wǎng)壓力V作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器內(nèi)部的PLC采集管網(wǎng)壓力值V與用戶給定值Vi進行比較和運算，通過PID進行調(diào)整，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號送至變頻器，直至達到管網(wǎng)壓力的給定值Vi。管網(wǎng)壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。

（1）在PID控制中，P系數(shù)加大，可以加快調(diào)節(jié)速度。但如果過大，系統(tǒng)容易因超調(diào)而震蕩。若P太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。P可正可負。如果比例系數(shù)為正，那么該回路為正作用回路；如果比例系數(shù)為負，那么該回路為反作用回路。本變頻器P設(shè)定為0.40。

（2）積分I的作用主要是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。但過強的積分作用使供水系統(tǒng)超調(diào)加大。所以在調(diào)節(jié)過程初期，應(yīng)減弱積分作用，防止產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象；而到過程后期，應(yīng)適當增強積分作用，以提高控制精度。本變頻器I設(shè)定為12.0。

風(fēng)光高壓變頻器內(nèi)置PID功能，其中PID結(jié)構(gòu)參數(shù)具有以下選擇方式：

0：比例PID控制只比例增益起作用

圖3 高壓變頻器控制外圍控制回路

圖4 恒壓供水系統(tǒng)工作原理框圖

表3#5循環(huán)水泵耗功計量表

1：積分PID控制只積分增益起作用

2：比例+積分PID控制比例增益和積分增益同時起作用

3：比例+積分+微分PID控制比例增益、積分增益和微分增益同時起作用

本變頻器PID參數(shù)PID結(jié)構(gòu)選擇2，比例+積分PID控制比例增益和積分增益同時起作用，完全可以滿足供水系統(tǒng)的供水壓力恒定要求，不需要設(shè)定微分參數(shù)。

5 改造后的節(jié)能效果以及效益分析

該#5熱網(wǎng)循環(huán)泵改造前根據(jù)供熱要求，調(diào)節(jié)水泵出口閥門開度來調(diào)整供熱，熱網(wǎng)泵的起停根據(jù)供熱要求手動操作，既不能及時調(diào)整目管壓力滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，又操作麻煩增加維護費用。

改造后系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程DCS集中監(jiān)控，并且具備自動調(diào)節(jié)功能，根據(jù)實際供熱需要系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)變頻器運行頻率，以達到改變電機轉(zhuǎn)速，進而實現(xiàn)滿足工藝的要求。不僅節(jié)省了大量的電能量浪費，而且實現(xiàn)了熱網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定，在系統(tǒng)維護和操作方面極大的減少了運行成本。

為了對比改造前后的節(jié)能效果，在供熱負荷基本相同的條件下，對比#5循環(huán)泵分別在工頻、變頻狀態(tài)下。抄錄循環(huán)水耗電計量表數(shù)據(jù)如表3所示。

節(jié)電率=節(jié)電量/原工頻耗電=（1-1501.16/1824.01）*100%=17.70%。

另外#5熱網(wǎng)循環(huán)泵變頻改造后，具有軟啟動、軟停止；提高了機組水泵的運行效率；現(xiàn)場噪音大大降低，有效改善現(xiàn)場的運行環(huán)境，操作人員反映良好；便于實現(xiàn)廠循環(huán)水泵機組控制系統(tǒng)自動化管理。

6 結(jié)束語

新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP38系列高壓變頻器性能穩(wěn)定、節(jié)能效果明顯。熱電廠由于天氣溫度變化，所以每個月的供熱量是不同的，這樣就可以通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率來調(diào)節(jié)供熱量，大大降低了運行成本。基于新風(fēng)光公司JD-BP38系列高壓變頻器優(yōu)異的性價比和可靠性，濟南熱電有限公司在下屬多家熱電廠鍋爐風(fēng)機水泵均采用了新風(fēng)光公司的高壓產(chǎn)品，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。