摘要：本文從節(jié)能及投資回報、運行可靠性等方面對高壓變頻的應(yīng)用進行評估，介紹了高壓變頻調(diào)速在發(fā)電廠補水泵上的應(yīng)用方案、試驗和運行情況，并總結(jié)變頻運行的特點。 關(guān)鍵詞：高壓變頻、風(fēng)機和泵、節(jié)能、可靠性 前言： 發(fā)電廠風(fēng)機和泵類大型電動機均由高壓電動機驅(qū)動，它們包括送風(fēng)機、引風(fēng)機、一次風(fēng)機和各種水泵，這些高壓電動機的耗電量占整個廠用電的80％左右。目前，發(fā)電廠風(fēng)機和水泵的設(shè)計裕量明顯過大，而且大都采用節(jié)流調(diào)節(jié)，因此風(fēng)機、水泵以及異步電動機都運行在中低負荷的低效率區(qū)，能量損耗相當(dāng)大，如果機組調(diào)峰運行，整個拖動系統(tǒng)效率將更低。 隨著電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，到上世紀90 年代，6KV、10KV等級的高壓變頻調(diào)速裝置的研制生產(chǎn)成為可能，經(jīng)過近十年的發(fā)展，高壓變頻技術(shù)進展非常快，產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性達到實用程度，市場趨于成熟，近年來有很多成功應(yīng)用于發(fā)電廠的案例。因此，采用高壓變頻調(diào)速裝置對大型用電設(shè)備進行改造成為發(fā)電廠節(jié)能降耗、提高機組自動化程度、提高企業(yè)競爭力的重要措施。 1、立項評估 1.1、節(jié)能及投資回報評估 由風(fēng)機和泵的變速調(diào)節(jié)特性可知：流量Q 正比于轉(zhuǎn)速N，壓頭H 正比與N[sup]2[/sup]，而功率正比于N[sup]3[/sup]。從理論上分析，當(dāng)流量由100％降至50％，則轉(zhuǎn)速可從100％降至50％，此時壓頭降低4 倍至25％，而電機的軸功率則可降低8 倍至12.5％。實際上，扣除因轉(zhuǎn)速下降引起的電動機效率下降、以及變頻調(diào)速裝置本身效率等因素，節(jié)能效果仍相當(dāng)顯著，一般可達30％－60％，視發(fā)電機組運行的負荷度和風(fēng)機和泵管路系統(tǒng)而不同。 十里泉發(fā)電廠目前由三十公里外的水源地供水，水源地共裝有五臺水泵，均由560KW/6KV 高壓電動機拖動，多數(shù)情況下開1－2 臺泵運行就可以滿足發(fā)電要求，采用手動節(jié)流調(diào)節(jié)方法控制水流量。如果節(jié)流閥開度不大、并且水流量足夠，則停一臺水泵；如果節(jié)流閥全開仍不滿足水流量要求，則再開啟一臺水泵，由于管道長達三十公里、且節(jié)流閥始終處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，如選擇一臺水泵進行變頻調(diào)速改造，節(jié)流閥全開，實現(xiàn)恒水壓控制，不但具有良好的節(jié)能效果，泵站的控制特性也大為改善。 變頻改造后，如變頻泵平均流量降低到80％（與節(jié)流閥全開相比），則理論上，功率降低為51.2％，扣除電動機和變頻器功率損失、再扣除節(jié)流調(diào)節(jié)時也具有一定的節(jié)能效果，功率可降低到65％以下，平均節(jié)能應(yīng)在35％以上。工頻運行平均負荷按0.95×560KW 計算，每年運行300 日7200 小時，每年節(jié)電134萬度，按上網(wǎng)電價算兩年不到收回投資，如按售價算，則一年收回投資。 1.2、高壓變頻調(diào)速裝置選型 對于6KV 等級，目前主要有三種方式的高壓變頻裝置：單元串聯(lián)多電平型、三電平型和電流源型。由于單元串聯(lián)多電平方式容易實現(xiàn)冗余運行，在單元故障時能進行旁路而不影響電動機連續(xù)運行，并且具有諧波小、dv/dt 低、技術(shù)成熟等顯著優(yōu)點，因此決定采用這種方式的高壓變頻器。 對國內(nèi)外各廠家的單元串聯(lián)多電平型高壓頻裝置進行性能價格比較和運行可靠性評估，選用了上?？七_機電控制有限公司和上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所生產(chǎn)的MAXF700-6000/750 型高壓變頻調(diào)速裝置，該類型產(chǎn)品還具有如下特點： 􀃎 功率單元冗余運行、故障時自動快速旁路。 􀃎 可在線更換功率單元，不需停機。 􀃎 采用無極性電力電容代替電解電容，提高裝置壽命和整體可靠性。 􀃎 采用特制散熱器，使功率單元溫升小，裝置體積小。 􀃎 輸出dv/dt 低，電動機絕緣不受損害。 􀃎 電網(wǎng)自動重合閘后繼續(xù)運行。 1.3、控制方式 變頻改造后，采用裝置內(nèi)置的PID 控制器實現(xiàn)自動恒水壓控制，壓力變送器安裝在母管上，無論是變頻泵單獨運行，還是工頻泵與變頻泵并列運行，均由變頻泵進行水壓調(diào)節(jié)。變頻裝置設(shè)置運行頻率高限和低限，以防止變頻泵空轉(zhuǎn)。設(shè)壓力過高和壓力過低指示以提示運行人員停止、開啟工頻泵。