朱振興+趙國棟

摘 要 本文提出并實(shí)施了降壓改造系統(tǒng)集成裝置，大幅度降低改造和運(yùn)行費(fèi)用，與常規(guī)改造方式比較減少改造投資和維護(hù)費(fèi)用、延長使用壽命；同時(shí)，經(jīng)過對(duì)給水泵性能以及變頻調(diào)速技術(shù)的研究，分析和探討給水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，制定典型的調(diào)節(jié)方案，使變頻改造取得的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

關(guān)鍵詞 變頻調(diào)速 高-低電壓 給水泵

中圖分類號(hào)：TK223.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Study and Application of Energy Conservation Transformation Technology of High-voltage Pump for Small and Medium-sized Capacity Boiler

ZHU Zhenxing[1]， ZHAO Guodong[2]

（[1] Datang Changchun Third Power Plant， Changchun， Jilin 131109；

[2] Qinshan Nuclear Power Plant， Jiaxing， Zhejiang 314300）

Abstract The voltage dropping transformation system was developed， which greatly reduced the transformation and the operating cost compared with the conventional transformation way. At the same time ，according to the study of pump performance as well as the frequency conversion velocity modulation technology， the pump system economy operation way was analyzed and discussed， and the typical operation mode of the equipments was designed， and so the economic efficiency maximization of the frequency conversion transformation could be obtained.

Key words frequency conversion； high-low voltage； Pump

0 前言

給水泵是火力發(fā)電設(shè)備中的重要輔機(jī)，其功耗占輔機(jī)總?cè)萘康?5%～50%，是全廠主要的耗電輔機(jī)設(shè)備。在生產(chǎn)過程中，由于電機(jī)輸出功率不可調(diào)節(jié)，因此多余的能量只能在擋板和閥門中消耗掉，造成很大的節(jié)流損失。近幾年來變頻技術(shù)的出現(xiàn)，顯著改變了這一狀況，通過變頻來調(diào)節(jié)風(fēng)量和水量，節(jié)電效果十分明顯。由于取高壓電方便，電廠的給水泵多由高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)。但是由于高壓變頻器在中小容量段價(jià)格畸高和運(yùn)行可靠性差，形成了火電廠高電壓中小容量給水泵的變頻改造死角。

1 針對(duì)高電壓中小容量電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)路線

變頻調(diào)速作為給水泵節(jié)能改造的主要手段已在國內(nèi)電廠廣泛使用，但對(duì)于高電壓電機(jī)的變頻改造的普及率遠(yuǎn)不如低電壓電機(jī)，其原因主要有以下幾個(gè)方面：第一，國產(chǎn)化能力低、改造投資大。由于我國歷史上的原因，所采用的低壓電壓等級(jí)只有380V一檔，并且在設(shè)計(jì)上將200kW以上的電機(jī)全部采用6000V以上電壓，這在電機(jī)容量分布上形成了一個(gè)電壓跨度非常大的一個(gè)斷層，而變頻器中單塊IGBT模塊的耐壓等級(jí)多在1700V以下，高電壓時(shí)必須多級(jí)串聯(lián)，所以導(dǎo)致了高壓變頻器成本的畸高（如圖1）；第二，運(yùn)行可靠性差。變頻器的多級(jí)模塊串聯(lián)的結(jié)構(gòu)必然導(dǎo)致其故障率提高，而電力企業(yè)需要的是高可靠性的連續(xù)生產(chǎn)，這必然嚴(yán)重影響企業(yè)改造積極性，形成節(jié)能改造死角。因此，圍繞著高壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速也形成了兩條技術(shù)路線。一是以高壓變頻為代表的，基于高成本高風(fēng)險(xiǎn)的高壓變頻技術(shù)路線；而本課題采用了另一條路線，基于高壓電機(jī)低壓改造的低壓變頻技術(shù)路線同時(shí)使用了備機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤啟動(dòng)技術(shù)、變頻器功率因數(shù)的優(yōu)化技術(shù)、電動(dòng)機(jī)提效改造技術(shù)，并實(shí)施了變頻器冗余配置、故障情況下備機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤啟動(dòng)、瞬態(tài)切投備用變頻器的解決方案及設(shè)備組合。

