摘 要 ：本文介紹了廣州明珠C廠在發(fā)電機(jī)組鍋爐給水泵應(yīng)用高壓變頻系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析。指出高壓變頻調(diào)速在電廠風(fēng)機(jī)、泵類的應(yīng)用具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 1 引言 廣州明珠電力（集團(tuán)）有限公司發(fā)電C廠現(xiàn)有#5、#6兩臺(tái)51.2MW燃油機(jī)組，#7一臺(tái)36MW汽輪機(jī)組。#5、#6兩臺(tái)燃機(jī)的余熱分別提供#1、#2鍋爐，驅(qū)動(dòng)#7汽輪發(fā)電機(jī)。#1、#2鍋爐的#1、#2汽包的給水由#1、#2、#3三臺(tái)給水泵母管方式供水。 三臺(tái)給水泵的參數(shù)相同，水泵為沈陽水泵廠生產(chǎn)DG80-120x9，額定轉(zhuǎn)速2980r/min，效率82％，供水80m3/h，改造為120m3/h，揚(yáng)程1080m。拖動(dòng)給水泵的三臺(tái)6kV電動(dòng)機(jī)為Y4002-1型電機(jī)，額定參數(shù)500kW，6kV/57.2A，cos=0.87，轉(zhuǎn)速2972r/min，F(xiàn)級(jí)絕緣，繞組Y接，1998年8月南洋防爆電機(jī)廠生產(chǎn)。 2 廣州明珠C廠機(jī)組給水系統(tǒng)工況簡(jiǎn)介 如圖1所示為明珠C廠#7汽輪發(fā)電機(jī)給水泵回路原理示意圖，該設(shè)計(jì)最初的設(shè)計(jì)思想是“兩工作一備用”，當(dāng)任意一臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)隨即啟動(dòng)備用電動(dòng)機(jī)，保證機(jī)組的正常運(yùn)行。給水母管到兩個(gè)鍋爐汽包都分別有主路、中路、旁路三個(gè)閥門控制給水流量，其中主路為調(diào)節(jié)閥最大流量100％，中路調(diào)節(jié)閥最大流量約70％，旁路電動(dòng)閥流量約50％。 但水泵經(jīng)過葉片技術(shù)改造，現(xiàn)在的實(shí)際運(yùn)行工況是:在目前負(fù)荷情況下，一臺(tái)泵的出水量已夠兩臺(tái)鍋爐的運(yùn)行使用，在兩臺(tái)燃機(jī)運(yùn)行，#1與#2兩個(gè)汽包供汽（二拖一工況）、總負(fù)荷為67MVA左右時(shí)，汽包壓力6.4Mpa左右，額定蒸發(fā)量64t/h，運(yùn)行1#泵，此時(shí)電機(jī)電流為51A左右，功率因數(shù)為0.86，實(shí)際給水量約125t/h，泵頭出口壓力為8.3～8.9MPa左右，根據(jù)泵的性能曲線，此時(shí)泵已工作到極限，該運(yùn)行情況下泵的效率較低，如果負(fù)荷進(jìn)一步增加時(shí)必須啟動(dòng)第二臺(tái)泵。在谷期負(fù)荷較低時(shí)，只運(yùn)行其中一臺(tái)燃機(jī)，一個(gè)汽包供汽（一拖一工況），汽包壓力3.5Mpa左右，此時(shí)保持運(yùn)行#2泵，電機(jī)電流為41A左右，電機(jī)功率因數(shù)為0.86，泵頭出口壓力為9.2～9.8Mpa左右，實(shí)際給水量約63t/h。 3 廣州明珠C廠#1給水泵改造前的運(yùn)行情況 3.1 改造前的給水泵的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù) 明珠C廠鍋爐給水泵變頻改造前系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示。 在水泵性能曲線上繪出二拖一工況及一拖一工況的等效率曲線。如繪出一拖一時(shí)的管網(wǎng)特性曲線，如圖2中曲線2（此曲線對(duì)應(yīng)回流循環(huán)閥開度一定時(shí)），二拖一時(shí)的管網(wǎng)特性曲線，如圖3中曲線2所示（此曲線對(duì)應(yīng)回流循環(huán)閥開度全開時(shí)）;兩圖中的曲線1均為水泵工頻運(yùn)行H-Q特性曲線。 在進(jìn)行變頻改造前，峰期運(yùn)行工況點(diǎn)為圖3的A點(diǎn)，谷期為圖2的B點(diǎn)。通過上述數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論: （1）日間二拖一時(shí)，一臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)，水泵給水量約120m3/h，從水泵的性能曲線可知，在該點(diǎn)運(yùn)行時(shí)水泵效率較低，為53％，而該水泵最佳效率點(diǎn)為62％（對(duì)應(yīng)額定流量為80m3/h）。 （2）日間二拖一時(shí)，電機(jī)消耗總功率為P= UI=1.732×6000×51=530kVA，其中有功功率為Pcosφ=530×0.86=455.8kW，在該運(yùn)行情況下電機(jī)已基本滿負(fù)荷運(yùn)行，但是電機(jī)無功電流為[512-（51×0.86）2]0.5=26A。 （3）峰期一拖一時(shí)，電機(jī)消耗總功率為1.732×6000×41=426kVA，其中有功功率為426×0.85=360kW。 （4）谷期運(yùn)行時(shí)，在水壓為9.8Mpa的情況下，水泵給水為105m3/h，鍋爐供水為633/h，回流循環(huán)閥回流42m3/h，存在很大的節(jié)能空間。 3.2 廣州明珠C廠#1給水泵變頻改造方案 3.2.1設(shè)計(jì)要求及目標(biāo) （1）向變頻系統(tǒng)提供兩臺(tái)鍋爐汽包獨(dú)立汽包水位反饋信號(hào)（4～20mA信號(hào)），做為控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制; （2）變頻改造后的控制系統(tǒng)獨(dú)立于現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)，本系統(tǒng)有獨(dú)立的檢測(cè)、控制、顯示、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在中控室也能監(jiān)視供水系統(tǒng)狀態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，可記錄系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù); （3）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制性能，能夠?qū)崿F(xiàn)在中控室進(jìn)行遠(yuǎn)程命令控制及系統(tǒng)控制目標(biāo)參數(shù)修改; （4）能實(shí)現(xiàn)與其他水泵的切換互補(bǔ)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)完善的故障處理功能，故障停機(jī)后自動(dòng)啟動(dòng)其他水泵，保障供水系統(tǒng)安全運(yùn)行。 3.2.2設(shè)計(jì)方案 經(jīng)過調(diào)研與比較，廣州明珠電力（集團(tuán)）有限公司C廠給水泵變頻改造選用了廣州智光電力電子有限公司生產(chǎn)的Zinvert智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，取得了滿意的運(yùn)行效果。 （1）系統(tǒng)介紹 Zinvert智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有強(qiáng)大的自動(dòng)控制和通信功能，為方便運(yùn)行人員控制，在中控室安裝有監(jiān)控PC計(jì)算機(jī)，由其與N（N=1-31）臺(tái)ZINVERT變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行通信，Zinvert智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有RS-485通信接口，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通訊協(xié)議。允許系統(tǒng)連接1-31個(gè)Zinvert高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，最大1200m的通訊距離。系統(tǒng)總體框圖如圖4所示。 在廣州明珠電力（集團(tuán)）有限公司C廠給水泵的變頻改造系統(tǒng)中，初期選用一臺(tái)500kW/6kV高壓變頻調(diào)速裝置，遠(yuǎn)期規(guī)劃有兩臺(tái)。在改造后系統(tǒng)中上位PC機(jī)作為主機(jī)，高壓變頻調(diào)速裝置作為從機(jī)。該系統(tǒng)特點(diǎn)是成本較低、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，尤其適合中遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)。采用該方案，可直接在中控室調(diào)節(jié)與控制高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行。 上位機(jī)采用PC計(jì)算機(jī)，在Windows圖形化系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面，用文字、表格、圖象等顯示的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警、事件記錄及其它信息，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查看、運(yùn)行控制、目標(biāo)參數(shù)調(diào)節(jié)等功能，操作方便、顯示直觀，方便現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和維護(hù)。 （2）控制系統(tǒng)構(gòu)成 針對(duì)用戶要求，變頻改造時(shí)所有的信號(hào)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)要完全獨(dú)立于現(xiàn)有的DCS控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)可采用定頻運(yùn)行閥門控制，也可采用閥門定開度變頻，滿足運(yùn)行需要的汽包蒸發(fā)量、給水流量及汽包液位要求。 （3）可靠性措施方案 由于發(fā)電機(jī)組運(yùn)行可靠性的要求，系統(tǒng)考慮到變頻調(diào)速系統(tǒng)退出運(yùn)行后，不影響生產(chǎn)，確保給水系統(tǒng)正常運(yùn)行，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況設(shè)計(jì)二種故障處理方案，當(dāng)變頻調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可將電機(jī)投切到工頻下運(yùn)行，恢復(fù)到原有系統(tǒng)運(yùn)行方式。 高壓變頻系統(tǒng)配備旁路柜，當(dāng)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制器跳開DL1，連鎖關(guān)閉出水閥門，同時(shí)連鎖啟動(dòng)備用水泵。可將電機(jī)轉(zhuǎn)切至工頻運(yùn)行，進(jìn)行檢修原理如圖5所示。 圖5中DL1為現(xiàn)有電機(jī)用高壓斷路器，K1、K2、K3為高壓隔離刀閘，當(dāng)變頻調(diào)速系統(tǒng)故障時(shí)，自動(dòng)斷開DL1，操作切換打開K1、K2，閉合K3將電機(jī)轉(zhuǎn)為工頻。此時(shí)變頻調(diào)速系統(tǒng)從高壓中隔離出來，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。 3.2.3 ZINVERT系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì) （1）采用先進(jìn)的多級(jí)H橋單元模塊結(jié)構(gòu)，通過高速光纖數(shù)字通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高壓主回路與控制系統(tǒng)的隔離，抗電磁干擾，可靠性高，為直接高壓輸出型變頻調(diào)速系統(tǒng)。 （2）高功效，無電網(wǎng)污染，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高達(dá)0.96以上，諧波失真度小于3％，優(yōu)于國際IEC有關(guān)公用電網(wǎng)諧波水平的最嚴(yán)格要求。無需功率因數(shù)補(bǔ)償及諧波抑制裝置。 （3）Zinvert系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)解決了電機(jī)未停車即可直接啟動(dòng)ZINVERT系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的瓶頸問題，無需任何電機(jī)測(cè)速裝置，啟動(dòng)時(shí)無電流沖擊，確保電機(jī)持續(xù)運(yùn)行可靠性,此為高壓變頻領(lǐng)域的獨(dú)特性能。 （4）Zinvert系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用該公司自有專利技術(shù)，主回路設(shè)計(jì)中充分考慮了電機(jī)或是連接電機(jī)的高壓電纜可能發(fā)生的相間短路而設(shè)計(jì)了三重短路保護(hù)，可有效保護(hù)變頻調(diào)速系統(tǒng)免受巨大相間短路故障電流而造成的損壞，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命和提升產(chǎn)品運(yùn)行可靠性。該產(chǎn)品已通過輸出相間短路功能的測(cè)試。 （5）輸入高壓瞬時(shí)掉電后系統(tǒng)不停機(jī)，當(dāng)高壓掉電或者高壓輸入跌落至65％以下時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)（最長(zhǎng)可至60s）高壓恢復(fù)則可自行無沖擊啟動(dòng)高壓電機(jī)。裝置使用此功能后，可有效避免傳統(tǒng)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)因母線切換或大負(fù)荷啟動(dòng)時(shí)母線電壓跌落時(shí)間較長(zhǎng)情況下所導(dǎo)致的不必要停機(jī)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)全智能自動(dòng)搜索、無沖擊自動(dòng)啟動(dòng)功能，保證生產(chǎn)持續(xù)進(jìn)行。裝置由于自身故障導(dǎo)致停機(jī)，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)若故障恢復(fù)亦可自動(dòng)無沖擊再啟動(dòng)電機(jī)（可通過軟件設(shè)定是否應(yīng)用）。 （6）系統(tǒng)升降速時(shí)間整定不合理時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，保證電機(jī)平穩(wěn)加速或減速而不停機(jī)。 （7）耐電網(wǎng)波動(dòng)能力強(qiáng):網(wǎng)側(cè)電壓在65％額定值至120％額定值內(nèi)不停機(jī)，保證電機(jī)持續(xù)運(yùn)行。電網(wǎng)輸入側(cè)電壓在+15%～-15%范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，通過電壓波動(dòng)補(bǔ)償算法來自動(dòng)補(bǔ)償輸出，可維持輸出電壓和帶載能力保持不變。控制電源采用交、直流輸入，多達(dá)3路供電，各控制電源互為備用，確?？刂破鞴ぷ鞯目煽啃?。 （8）系統(tǒng)提供給用戶的數(shù)字量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出，通信等接口類型與數(shù)量豐富，內(nèi)置工業(yè)PLC控制器，滿足現(xiàn)場(chǎng)各種運(yùn)行與控制需求。 （9）生產(chǎn)廠家具備6kV高壓電機(jī)和780kW風(fēng)機(jī)實(shí)際負(fù)載，具有完善的研究、開發(fā)、生產(chǎn)、試驗(yàn)條件，可嚴(yán)格保證產(chǎn)品質(zhì)量。 由于高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)環(huán)境（溫度、灰塵）要求較高，一般現(xiàn)有進(jìn)口、國產(chǎn)高壓變頻調(diào)速裝置都要求建造專用房間或利用室內(nèi)閑置位置用于安裝高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，并要作外圍空氣冷卻與防塵處理，這使得現(xiàn)場(chǎng)工作量較大，且要求有相應(yīng)專業(yè)技術(shù)。明珠C廠#1給水泵變頻改造選用的Zinvert系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)生產(chǎn)廠家已充分考慮了防塵與冷卻問題，在現(xiàn)場(chǎng)只建設(shè)一簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)即可一體化箱式安裝方式，使現(xiàn)場(chǎng)的改造基建投資大大削減，且整個(gè)系統(tǒng)的箱式外殼在完全滿足防護(hù)和抗干擾要求前提下，兼顧了美觀性和實(shí)用性，直接安裝在機(jī)組0m層給水泵現(xiàn)場(chǎng)附近。 4 廣州明珠電力（集團(tuán)）有限公司C廠#1給水泵高壓變頻改造后的運(yùn)行情況 4.1 經(jīng)過高壓變頻改造后的給水泵的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù) 明珠C廠鍋爐給水泵變頻改造后系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2所示。 進(jìn)行變頻改造后，按鍋爐需水量供水，一拖一工況給水壓力平均4.8MPa變頻運(yùn)行供水63m3/h，根據(jù)等效率曲線，繪出一拖一變頻運(yùn)行H-Q曲線如圖6。進(jìn)行變頻改造后，按鍋爐需水量供水，二拖一工況給水壓力平均7.2MPa變頻運(yùn)行供水125m3/h，根據(jù)等效率曲線，繪出二拖一變頻運(yùn)行H-Q曲線如圖7。 4.2 高壓變頻改造前后給水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)比較 明珠C廠鍋爐給水泵變頻改造前后系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)比較如表3所示。 從表3的數(shù)據(jù)可見，#1給水泵經(jīng)過高壓變頻改造后，其給水系統(tǒng)的管網(wǎng)壓力、消耗功率都大大減小，尤其在一拖一運(yùn)行方式下，其管網(wǎng)壓力50％左右、消耗功率降低60％;即使在二拖一運(yùn)行方式下，其管網(wǎng)壓力降低9％、消耗功率降低10％，有相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)效益。 5 給水泵高壓變頻改造的效果評(píng)價(jià) 5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析 #1給水泵改造后，在一拖一運(yùn)行方式下，功率損耗降低60％;在二拖一運(yùn)行方式下，功率損耗降低10％，具有相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)效益，變頻改造前的給水泵運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算:變頻改造前假設(shè)峰期耗電穩(wěn)定，電機(jī)功率為P11（kW），此功率情況下工作時(shí)間為T11（一般16h）;谷期電機(jī)功率為P12（kW），工作時(shí)間為T12（h，一般8h），則改造前日峰期耗電量為:W1＝P11×T11。谷期耗電量為:W2=P12×T12。