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0、引言

    2003年以來我國面臨著嚴(yán)峻的資源壓力，“煤、電、油”全面告急，近八成省份拉閘限電，能源瓶頸正成為制約國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)增長的最主要因素。泵與風(fēng)機(jī)是全國通用的耗電量較大的設(shè)備，在火電廠中應(yīng)用極廣。據(jù)統(tǒng)計，全國火電廠的平均廠用電率約為7％～8％，其中泵與風(fēng)機(jī)的耗電量占廠用電的75％左右。目前我國使用的泵與風(fēng)機(jī)的效率，多數(shù)比工業(yè)先進(jìn)國家的同類產(chǎn)品的效率低5％～10％；而泵與風(fēng)機(jī)的實際運行效率普遍比工業(yè)先進(jìn)國家低10％～30％[1]。因此積極開展泵與風(fēng)機(jī)的節(jié)能降耗，對于促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、縮小與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距，提高電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)市場競爭力，都具有現(xiàn)實和深遠(yuǎn)的意義。

1、設(shè)備概況及存在問題

    華能威海電廠二期2×300MW機(jī)組為國產(chǎn)引進(jìn)型N300-16.7/538/538中間再熱凝汽式汽輪機(jī)組；凝結(jié)水泵為沈陽水泵廠生產(chǎn)9LDTNA-4型，電機(jī)為YLS560型，額定功率1000kW，電壓6000V，電流114A，轉(zhuǎn)速1486r/min。機(jī)組正常運行時，兩臺凝結(jié)水泵一臺運行，一臺備用。當(dāng)運行泵故障時，備用泵自啟并投入運行。凝結(jié)水通過凝結(jié)水泵升壓后，流經(jīng)各低壓加熱器和凝結(jié)水主、副調(diào)節(jié)閥最后到達(dá)除氧器。凝結(jié)水主、副調(diào)節(jié)閥的開度由除氧器實際水位和給定值、給水流量和凝結(jié)水流量構(gòu)成的除氧器水位控制回路（單沖量或三沖量）調(diào)節(jié)控制。機(jī)組正常運行時凝結(jié)水主、副調(diào)節(jié)閥的開度如表1所示。由表1可以看出凝結(jié)水泵長期處于極度節(jié)流狀態(tài)，造成能量大量浪費，效率極低。

2、變頻調(diào)速的節(jié)能原理

    交流變頻調(diào)速技術(shù)是一門新興的技術(shù)。它以其卓越的調(diào)速和起制動性能、顯著的節(jié)電效果以及廣泛的適用性，而被公認(rèn)為是一種最有前途的交流調(diào)速方式，代表了電氣傳動發(fā)展的主流方向[2]。現(xiàn)在，交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，已由原來的常規(guī)控制方式PAM(Pulse Amplitude Modulation)， 即改變電壓源和電流源的幅值進(jìn)行輸出控制，發(fā)展到現(xiàn)在的PWM(Pulse Width Modulation)，即靠改變脈沖寬度調(diào)制電壓輸出波形和SPWM調(diào)速方式（正弦波脈寬調(diào)制）。目前最為理想的調(diào)制方式應(yīng)屬空間矢量控制，它近似模擬了直流電機(jī)的調(diào)速性能，可與直流電機(jī)的調(diào)速行為相媲美，是一種較為理想的調(diào)速方式[3]。。

    由電機(jī)學(xué)可知，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 為[1]：

    從式1可以看出，如果極對數(shù) 一定，且轉(zhuǎn)差率 變化不大時，轉(zhuǎn)速 基本上與電源頻率 成正比，即改變電源頻率 就可以改變轉(zhuǎn)速 （實際上若僅改變電源的頻率則不能獲得滿意的調(diào)速性能。必須在調(diào)節(jié)頻率的同時調(diào)節(jié)電壓，準(zhǔn)確稱呼應(yīng)是變頻變壓調(diào)速，英文術(shù)語為Variable Voltage Variable Frequency，簡稱為VVVF調(diào)速）。
由比例定律可知，泵的功率 與轉(zhuǎn)速 的關(guān)系為[4]：

    除氧器水位控制回路：除氧器水位是機(jī)組運行監(jiān)控的重要參數(shù)之一。凝結(jié)水泵變頻改造前，當(dāng)給水流量小于25％，T1切換器選中N側(cè)，除氧器水位采用單沖量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器PID1的輸出直接控制調(diào)節(jié)閥的開度；當(dāng)給水流量大于25％，T1切換器選中Y側(cè)，除氧器水位采用三沖量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器PID2的輸出加上給水流量信號，作為調(diào)節(jié)器PID3的給定值，并與凝結(jié)水流量比較，經(jīng)過比例積分運算后，輸出控制調(diào)節(jié)閥的開度。凝結(jié)水泵變頻改造后，僅三沖量信號輸出至變頻器，再由變頻器內(nèi)部控制單元輸出調(diào)整電壓及頻率，進(jìn)而控制凝結(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，滿足除氧器水位調(diào)節(jié)要求。凝結(jié)水泵變頻改造前后除氧器水位控制回路如圖2所示。
 