2 改造電廠現(xiàn)狀簡介

某廠目前裝機(jī)容量為21MW，三臺(tái)75t/h次高壓煤粉爐。該廠年發(fā)電量1.2億千瓦時(shí)，供熱量為103萬吉焦。該廠生產(chǎn)能力根據(jù)供熱需求調(diào)整，全年分采暖期和非采暖期兩個(gè)階段，非采暖期負(fù)荷為單臺(tái)鍋爐額定負(fù)荷的70%～76%左右，此間單爐運(yùn)行；采暖期負(fù)荷根據(jù)氣候變化在110t/h～180t/h之間調(diào)整，全年各時(shí)段負(fù)荷情況經(jīng)過簡化后如圖2所示。

圖1 變頻改造單位容量造價(jià)隨電機(jī)容量變化曲線

該廠給水系統(tǒng)為母管制，由四臺(tái)給水泵（其中一臺(tái)備用）、進(jìn)出口母管和再循環(huán)管組成（見圖3），泵入口壓力0.15MPa，出口壓力7MPa（運(yùn)行規(guī)程規(guī)定），水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)與鍋爐運(yùn)行臺(tái)數(shù)對(duì)應(yīng)，屬并聯(lián)運(yùn)行方式。給水流量視負(fù)荷需求由設(shè)在母管與鍋爐之間的三沖量電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，給水泵的汽蝕余量由再循環(huán)管調(diào)節(jié)。全年單臺(tái)泵的運(yùn)行時(shí)間為6個(gè)月，兩臺(tái)和三臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行的時(shí)間分別為4個(gè)月和2個(gè)月。單臺(tái)水泵流量隨鍋爐負(fù)荷在70%～100%之間調(diào)節(jié)，多數(shù)情況下在較低負(fù)荷下運(yùn)行，只在采暖期兩臺(tái)爐運(yùn)行時(shí)有兩個(gè)月左右時(shí)間接近額定負(fù)荷運(yùn)行。

圖2 某廠全年鍋爐負(fù)荷分布示意圖

3 給水系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)改造方案

因低壓變頻器技術(shù)過關(guān)，質(zhì)量可靠，使用普遍，價(jià)格遠(yuǎn)低于高壓變頻器，并且由于屬于低壓范圍，相關(guān)設(shè)備、備件便宜，安裝維護(hù)簡單，運(yùn)行可靠，所以提出本方案。綜合考慮備用、改造費(fèi)用和方便運(yùn)行控制，根據(jù)該廠的年負(fù)荷特點(diǎn)，本文提出了對(duì)給水泵改造一臺(tái)和兩臺(tái)的兩套方案，其經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果見后文，改造后的系統(tǒng)示意圖見圖4。由于進(jìn)行兩臺(tái)給水泵變頻改造的節(jié)能效果與改造一臺(tái)差別不大，所以本方案先改造一臺(tái)給水泵。endprint

圖3 水系統(tǒng)示意圖

圖4 給水泵變頻改造方案

3.2 不同負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行方式

3.1.1 非采暖期時(shí)1€？3%負(fù)荷時(shí)

啟用1臺(tái)變頻泵，如圖5所示，I和I′分別為改造前后的運(yùn)行工況，改造后系統(tǒng)維持流量不變，系統(tǒng)阻力損失由I QI下降到I′QI，電機(jī)節(jié)省的功耗與點(diǎn)HI、 I 、I′、HI′所圍成的面積成正比。改造后采用三沖量的汽包水位調(diào)節(jié)方式，給水調(diào)節(jié)閥全開，再循環(huán)閥全關(guān)，將PLC控制給水調(diào)節(jié)閥的信號(hào)切換到變頻器，用變頻調(diào)節(jié)取代閥門節(jié)流調(diào)節(jié)。

圖5 非采暖期1€？3%負(fù)荷調(diào)節(jié)工況圖

3.1.2 采暖期2€？5%負(fù)荷時(shí)

根據(jù)變頻改造臺(tái)數(shù)有：工頻泵與變頻泵并聯(lián)和兩臺(tái)調(diào)試泵同步變頻兩種運(yùn)行方式，如圖6所示，I和I′分別為改造前后的運(yùn)行工況，電機(jī)節(jié)省的功耗與點(diǎn)HII 、II 、II′、HII′所圍成的面積成正比（兩種改造方式的節(jié)能效果對(duì)比見表1）。該運(yùn)行方式時(shí)，再循環(huán)閥關(guān)閉，將母管壓力信號(hào)切換至變頻器控制單元，構(gòu)成閉環(huán)定壓控制回路，設(shè)定母管定壓，定壓值略高于調(diào)節(jié)閥全開時(shí)的理想最低給水壓力，給調(diào)節(jié)閥一定的調(diào)節(jié)余量，該壓力值通過實(shí)際運(yùn)行中汽包水位的調(diào)節(jié)效果確定，負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)變頻泵轉(zhuǎn)數(shù)以維持該壓力不變，由原控制方式調(diào)節(jié)給水調(diào)節(jié)閥以適應(yīng)外界負(fù)荷的波動(dòng)。