變頻裝置安裝在高壓柜廠房，采用遠方控制，遠方可顯示壓力當(dāng)前值和設(shè)定值、輸出頻率和輸出功率，可進行自動/手動運行方式切換，自動為恒水壓運行，手動為恒頻率運行。 2、試驗和運行 裝置現(xiàn)場安裝、現(xiàn)場調(diào)試以及投入正常運行全過程相當(dāng)順利，隨后設(shè)置了裝置參數(shù)、電動機參數(shù)、整定了自動恒水壓控制的PID 參數(shù)、測量和整定了裝置運行頻率高限和低限，并進行了一系列功能試驗和特殊工況試驗： 􀃎 觀察輸出電壓電流波形，如圖一 [align=center] 圖一：裝置電壓電流波形（電流滯后）[/align] 􀃎 單元切換和自動平衡試驗：在額定負荷時，依次切換1－15 功率單元，電動機始終保持連續(xù)運行，且單元投切后三相電壓電流保持平衡。 􀃎 自動手動切換試驗：在自動恒水壓控制和手動恒頻率控制之間切換，裝置運行頻率和水壓波動不超過規(guī)定值。 􀃎 自動運行時階躍響應(yīng)試驗：由于變頻泵在運行時，要承受工頻泵的開停沖擊，這相當(dāng)于約20％的階躍量，因此，試驗時，在自動運行狀態(tài)下對設(shè)定值施加20％階躍變化，超調(diào)量和振蕩次數(shù)不超過規(guī)定值。 􀃎 變壓器和裝置溫升測定，額定連續(xù)運行24 小時，測定輸入移相整流變壓器和各單元溫升。 􀃎 變頻泵運行時，工頻泵投切試驗：自動運行時，升高設(shè)定值到裝置給出“壓力過低”報警信號，投入一臺工頻泵，此時變頻泵應(yīng)自動降低轉(zhuǎn)速并將母管壓力調(diào)節(jié)到設(shè)定值，超調(diào)量和振蕩次數(shù)不超過規(guī)定值，報警信號自動消失。降低設(shè)定值到裝置給出“壓力過高”報警信號，切除一臺工頻泵，此時變頻泵應(yīng)自動降低轉(zhuǎn)速并將母管壓力調(diào)節(jié)到設(shè)定值，超調(diào)量和振蕩次數(shù)不超過規(guī)定值，報警信號自動消失。 高壓變頻投入運行后，節(jié)流閥全開，采用遠方自動恒水壓控制方式，平時運行人員只需改變壓力設(shè)定值（在操作室用按鈕進行升降設(shè)定），多數(shù)情況下，變頻器運行在40Hz 左右，功率270KW 左右，高壓輸入電流30A 不到，而50Hz定速運行時功率約530KW，高壓輸入電流60A 左右。 3、節(jié)能情況 經(jīng)長時間運行，同時考核實際節(jié)能情況，如前所述，多數(shù)情況下，變頻器運行在42Hz 上下，平均功率320KW 左右，與50Hz 定速運行530KW 比較，平均節(jié)電率39.6％。年節(jié)電151 萬度。 前面所述的是采用節(jié)流調(diào)節(jié)時的情況，如果采用的是水量控制方法：當(dāng)儲水池水量過多時停一臺水泵，水量不足時開啟一臺水泵，此時節(jié)流閥也全開，這種情況下如果采用變頻調(diào)速，其節(jié)能情況如何呢？ 首先假設(shè)是一臺水泵每天開12 小時，停12 小時就可以滿足水量要求，則開12 小時過程中，功率為P，流量為Q，一天中的平均功率為0.5P。進行變頻運行后，每天開24 小時，流量為0.5Q，按照風(fēng)機和泵的特性，理論上，功率降為0.125P，扣除電動機和變頻器功率損失，節(jié)能仍在30％左右。按照水量控制方法，長期運行的實際情況接近以上假設(shè)的工況，因此，對于多臺水泵并列運行的情況進行變頻改造，無論是節(jié)流調(diào)節(jié)方式還是水量控制方式，均具有良好節(jié)能效果。 4、變頻運行的其它優(yōu)點 該泵站經(jīng)高壓變頻改造后，除了節(jié)能外，水流量控制特性以及電動機和泵的運行特性明顯改善，主要有： 􀃎 實現(xiàn)恒母管水壓控制：運行人員只需改變母管壓力設(shè)定值，不再調(diào)整節(jié)流閥，運行自動化程度大為提高，運行和維護工作量降低。 􀃎 管道壓力降低：原來節(jié)流調(diào)節(jié)時，流量變小時，管道壓力反而升高，不利于管道安全運行，容易爆管，而采用變頻調(diào)節(jié)后，流量變小時，管道壓力變低。 􀃎 電動機軟啟動，避免水泵頻繁啟停：經(jīng)測量，變頻運行時起動電流小于5A，而工頻直接起動電流超過300A，因此，變頻運行完全消除了因直接啟動造成的對電動機和電網(wǎng)的沖擊，降低了電動機故障率。 􀃎 功率因素提高：從電網(wǎng)側(cè)看，工頻運行時功率因素為0.85 左右，變頻運行時功率因素達到0.95，因此，即使同樣是滿負荷運行，變頻運行時，高壓輸入電流明顯比工頻運行小，這也有利于節(jié)能和設(shè)備安全運行。 􀃎 電機和泵轉(zhuǎn)速降低：設(shè)備轉(zhuǎn)速降低后，運行噪聲降低，磨損減少，設(shè)備壽命增長。 􀃎 控制響應(yīng)速度增快：改變水壓設(shè)定值后，裝置迅速改變運行轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，母管水壓迅速跟蹤設(shè)定值。 5、結(jié)束語 高壓變頻調(diào)速裝置用于拖動發(fā)電廠大型風(fēng)機和泵電動機，不僅節(jié)能，而且大為改善控制特性和運行特性。目前，高壓變頻技術(shù)日趨成熟，其運行可靠性已達到發(fā)電廠要求，建議大力推廣使用。