【摘要】：本文介紹了深圳市英威騰變頻調(diào)速裝置工作原理、特點、在哈爾濱捷能熱力電站有限公司的鍋爐循環(huán)水泵上的高壓變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用以及技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析。
【關(guān)鍵詞】：循環(huán)水泵、DCS系統(tǒng)、節(jié)能效益、深圳市英威騰CHH100系列高壓變頻器等。
一、引言
哈爾濱捷能熱力電站有限公司配置其中兩臺循環(huán)水泵，其出口節(jié)門采用蝶閥，只有全開全關(guān)兩個位置，冷卻水流量調(diào)節(jié)采用開泵臺數(shù)進(jìn)行控制，由于季節(jié)及晝夜的溫度差異，時常出現(xiàn)開一臺流量不夠，開兩臺流量過大的情況，由于這種原始的調(diào)節(jié)方法，汽輪機(jī)的真空度不穩(wěn)定，不能保證汽輪機(jī)在經(jīng)濟(jì)運行方式下運行，同時浪費了大量電能和水資源，致使廠用電率高，供電標(biāo)煤耗高，發(fā)電成本不易降低。選擇合適的調(diào)速方式對循環(huán)水泵進(jìn)行節(jié)能改造成為當(dāng)務(wù)之急。為了進(jìn)一步適應(yīng)廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)的電力體制，節(jié)約能源，降低廠用電率，保護(hù)環(huán)境，簡化運行方式，減少轉(zhuǎn)動設(shè)備的磨損等，該公司決定在發(fā)電機(jī)組循環(huán)水泵上采用了一套深圳英威騰電氣股份有限公司的自主研發(fā)、生產(chǎn)的多單元串聯(lián)的高─高形式的CHH100系列10kV/500kW高壓變頻器調(diào)速裝置。
二、循環(huán)水泵工況特點
哈爾濱捷能熱力電站發(fā)電機(jī)組采用閉式循環(huán)水系統(tǒng)。循環(huán)水泵采用單元制供水系統(tǒng)，即每臺機(jī)配一座冷卻塔，一條壓力循環(huán)水管，一條雙孔自流水溝和兩臺循環(huán)水泵，在正常運行工況，每臺機(jī)運行兩臺循環(huán)水泵。冷卻水塔采用風(fēng)筒式逆流自然通風(fēng)冷卻塔，通風(fēng)筒為雙曲線施轉(zhuǎn)殼。在循環(huán)供水系統(tǒng)中，是由循環(huán)水泵實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用的，經(jīng)熱交換后的熱水進(jìn)入冷卻設(shè)施進(jìn)行冷卻，使其水溫降至允許值，然后又重復(fù)將冷卻水輸入凝汽器而循環(huán)使用，由于系統(tǒng)水位基本上是穩(wěn)定的，故循環(huán)水泵的揚程也基本穩(wěn)定，而其容量按計算水量確定。循環(huán)水泵隨機(jī)組長期連續(xù)運行，由于機(jī)組負(fù)荷經(jīng)常變化，需要及時調(diào)整循環(huán)水流量，以保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運行。即使在同一負(fù)荷的情況下，不同的外部環(huán)境也使得循環(huán)水流量的需求不同，就目前電廠情況，一臺水少、兩臺水多的情況長期存在，而出囗閥門又不可調(diào)，機(jī)組冬季全天、春季的后夜及低負(fù)荷工況時，開一臺循環(huán)水泵就可滿足運行需要。
采用變頻調(diào)節(jié)裝置根據(jù)工況調(diào)節(jié)流量是有其必要性的。利用高壓變頻器根據(jù)實際需要對循環(huán)水泵拖動電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，由于水泵固有的特性，調(diào)速即可以調(diào)節(jié)水泵的出水量，又可以降低電動機(jī)的功耗，并達(dá)到最有利真空的控制目的，從而達(dá)到了既保證和改善工藝，又可達(dá)到節(jié)能降耗的目的和效果。
三、汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)運行方式與循環(huán)水泵流量的控制
