高壓變頻器在龍煤熱電公司給水泵上的應用

The Application of High Voltage Inverter in Water Pump of Longmei Thermal Power Company 

                                         龍口礦業集團熱電公司  劉洪偉

                               山東新風光電子科技發展有限公司  徐長海 郭宗偵

                                  Liu Hongwei  Xu Changhai  Guo Zongzhen

摘  要：本文介紹了風光牌高壓變頻器在龍煤熱電公司鍋爐給水泵變頻系統中的應用情況，闡述了變頻調速系統的實現機理、功能及特點，對節能效果進行了分析。從全新的角度，詮釋了高壓變頻調速系統與現場DCS系統的高效對接，增強了鍋爐給水系統的自動化性能。

關鍵詞：變頻調速系統  鍋爐給水系統  高壓變頻器  DCS

Abstract: The article introduces the application instances of FengGuang high voltage inverter in Longmei Thermal power company boiler water supply systems，with a description of the frequency control system implementation mechanism、 function and features，and the energy savings is analyzed.From a new perspective，interpretation of the high-voltage frequency control system and DCS systems in efficient docking site， and enhance the automation of the boiler Boiler water supply system performance quoted.

Key words: Frequency control system   Boiler water supply system   High voltage inverter  DCS

1引言 
      龍口礦業集團熱電公司位于龍口市境內，在龍口市北郊，距龍口市區約4公里處。熱電公司在進行鍋爐技術改造后，引進一臺JG140-9.8/540-M型循環流化床，配備了2臺專供此鍋爐給水系統的給水泵及電機，并一次投運成功。工程采用了空冷、煙氣脫硫、等離子點火、中水回收利用、靜電高效除塵等先進技術。該工程的建設不僅解決了原有發電機組的滿負荷發電問題，同時還可滿足附近幾個區域的用戶取暖。

圖1 龍礦熱電公司6號爐

2變頻改造項目工況介紹
      我公司6#鍋爐配有兩臺給水泵，公司6號爐現場如圖1所示。以往水量調節依靠閥門開度來控制。在機組運行中，給水泵的出口閥門調節復雜。由于這樣的調節方法僅僅是改變通道的流通阻力，而驅動源的輸出功率并沒有改變，節流損失相當大，浪費了大量電能。其主要弊端主要表現為：
    （1）調節閥前后壓差增加，工作安全特性變壞，壓力損失嚴重，造成能耗增加；
    （2）給水泵電機定速運行，閥門調整節流損失大，出口壓力高，系統效率低，造成能源的浪費；
    （3）管道壓力過高，威脅系統設備密封性能；
    （4）長期的閥門開度，加速閥門自身磨損，導致閥門控制特性變差；
    （5）設備起動沖擊電流大，需增加配電設備容量而增加投資。
    為了解決上述問題，經過了大量的技術論證，龍口礦業集團熱電公司決定      用高壓變頻器替代傳統的閥門調節給水量的方法。電機的穩定運轉對正常生產至關重要，對設備要求特別苛刻，因此在高壓變頻器的選用上非常謹慎。為了克服以上種種弊端，熱電公司選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的高壓變頻器對2臺給水泵同時進行變頻改造。選用一臺高壓變頻器，采用一拖二方式，一臺給水泵運行，另外一臺給水泵備用。2臺給水泵電機和變頻器的技術參數如表1和表2：

型號

YKK5005-2

額定電壓

10000V

額定電流

69.6A

額定功率

1000kW

額定頻率

50Hz

額定轉速

2985r/min

功率因數

0.88

接法

Y

生產廠家

西安西瑪電機股份有限公司

3給水泵節能原理介紹

      改變水泵轉速調節方法的基本原理是改變水泵壓頭特性曲線來改變工況點，由于水泵和風機的控制理論相似同是流體力學，適用于風機的節電方法，也基本適用于水泵上，但是液體的密度明顯的比氣體大，因而具有很高的壓力；管路阻力中的液位差較大。其節電的基本方法有三大要素：
    （1）減少不必要的流量
    （2）減少管路的阻力
    （3）用高效的方法控制流量
　　其具體的改變流量的方法有很多，但它們都是以可能降低不必要的流量和壓頭為前提的。控制流量的方法：間歇運轉、并聯臺數控制、串聯臺數控制、翼角控制、調速控制等，變頻調速控制初期投資高些，但是運行中的電耗可以大量減少，適用于流量變化大，揚程變化范圍較大的場合。