    變頻器一次接線：電源接自6kVIIIA段母線，開關(guān)編號為6519，經(jīng)工頻/變頻刀閘轉(zhuǎn)換柜輸出至變頻器，可實現(xiàn)“工頻”或“變頻”方式運行。電氣一次接線圖如圖3所示。
 

圖3 ＃3A凝結(jié)水泵變頻器電氣一次接線

    保護(hù)配置：

    a 電氣保護(hù)：6519開關(guān)設(shè)有速斷、負(fù)序、低電壓和接地保護(hù)，均動作于跳閘。其中速斷、負(fù)序和接地保護(hù)動作后聯(lián)跳變頻器。變頻器本身設(shè)有低電壓保護(hù)。6519開關(guān)設(shè)有變頻器故障聯(lián)跳其出口壓板，即變頻器投運前，投入“變頻器聯(lián)跳6519開關(guān)”出口壓板；由“變頻”改“工頻” 運行前，解除“變頻器聯(lián)跳6519開關(guān)”出口壓板。6519開關(guān)保護(hù)定值采用工頻、變頻通用定值，變頻器投入、退出無須對保護(hù)定值進(jìn)行修改。

    b 熱控聯(lián)鎖：＃3A凝結(jié)水泵變頻運行需全開凝結(jié)水至除氧器調(diào)節(jié)閥，所以凝結(jié)水母管壓力最低低至0.846MPa（目前，調(diào)節(jié)閥總操開度為47％，此時B閥全開，A閥全關(guān)），為了保證＃3B凝結(jié)水泵低水壓不動作（工頻運行時定值為1.8 MPa），將定值修改為低于0.6MPa，聯(lián)動備用泵，母管壓力0.7 MPa時熱控光字牌報警。變頻器跳閘，聯(lián)關(guān)凝結(jié)水至除氧器調(diào)整門總操至25%（因目前機(jī)組運行，無法對DPU數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，故待停機(jī)后修改，修改后調(diào)節(jié)閥總操將全開）。其它熱控保護(hù)不變。

    ⑵我廠使用的A-B PowerFlex7000變頻器技術(shù)特點：

    是羅克韋爾自動化公司的第三代中壓電流型變頻器，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、技術(shù)先進(jìn)、系統(tǒng)可靠、使用方便和性價比高。變頻器裝置如圖4所示。

    a 采用先進(jìn)的CSI-PWM及測速反饋的完全矢量控制技術(shù)。輸入與輸出端均無變壓器；母線電感具有電流限制作用，可靠地進(jìn)行短路電流保護(hù)，功率單元無半導(dǎo)體熔斷器。變頻調(diào)節(jié)精度高，范圍廣，效率高達(dá)95％以上。

圖4 PowerFlex7000變頻器

    b 性能優(yōu)越、可靠性高。對電網(wǎng)電壓波動具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力，±10％可以滿載輸出，可以承受30％的電網(wǎng)電壓下降而繼續(xù)運行。瞬時失電可滿載運行5個周期不跳閘，輕載時間更長。可實現(xiàn)四象限運行（正反旋轉(zhuǎn)方向和再生制動）和飛速啟動，能量回饋電網(wǎng)。不需額外的濾波器即可通過電機(jī)端的電容器消除電機(jī)在高頻運行時的主要諧波成分，從而向電機(jī)提供接近正弦波形的電流和電壓，符合IEEE-519-1992諧波標(biāo)準(zhǔn)。無dv/dt的產(chǎn)生，降低了電機(jī)噪音和對散熱及絕緣強(qiáng)度的要求，電機(jī)不需降額或改裝使用。對輸出電纜無長度要求。

    c 使用方便。變頻器可在輸出不帶電機(jī)的情況下進(jìn)行空載測試，也可在沒有6kV高壓的情況下，用低電壓進(jìn)行空載測試。采用創(chuàng)新的功率單元模塊化設(shè)計，光纖傳輸。可從機(jī)架上抽取、移動和變換，所有單元可以互換，更換單元不需特殊工具便可在15分鐘之內(nèi)完成。濾網(wǎng)可多次沖洗且不變形、不失效，運行中也可方便拆裝更換。

    d 保護(hù)全面。變頻器具有過壓、欠壓、缺相、變頻器和電機(jī)過載、變頻器過熱、輸出接地和短路、高壓柜門保護(hù)連鎖等保護(hù)，能聯(lián)跳輸入側(cè)6kV開關(guān)，開關(guān)也可聯(lián)跳變頻器。

    e 具有通用的控制接口和友好的操作員界面。與機(jī)組DCS系統(tǒng)配合可自動或手動遠(yuǎn)方操作也可就地啟停和調(diào)節(jié)。就地控制裝置如圖5所示。大畫面文字圖形顯示操作員終端菜單引導(dǎo)屏幕，完成諸如設(shè)置、監(jiān)控、診斷、報警等各種變頻操作及顯示常用變量諸如電壓、功率、轉(zhuǎn)速和累計時間等。操作員界面如圖6所示。