目前汽輪機(jī)的真空度主要依靠調(diào)節(jié)冷卻水流量來控制的，由汽輪機(jī)的運行原理可知，運行中的凝汽器壓力主要取決于蒸汽負(fù)荷、冷卻水入口溫度和冷卻水量，冷卻水溫一般取決于自然條件，在蒸汽負(fù)荷一定情況下就只有靠增加冷卻水的流量來提高凝汽器的真空度。為提高機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性，由于真空度提高汽輪機(jī)功率的增量ΔΝ1應(yīng)大于為增加循環(huán)水量所多消耗的功率ΔΝ2，顯然，汽輪機(jī)的最有利真空Peco(經(jīng)濟(jì)真空)應(yīng)位于凈增功率ΔΝ=ΔΝ2 -ΔΝ1的最大值處，此時汽輪機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)運行方式，通過確定汽輪機(jī)的最有利真空，并以此為依據(jù)來控制冷卻水流量，使汽輪機(jī)的排氣壓力盡量維持最有利真空位置，以保證機(jī)組在經(jīng)濟(jì)運行方式下工作。
由上述分析可以看出，改變循環(huán)水流量可以提高機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性。
四、汽輪機(jī)最有利真空度循環(huán)泵控制原理
最有利真空的實現(xiàn)是靠調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水的流量，由機(jī)組DCS控制循環(huán)水泵的運行狀態(tài)，調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的運行臺數(shù)和運行轉(zhuǎn)速，控制循環(huán)水流量使汽輪機(jī)的真空度維持在最有利真空位置，保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)運行。水泵的速度調(diào)節(jié)控制是汽輪機(jī)最有利真空控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，利用變頻器對循環(huán)水泵進(jìn)行速度控制，控制方式為“一變一定”。
五、英威騰CHH100系列高壓變頻器技術(shù)特點
深圳市英威騰電氣股份有限公司，提供的CHH100系列變頻器除了具有一般廠家的高壓變頻器功能外，還有以下幾方面的特點。
1、具有較強(qiáng)的功能，能夠滿足不同工況
CHH100系列高壓變頻器采用DSP系統(tǒng)與可編程系統(tǒng)巧妙的結(jié)合，控制系統(tǒng)高度集成化，設(shè)備器件主要采用進(jìn)口器件，完成了比一般高壓變頻器的功能，具有300多個功能碼，可以對啟動特性、運行模式等功能根據(jù)現(xiàn)場工況進(jìn)行不同設(shè)定。CHH100系列高壓變頻器具有標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口，可以通過RS485通訊接口(采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議)與DCS進(jìn)行連接，也可以通過硬接線的方式與DCS系統(tǒng)進(jìn)行連接。多種接口方式選擇可以DCS系統(tǒng)很方便的對變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。也可以進(jìn)行不同參數(shù)設(shè)置，滿足現(xiàn)場其它各種不同工況。
2、全面的保護(hù)功能
CHH100系列變頻器的功率單元自身就有多達(dá)11種的故障保護(hù);主控系統(tǒng)采用DSP+PFGA巧妙配合，電氣部分對輸出電壓、輸出電流、輸入電壓、輸入電流都有全面檢測，對變頻器電源及電機(jī)都有過壓、過流、過載、欠壓、溫度等具有多達(dá)二十幾種超強(qiáng)綜合保護(hù)功能，并且重要的保護(hù)定值可以根據(jù)現(xiàn)場不同的工況進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。內(nèi)置雷擊過流保護(hù)裝置，有效提高設(shè)備保護(hù)功能和系統(tǒng)保護(hù)功能，完全能夠保證電源及電機(jī)的安全運行。
3、全面的參數(shù)記錄
CHH100系列高壓變頻器顯示多項運行參數(shù)過過程變量，包括每個模塊的溫度、母線電壓都有檢測與顯示。具有故障、事故顯示、記錄功能，具有自診斷功能，所在信息可以通過通訊上傳至DCS系統(tǒng)，異常時對變頻器的狀態(tài)都有全面的記錄，以便現(xiàn)場人員更準(zhǔn)確、更快捷地解決問題。
4、最大的電壓、電流冗余量設(shè)計