圖6 采暖期2€？5%負(fù)荷調(diào)節(jié)工況圖

圖7 采暖期3€？3%負(fù)荷調(diào)節(jié)工況圖

3.1.3 采暖期3€？3%負(fù)荷時(shí)

由于這段時(shí)期三臺(tái)爐同時(shí)運(yùn)行總荷為164m3/h，略大于兩臺(tái)爐同時(shí)運(yùn)行的額定負(fù)荷150 m3/h，遠(yuǎn)小于三臺(tái)爐同時(shí)運(yùn)行的額定負(fù)荷225 m3/h，因此原三臺(tái)給水泵并聯(lián)節(jié)每臺(tái)流量為55 m3/h，僅占給水泵的額定流量85m3/h的65%，非常不經(jīng)濟(jì)。雖然投運(yùn)兩臺(tái)給水泵變可也滿足需求，但由于鍋爐在實(shí)際運(yùn)行過程中，負(fù)荷是不斷變化的，當(dāng)兩臺(tái)給水泵不能滿足負(fù)荷需求時(shí)，便需要啟動(dòng)第三臺(tái)給水泵，而大功率電機(jī)的頻繁啟停必然會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，因此，在這段時(shí)期只能采用三臺(tái)給水泵并聯(lián)運(yùn)行，由于富余量大閥門始終處于節(jié)流損失，造成很大的能源浪費(fèi)。變頻改造后，由于變頻器具有平滑啟動(dòng)功能，在正常運(yùn)行時(shí)便可以只投運(yùn)兩臺(tái)定速泵，當(dāng)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)通過變頻泵的啟停來維持母管壓力，節(jié)能效果顯著。如圖7所示，III 和III′分別為兩泵工頻并聯(lián)運(yùn)行工況和兩變頻一工頻并聯(lián)運(yùn)行工況。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.2.1 定速水泵特性曲線的擬合

從水泵性能曲線圖可看出其性能曲線、、近似于拋物線，故用二次回歸曲線對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行性能回歸曲線方程如下：

= + + （3）

= + + （4）

= + + （5）

由最小二乘法原理可知，該水泵的流量系數(shù)方程組為：

12 + + =

通過水泵廠家提供的DG85-80―10型離心水泵的性能曲線上截取的查詢點(diǎn)，可解出方程。

3.2.2 調(diào)速水泵特性曲線擬合

根據(jù)水泵調(diào)速運(yùn)行時(shí)的工況及相似定律應(yīng)用于不同轉(zhuǎn)速時(shí)的基本規(guī)律，即當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，其它性能參數(shù)的變化規(guī)律，可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速為時(shí)的擬合曲線方程為：

= + + （9）

= + + （10）

= + + （11）

3.2.3 并聯(lián)水泵特性曲線擬合

現(xiàn)已知，單臺(tái)水泵定速運(yùn)行時(shí)的曲線方程，在臺(tái)同型號(hào)水泵并聯(lián)時(shí)有：

= = = （12）

= + + … + = （13）

= + + … + = （14）

式中-并聯(lián)總流量，m3/h；-第單臺(tái)泵流量，m3/h。

假設(shè)臺(tái)泵并聯(lián)時(shí)的曲線方程為：

= + + （15）

所以，臺(tái)水泵并聯(lián)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的擬合曲線方程為：

= + + （16）

= + + （17）

= + + （18）

式中并聯(lián)總流量，m3/h。

通過以上公式計(jì)算，得出各個(gè)工況的詳細(xì)計(jì)算結(jié)果，見表1、表2。

4 總結(jié)

總的來看，中小鍋爐高電壓給水泵節(jié)能改造是可行的，它可以在降低改造費(fèi)用和保障運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)上取得良好的節(jié)能效果，但改造中應(yīng)針對(duì)改造系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，注意相關(guān)技術(shù)問題，采取相關(guān)對(duì)策以確保變頻改造的成功。

表1 變頻改造年節(jié)約資金統(tǒng)計(jì)表

參考文獻(xiàn)

[1] 張燕賓.變頻器功率因數(shù)問題[J].電氣時(shí)代，2005（3）：136-139.

[2] 呂志斗.面向高壓電動(dòng)機(jī)的高-低壓變頻調(diào)速集成裝置[P].中國專利：02274200.X，2003.endprint