圖5 就地控制裝置

圖6 操作員界面

    3.2調(diào)試中出現(xiàn)的問題處理

    a 風(fēng)壓：

    在設(shè)置中，將變頻器的“備用風(fēng)機(jī)功能”的參數(shù)由“N0”改為“YES”，即啟動備用風(fēng)機(jī)功能（此變頻器沒有#2風(fēng)機(jī)，在此為虛擬風(fēng)機(jī)，僅利用XIO板上備用風(fēng)機(jī)的接點切換功能，#1、#2風(fēng)機(jī)實現(xiàn)互相備用）。然后，在變頻器的XIO板上，進(jìn)行J2-7和J2-9端子的短接，J2-6和J2-8端子的短接。短接后，#1風(fēng)機(jī)和#2風(fēng)機(jī)的控制實際上是并聯(lián)的，同時控制#1風(fēng)機(jī)的運行。

    修改后效果：當(dāng)380V風(fēng)機(jī)電源進(jìn)行切換時，#1風(fēng)機(jī)電源暫時消失，風(fēng)壓下降，此時變頻器由于啟動了備用風(fēng)機(jī)自投功能，XIO板上#2風(fēng)機(jī)的接點自動閉合，保證風(fēng)機(jī)接觸器閉合，確保風(fēng)機(jī)繼續(xù)運行。此時，變頻器只發(fā)報警，不發(fā)故障信號，變頻器繼續(xù)運行。

    b 觸摸屏參數(shù)狀態(tài)顯示：

    轉(zhuǎn)速條形顯示額定速度只有實際速度的50％，顯示軟件升級后，可消除此問題。

    c 旁路輸出刀閘報警：

    調(diào)試過程中，“旁路輸出刀閘斷開”報警在變頻器工作時一直發(fā)生，實際變頻器旁路刀閘工作正常。這是由于軟件邏輯錯誤造成的，此報警目前已屏蔽。軟件升級后可消除。

4、節(jié)能效果分析

    目前，＃3機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)僅＃3A凝結(jié)水泵改為變頻運行，待條件成熟后將采用“一拖二”方式或者再配置一臺變頻器，具體采用哪種方式根據(jù)節(jié)能情況決定。

    ＃3A凝結(jié)水泵相同負(fù)荷時工頻、變頻運行的實時功率和額定功率如圖7所示。#3機(jī)組周五、周六和周日負(fù)荷曲線（2005-4-15至2005-4-17）如圖8所示。

負(fù)荷/MW

圖7 ＃3A凝結(jié)水泵相同負(fù)荷時工頻、變頻運行的實時功率和額定功率

    按機(jī)組年運行7200小時（300天），以圖8給出的負(fù)荷曲線作為典型日負(fù)荷曲線，根據(jù)圖7給出的＃3A凝結(jié)水泵相同負(fù)荷時工頻和變頻運行的實時功率，可以算出應(yīng)用變頻調(diào)速年節(jié)電188.1680 萬kWh以上。

    按電價0.397元/kWh計算，年節(jié)電費合計：188.1680*0.397＝74.7萬元

    投資回收期T：

    T＝投資額/年節(jié)電費＝280/74.7＝3.75年

    其中：投資額包括A-B變頻器、刀閘旁路柜、控制電源配電箱、UPS電源、勞務(wù)費和建設(shè)費用等。

時間/h

圖8 ＃3機(jī)組周五、周六和周日負(fù)荷曲線（2005-4-15至2005-4-17）

     2005年以來，山東東部電網(wǎng)負(fù)荷比較緊張，2005-4-15至2005-4-17負(fù)荷率為82.03％（下半年500kV青州站投產(chǎn)后，負(fù)荷率將會下降），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2004年全年負(fù)荷率。2004年＃3機(jī)組發(fā)電量為171158.04萬kWh，可用小時為7838.62h，則年負(fù)荷率為72.78％，可以計算出平均負(fù)荷為218.35MW，運用插值法計算此負(fù)荷凝結(jié)水泵變頻運行節(jié)約功率為391.9kW，節(jié)能率＝391.9/1000＝39.19％。不同負(fù)荷時凝結(jié)水泵變頻器的節(jié)能率如圖9所示。

    根據(jù)2004年負(fù)荷率修正后的投資回收期T：

    T＝投資額/年節(jié)電費＝280/(391.9*7838.62*0.397/10000)＝2.29年

負(fù)荷/MW

圖9 不同負(fù)荷時凝結(jié)泵變頻器的節(jié)能率