深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器，以安全、可靠、使用壽命長為首要設(shè)計原則，采用1700V高壓IGBT，9級或6級串聯(lián)，電壓裕量為2.0倍左右。功率器件電壓安全設(shè)計冗余量較高。
5、電機(jī)轉(zhuǎn)速自動跟蹤功能
CHH100系列高壓變頻器在主電源母線切換(10秒內(nèi))過程中，變頻器能夠自動跟蹤電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)主電源恢復(fù)后變頻器自動運行起來，保證了機(jī)組安全可靠運行。
6、功率模塊自動旁路技術(shù)
模塊自動旁路技術(shù)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，CHH100系列高壓變頻器采用功率模塊自動旁路技術(shù)，可在1ms內(nèi)旁路故障模塊，變頻器降額并可長期運行，等適當(dāng)時候停機(jī)處理。
7、良好的電壓波動適應(yīng)能力
CHH100系列高壓變頻器對電網(wǎng)電壓在±15%范圍內(nèi)波動，變頻器能滿載輸出;電網(wǎng)電壓短時(30秒)下降至額定電壓的65%時，可繼續(xù)降額運行，不進(jìn)行保護(hù)。
8、最有效的電磁干擾解決方案
深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器在模塊設(shè)計上，獨家采用后進(jìn)線、前出線設(shè)計方案;結(jié)構(gòu)方面和電氣方面全面考慮電磁抗干擾措施，尤其是核心的控制板件，最有效保證變頻器的可靠運行。
9、合理的散熱系統(tǒng)
功率采用獨立的散熱風(fēng)道，系統(tǒng)集中散熱的方式，散熱性能良好，滿載長時間運行溫升不超過25℃，良好的散熱系統(tǒng)可以確保變頻裝置的高可靠性，并延長變頻裝置內(nèi)部的器件使用壽命。
10、模塊化設(shè)計
CHH100系列變頻器，遵循模塊化設(shè)計理念，功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個相同的功率單元的結(jié)構(gòu)、配置完全相同，可以非常方便的互換，從而利于生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化，以及維修的標(biāo)準(zhǔn)化。
11、最簡潔操作、最快捷維護(hù)
深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器具有人性化的接口設(shè)計、界面簡潔清晰;操作方便，采用抽屜式模塊設(shè)計，更換模塊僅需5分鐘;濾網(wǎng)更換方便、快捷。
六、變頻改造方案簡介
3號發(fā)電機(jī)組配置兩臺循環(huán)水泵，對其中一臺循環(huán)水泵加裝高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速控制，為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，為變頻器同時加裝工頻旁路裝置，變頻器異常時，變頻器停止運行，電機(jī)可以直接手動切換到工頻下運行。旁路系統(tǒng)由3個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成，QS2不能與QS3同時閉合，在機(jī)械上實現(xiàn)互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開;工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。
為了實現(xiàn)變頻器故障的保護(hù)，變頻器對10KV開關(guān)QF進(jìn)行聯(lián)鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF，工頻旁路時，變頻器允許QF合閘，撤消對QF的跳閘信號，使電機(jī)能正常通過QF合閘工頻啟動。
為了保證發(fā)電機(jī)組安全運行，在單臺變頻循環(huán)水泵運行工作模式下，變頻器發(fā)生故障跳開QF時，需要將其工頻運行或采用備用的循環(huán)水泵自動投入運行;為適應(yīng)變頻改造后循環(huán)水泵系統(tǒng)自動化水平的提高，對出水閥門也進(jìn)行聯(lián)鎖自動控制，其閥門聯(lián)鎖功能的作用是：在啟動水泵升速過程中，水泵出口水壓逐漸增高，當(dāng)大于設(shè)定的“最小開閥出口水壓”時，閥門開始打開，直至開全;在停泵時，閥門同步關(guān)閉;如果開泵時，閥門因各種原因未能開全，將提示“閥門沒有開全”，停泵時，如閥門未關(guān)嚴(yán)，將提示“閥門沒有關(guān)嚴(yán)”。這樣在開泵和停泵過程中，值班人員無需再對閥門執(zhí)行任何操作，不僅減少了操作的失誤，而且在開閥、關(guān)閥過程中對管網(wǎng)的沖擊也很小。