3.2給水泵節能原理

根據式(3)可以計算出：當頻率從50Hz降至40Hz時，可節約能耗近一半。
　　更直觀的水泵(或風機)工作曲線圖見圖2：水泵(或風機)的正常工作點為A，當水量(或風量)需要從Q1調到Q2時，采用閥門調節，管網特性曲線由R1（閥門全開）改變為R2（閥門關小），其工作點調至B點，其功率為OQ2BH2’所圍成的面積，其功率變化很小，而其效率卻隨之降低。當采用變頻調速時，可以按需要升降電機轉速，改變設備的性能曲線，圖中從n1（額定轉速）到n2（轉速下降）,其工作點調至C點，使其參數滿足工藝要求，其功率為OQ2CH2所圍成的面積，同時其效率曲線也隨之平移，依然工作在高效區。圖中陰影部分為實際節約能耗。

 圖2 水泵(或風機)工作曲線圖

      如果在管網特性不變的系統中進行水泵調速，并且對水壓沒有要求，這種情況下節能效益比恒壓供水要顯著得多。
4變頻改造方案介紹
      變頻調速系統配置目前我廠已有的DCS，通過DCS對變頻器進行啟動、停機、調速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運行數據和當前狀態，實時監控系統運行。
      為了保證鍋爐給水系統的可靠性，變頻器裝置具有工頻手動旁路裝置，當變頻器發生故障，停止運行時，電機可以手動切換到工頻下運行，這樣可以保證鍋爐的供水要求，提高了整個系統的安全穩定性。
      操作方面，有遠程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統的安全性能。DCS做好閉環控制，DCS根據機組的負荷情況，按設定程序檢測母管壓力情況，運算后給變頻器一個合適的頻率值，從而實現對鍋爐給水泵電機轉速的自動控制，保證母管壓力的穩定。
　　給水泵變頻系統具有如下特點：給水泵變頻系統，既可以變頻調速運行，也可以直接投工頻運行，同時增加可靠的閉鎖回路；為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時，由于變頻器的控制電源和主電源沒有相位及同步要求，變頻器可以使用UPS繼續運行，不會停機；在現場DCS速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉速繼續運行，維持機組的工況不變；變頻器配置單元旁路功能，在局部故障時，變頻器可將故障單元旁路，降額繼續運行，減少突然停機造成的損失；保留原電機繼續使用，不改變原有電機設備任何基礎。
5高壓凝泵變頻方案
5.1  動力系統方案
      我廠給水系統變頻改造采用一拖二手動旁路方案。其一次電路如圖3所示，即配備一臺高壓變頻器，通過切換高壓隔離開關把高壓變頻器切換到要運行的給水泵上去。高壓變頻器可以拖動7#給水泵電動機實現變頻運行，也可以通過切換拖動9#給水泵電動機實現變頻運行。兩側給水泵電動機均具備工頻旁路功能。

圖3 高壓變頻一次系統接線圖

k1和k2為變頻器旁路開關柜高壓隔離開關；
QF4和QF5為變頻器旁路開關柜高壓斷路器；
QF1和QF3分別為現場9#和7#給水泵工頻電源高壓斷路器；
QF2為現場變頻電源高壓斷路器；
    變頻器為風光JD-BP38系列高壓變頻器；
    7#、9#給水泵受變頻器控制。

