1 用戶現(xiàn)場(chǎng)工況介紹

濟(jì)南熱電有限公司某熱電廠裝機(jī)容量為3×70MW鏈條式熱水鍋爐，擔(dān)負(fù)著供熱面積350萬(wàn)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(jì)運(yùn)行一般遵循“一守，三動(dòng)”的控制原則，即主要是以風(fēng)、灰、煤相互配比來(lái)完成鍋爐的經(jīng)濟(jì)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(dá)到安全運(yùn)行的目的。供熱負(fù)荷變化時(shí)需要調(diào)節(jié)水量，如果通過(guò)調(diào)節(jié)泵的出口門(mén)的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上是靠壓損來(lái)減少給水流量，而電機(jī)的出力卻沒(méi)有變化。所以熱網(wǎng)循環(huán)泵最佳方案就是采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，這樣就可以將出口門(mén)全部打開(kāi)，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)控制流量，可以方便的調(diào)整機(jī)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(jì)南熱電有限公司領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過(guò)多方考察，決定對(duì)下屬某熱電廠#5熱網(wǎng)循環(huán)泵電動(dòng)機(jī)實(shí)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(shí)現(xiàn)變速變流量控制，是節(jié)電的有效方法。

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

　　       (1)

其中p為電機(jī)極對(duì)數(shù)，f為電機(jī)運(yùn)行頻率，s為滑差。

從式(1)看出，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速正比于電機(jī)的運(yùn)行頻率()，由于滑差s一般情況下比較?。?～0.05），電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速約等于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。所以調(diào)節(jié)了電機(jī)的供電頻率，就改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)水泵的轉(zhuǎn)速。

由式(1)和式(2)，得式(3)：

　　(3)

圖1 手動(dòng)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(dòng)旁路柜

根據(jù)式(3)可以計(jì)算出：當(dāng)頻率從50Hz降至45Hz時(shí)，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(yáng)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(wú)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(biāo)遠(yuǎn)小于IEEE519-1992的諧波標(biāo)準(zhǔn)，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(bǔ)償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機(jī)。2007年9月，風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器榮獲“中國(guó)名牌”稱號(hào)。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(jì)

由于熱網(wǎng)熱負(fù)荷調(diào)節(jié)以調(diào)節(jié)汽輪機(jī)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(guò)DCS系統(tǒng)調(diào)節(jié)熱網(wǎng)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)供水壓力。

4.2高壓變頻器改造旁路設(shè)計(jì)

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(dòng)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(gè)高壓隔離開(kāi)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(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)K1、K3閉合，K2斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)K1、K3斷開(kāi)，K2閉合時(shí)，電機(jī)工頻運(yùn)行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。

旁路柜必須與上級(jí)高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時(shí)，絕對(duì)不允許操作旁路隔離開(kāi)關(guān)與變頻輸出隔離開(kāi)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?jǐn)唷毙盘?hào)與旁路柜“變頻投入”信號(hào)串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開(kāi)關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無(wú)效。

保護(hù)：保持原有對(duì)電機(jī)的保護(hù)及其整定值不變。

4.3控制回路設(shè)計(jì)

如圖3所示，DCS系統(tǒng)輸出4～20mA電流信號(hào)（壓力信號(hào)）控制JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行頻率，來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)反饋4～20mA電流信號(hào)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(shí)接收DCS控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、急停、復(fù)位控制信號(hào)，調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)故障時(shí)，系統(tǒng)輸出故障停機(jī)和報(bào)警信息，用于提示用戶啟動(dòng)故障處理措施，同時(shí)JD-BP38高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)將信號(hào)發(fā)送給DCS，在DCS系統(tǒng)上顯示故障，以便于及時(shí)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(diǎn)擊變頻器緊急停止按鈕，此時(shí)變頻器立即封鎖輸出，并及時(shí)跳開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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(jìn)行比較和運(yùn)算，通過(guò)PID進(jìn)行調(diào)整，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)送至變頻器，直至達(dá)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(guò)大，系統(tǒng)容易因超調(diào)而震蕩。若P太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。P可正可負(fù)。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(fù)，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(guò)強(qiáng)的積分作用使供水系統(tǒng)超調(diào)加大。所以在調(diào)節(jié)過(guò)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(guò)程后期，應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)整供熱，熱網(wǎng)泵的起停根據(jù)供熱要求手動(dòng)操作，既不能及時(shí)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(hù)費(fèi)用。

改造后系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程DCS集中監(jiān)控，并且具備自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，根據(jù)實(shí)際供熱需要系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行頻率，以達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滿足工藝的要求。不僅節(jié)省了大量的電能量浪費(fèi)，而且實(shí)現(xiàn)了熱網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定，在系統(tǒng)維護(hù)和操作方面極大的減少了運(yùn)行成本。

為了對(duì)比改造前后的節(jié)能效果，在供熱負(fù)荷基本相同的條件下，對(duì)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(jì)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(dòng)、軟停止；提高了機(jī)組水泵的運(yùn)行效率；現(xiàn)場(chǎng)噪音大大降低，有效改善現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境，操作人員反映良好；便于實(shí)現(xiàn)廠循環(huán)水泵機(jī)組控制系統(tǒng)自動(dòng)化管理。

6 結(jié)束語(yǔ)

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(gè)月的供熱量是不同的，這樣就可以通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率來(lái)調(diào)節(jié)供熱量，大大降低了運(yùn)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(jià)比和可靠性，濟(jì)南熱電有限公司在下屬多家熱電廠鍋爐風(fēng)機(jī)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(jì)效益和社會(huì)效益。