變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)電機(jī)組現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)。DCS根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷情況，按設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)對鍋爐循環(huán)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動控制。變頻器需要提供給DCS的開關(guān)量輸出包括故障報警(變壓器超溫、單元柜風(fēng)機(jī)故障、控制電源掉電、控制器故障、單元故障、模擬信號斷線等)、待命指示、運行指示、高壓合閘允許、高壓緊急分?jǐn)?、開閥門(變頻器控制閥門聯(lián)動時使用，即打開出口碟閥)、關(guān)閥門(變頻器控制閥門聯(lián)動時使用，即關(guān)閉出口碟閥);DCS需要提供給變頻器的開關(guān)量包括：啟動變頻(干節(jié)點，閉合時有效，使變頻器開始運行)、停運變頻器(干節(jié)點，閉合時有效，使變頻器正常停機(jī))、閥門關(guān)嚴(yán)(干節(jié)點，開點有效，表示變頻器所控制的水泵出口碟閥的閥門已關(guān)嚴(yán))、閥門開全(干節(jié)點，開點有效表示變頻器所控制的水泵出口碟閥的閥門已全開);DCS需要提供給變頻器的模擬量有：1路4～20mA的電流源輸出，作為變頻器的轉(zhuǎn)速給定值，即變頻器需要運行的轉(zhuǎn)速;變頻器需要提供給DCS的模擬量有：2路4～20mA的電流源輸出，模擬輸出對應(yīng)的物理量為輸出頻率和輸出電流;現(xiàn)場提供給變頻器的模擬量有：1路4～20mA的電流源輸出，表示變頻泵的出口壓力，閥門聯(lián)動時備用;高壓開關(guān)柜提供給變頻器的開關(guān)量有：1個，工頻高壓開關(guān)已分閘。節(jié)點閉合時表示高壓在分閘位置，高壓開關(guān)合閘，該節(jié)點斷開。
循環(huán)水泵調(diào)速由操作人員通過DCS系統(tǒng)的CRT上的模擬操作器，參照凝汽器的真空度和外界氣溫，對DCS的輸出值進(jìn)行調(diào)節(jié)，此輸出值為反饋給變頻器的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，對應(yīng)不同的頻率(速度)給定值，變頻器通過比較轉(zhuǎn)速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)的循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水量的目的。
在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過一段時間的積累，可將不同負(fù)荷和溫度下的給定值繪制成曲線，定出安全的上下限，制成循環(huán)水泵調(diào)速專用算法，同時利用熱工一次測量元件，將采集的負(fù)荷和溫度參數(shù)的變化值送到機(jī)組DCS系統(tǒng)中，在機(jī)組DCS系統(tǒng)中，進(jìn)行控制運算，將計算結(jié)果形成4-20mA的速度給定指令信號，反饋給變頻器，變頻器通過比較轉(zhuǎn)速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速自動控制。
由于這次改造只針對兩臺并聯(lián)水泵中的一臺，正常運行工況為一臺工頻、一臺變頻，由于季節(jié)及晝夜溫度的差別使得變頻系統(tǒng)的運行有著特殊性，管網(wǎng)總出口的壓力取決于兩臺并聯(lián)水泵各自的出口壓力，從而決定了變頻泵不可能在太低的頻率下運行，否則會引起倒流或不出水的情況，另一方面，太低的頻率會導(dǎo)致整體壓力下降，達(dá)不到循環(huán)系統(tǒng)總體的揚程要求，處于工頻定速運行的水泵也易導(dǎo)致過流發(fā)生，根據(jù)以往的運行實踐經(jīng)驗，在工頻泵與變頻泵同時運行的情況下，使變頻泵最低的頻率保持在38Hz以上，在變頻泵單獨運行時，變頻泵可以根據(jù)需要在5-45Hz范圍調(diào)節(jié)，(變頻泵調(diào)節(jié)的頻率必須滿足水泵出口壓力最低要求)，這樣可以滿足運行需要，同時可對出水量進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)。