圖4   6#爐給水泵DCS監控圖

      給水泵變頻啟動時先操作對應QF2高壓斷路器，給變頻器充電，再按變頻器啟動按鈕啟動變頻器，在變頻啟動時為了不使給水泵發生“汽濁”現象 ，給水泵以最小流量控制方式啟動，打開給水泵再循環閥門，滿足給水泵的最小流量，在啟動過程中當出口流量大于最小流量時將延時打開出口閥門，出口閥門全開后關閉再循環閥門，隨著流量的增大，進入母管的主調節閥門也將隨著流量的變化開啟到最大，在運行中主要通過轉速來調節管道中的流量，滿足汽包中水位的變化需要。
      由于該變頻器不能夠聯啟，所以7#與9#給水泵只能選擇一臺變頻運行，另外一臺工頻運行，兩臺泵的連鎖投入方法與改造前一致。
5.3給水泵的啟動條件
（1）給水泵的入口和出口管道要充滿水；
（2） 給水泵入口閥門全開；
（3）給水泵出口閥門全關；
（4）給水泵再循環閥門打開；
（5）冷卻系統正常；
（6）機械密封水正常；
（7）油面正常；
（8）電氣聯鎖，進線斷路器QF2合閘，變頻接觸器KM1，KM2合閘；
（9）變頻器帶電，系統自檢正常，收到變頻器發出的“就緒”信號。
6 運行情況及效益

圖5高壓變頻器現場應用

      2010年3月2日，本臺變頻器一次性投運成功。該變頻器自運行以來運行基本良好。高壓變頻器現場應用如圖5所示。

6.1直接效益

      電機變頻運行參數記錄如表3所示。根據工況要求，電機運行在40～45Hz之間，并且長時間運行在45Hz左右，此時，變頻器的輸入功率在785kW左右，節能效果相當明顯。
      以往，我公司沒有使用變頻設備時，在工頻情況下運行的給水泵，電機電壓為10.3kV，電流為60A，功率為942kW。改造以后，給水泵一般在45.6Hz下運行，其變頻輸出電壓為9.7kV，輸出電流為57A，功率為842kW，每天可節省2400kW•h。
      在使用變頻以來，改變了以往運行人員經常操作泵出口閥門的方式，緩解了水流對閥門內部的沖擊，延長了閥門的更換周期。以前1～2年更換一次，但現在自2009年投運以來，至今未更換過，不但節約了材料費用，而且減少了對設備的維護量。
6.2間接效益
（1）變頻控制后，實現電機軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。
（2）電機以及負載轉速下降，系統效率得到提高，取得節能效果。大大減少了對設備的維護量，節約了人力物力資源。
（3）由于電機以及負載采用轉速調節后，工作特性改變，設備工況得到改善，延長設備使用壽命。
（4）使用變頻調節，可實現參數的實時恒定運行，提高了系統運行的安全穩定性。
（5）由于采用自動控制，進一步提高了設備運行控制和系統運行管理的自動化水平，從而真正實現自動調節，大大增強了運行的安全可靠性。
6.3運行情況
      JD-BP38-1000F高壓變頻器監控畫面內故障類型共分為主控板故障、保護板故障、外部故障、停機故障、掉電三秒故障、頻率給定故障幾種。在運行過程中曾出現過兩個方面的問題。
（1）由于受到本公司運行環境的制約和影響，灰塵多將濾網堵死，造成內部干式變壓器溫度升高而報警的情況時有發生，但將濾網及時除垢后，保證了變頻器的正常通風，設備即可正常運行，所以應及時定期清掃濾網。
（2）在2010年11月份，變頻器監控畫面出現過C相單元故障，經檢查發現柜內一個整流單元損壞，更換后投入運行，設備均運行正常。
除了以上兩種故障外，風光牌高壓變頻器在我公司運行一切良好。
7結束語
      在龍口礦業集團熱電公司鍋爐給水系統采用JD-BP38-1000F高壓變頻器，不但操作方便、容易、維護量小，而且有明顯的節能效果。通過高壓變頻器在龍口礦業集團熱電公司鍋爐給水系統的應用，可以根據鍋爐汽包水位情況進行電機調節，大大提高鍋爐的穩定性，并且節煤效果很好，提高了運行的經濟性。通過在給水泵上的應用經驗，公司領導爭取在廠區其他設備上大力推廣。

參考文獻
山東新風光電子使用手冊[Z] 山東新風光電子科技發展有限公司。

個人簡介：
劉洪偉  高級工程師，現供職于龍口礦業集團熱電公司。

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