假定每度電峰期電價(jià)為Y1，谷期電價(jià)為Y2，年運(yùn)行時(shí)間為D0天，則年耗電量為:YQ=W1×Y1×D0+W2×Y2×D0;由如數(shù)據(jù)，P11=460（kW），T11=16（h），T12=8（h），P12=360（kW），年運(yùn)行時(shí)間D0假定為330天，根據(jù)本廠的上網(wǎng)電價(jià)，可知變頻改造前每年消耗電費(fèi):YQ=203.7（萬元）。 變頻改造后的給水泵運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算:變頻改造后，假設(shè)峰期耗電穩(wěn)定，電機(jī)功率為P21（kW），工作時(shí)間為T21（一般16h）;谷期電機(jī)功率為P22（kW），工作時(shí)長(zhǎng)為T22（h，一般8h），改造后日峰期耗電量為:，谷期耗電量為:，假定每度電峰期電價(jià)為Y1，谷期電價(jià)為Y2，年運(yùn)行時(shí)間為D0天，則年耗電量為 此耗電量可由改造后運(yùn)行情況得出。由如上計(jì)算， P21=410（kW），T21=16（h），T22=8（h），P22=140（kW），年運(yùn)行時(shí)間D0假定為330天，根據(jù)本廠的上網(wǎng)電價(jià)，可知變頻改造后則每年消耗電費(fèi):（萬元）。變頻改造后每年節(jié)省消耗電費(fèi): （萬元），給水泵節(jié)省廠用電費(fèi)用可達(dá)20％，投資回收期小于兩年。 5.2 其它效益分析 （1）用高壓變頻器后網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)提高:原電機(jī)直接由工頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，功率因數(shù)為0.8-0.86之間。采用高壓變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，電源側(cè)的功率因數(shù)可提高到0.97以上，可進(jìn)一步節(jié)約上游設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。 （2）給水泵采用變頻調(diào)節(jié)后，由于通過降低電機(jī)水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能，電機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速降低，管網(wǎng)壓力降低，輔助設(shè)備如軸承、閥門等磨損大大減輕，設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用下降，維護(hù)周期可加長(zhǎng)，設(shè)備運(yùn)行壽命延長(zhǎng)。 （3）采用高壓變頻調(diào)速裝置后，可對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)電流不超過電機(jī)運(yùn)行額定電流的1.2倍，避免全壓?jiǎn)?dòng)對(duì)電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)的沖擊，降低電動(dòng)機(jī)的故障率延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)使用壽命，維護(hù)周期增長(zhǎng)，電機(jī)檢修費(fèi)用可大幅降低。 由于機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀是單泵給水運(yùn)行模式，考慮到機(jī)組改造后鍋爐蒸發(fā)量會(huì)增大，發(fā)電量增加時(shí)，一臺(tái)泵已無法滿足供水需求，到時(shí)必需增開一泵，即用兩臺(tái)泵供水，但兩臺(tái)工頻泵供水明顯過多，因此屆時(shí)可以采取一臺(tái)泵工頻運(yùn)行，而另一臺(tái)泵變頻運(yùn)行，這種工況下所實(shí)現(xiàn)的節(jié)能效益將有更大的體現(xiàn)。 6 結(jié)束語 明珠C廠#1給水泵在采用廣州智光公司的Zinvert智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行變頻技術(shù)改造實(shí)施后，取得了明顯的節(jié)電效果，并獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為電廠高壓電機(jī)的節(jié)能改造積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，高壓變頻調(diào)速在廠用電系統(tǒng)的大面積的采用將大大促進(jìn)電廠廠用電率的降低，成為電力企業(yè)節(jié)能降耗的亮點(diǎn)?，F(xiàn)階段，我國電力供應(yīng)缺口很大，供需矛盾突出，在加快電力建設(shè)速度的同時(shí)，國家電力價(jià)格放開，競(jìng)價(jià)上網(wǎng)成為各個(gè)電廠必需面臨的電力市場(chǎng)局面。在這種形勢(shì)下，各個(gè)電廠應(yīng)該積極依靠科技進(jìn)步，加大節(jié)能降耗工作力度，對(duì)于降低廠用電率，增強(qiáng)電廠競(jìng)爭(zhēng)力具有不可忽視的作用。