七、變頻改造后的效益計算
我們從水泵調(diào)速節(jié)能原理得知，當(dāng)水泵拖動電機(jī)工頻運行時，出力為額定值，轉(zhuǎn)速及功耗為額定值，當(dāng)采用變頻調(diào)速時，可以按需要升降電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數(shù)滿足工藝要求，根據(jù)水泵的相似定律，變速前后流量、揚程、功率與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系為：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=(n1/n2)2
P1/P2=(n1/n2)3
Q1 、H1、P1—水泵在n1轉(zhuǎn)速時的流量、揚程、功率;
Q2、H2、P2—水泵在n2轉(zhuǎn)速時相似工況條件下的流量、揚程、功率。
變頻調(diào)速工作點示意圖
假如轉(zhuǎn)速降低一半，即：n2/n1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達(dá)到節(jié)能的目的。從上圖中可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速由n1降為n2時，水泵的額定工作參數(shù)Q、H、P都降低了。但從效率曲線η-Q看，Q2點的效率值與Q1點的效率值基本是一樣的。也就是說當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，額定工作參數(shù)相應(yīng)降低，但效率不會降低，有時甚至?xí)岣摺Ｒ虼嗽跐M足操作要求的前提下，水泵仍能在同樣甚至更高的效率下工作。
節(jié)能效益計算如下：
(1) 設(shè)備參數(shù)
(2) 實測節(jié)能比較
哈爾濱捷能熱力電站有限公司鍋爐循環(huán)水泵現(xiàn)場通過測量儀表進(jìn)行測量數(shù)據(jù)如下表:
測試結(jié)果表明,
500KW/10KV鍋爐循環(huán)水泵在閥門調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能比較如下表:
可見，投入一臺深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器后，該項公司全年節(jié)約電費均可達(dá)55.26萬元左右。另外，由于深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，大于電機(jī)功率因數(shù)0.82，減少大量無功。并且實現(xiàn)電機(jī)軟啟動，可避免因大電流啟動沖擊造成對電機(jī)絕緣的影響，減少電機(jī)維護(hù)量，節(jié)約檢修維護(hù)費用，同時電機(jī)壽命大幅度延長。
八、結(jié)束語
高壓變頻裝置節(jié)能效果明顯，采用變頻調(diào)速后，實現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動，延長電機(jī)的壽命，也減少了管道的振動與磨損;總之，采用了一套深圳英威騰電氣股份有限公司的自主研發(fā)、生產(chǎn)的多單元串聯(lián)的高─高形式的CHH100系列10kV/500 kW高壓變頻器調(diào)速裝置在哈爾濱捷能熱力電站有限公司3號機(jī)組循環(huán)水泵系統(tǒng)的調(diào)速改造中應(yīng)用是相當(dāng)成功的。該系列變頻器的先進(jìn)性、可靠性已得到許多工業(yè)應(yīng)用的證實。在電力行業(yè)，對于許多高壓大功率的輔機(jī)設(shè)備推廣和采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，不僅可以取得相當(dāng)顯著的節(jié)能效果，是電廠節(jié)能降耗的一個有效的途徑，而且也得到國家產(chǎn)業(yè)政策的支持，代表了今后電力行業(yè)節(jié)能技改的方向，目前電力行業(yè)越來越多的人員對此都已形成廣泛共識。
（轉(zhuǎn)載）
