高壓變頻器在電廠循環(huán)水泵上的應(yīng)用

1?前言

廣西信發(fā)鋁電有限公司氧化鋁廠和電解鋁廠屬于耗電大戶，需要大量的用電，如果僅用國(guó)家電網(wǎng)的電的話，一個(gè)是成本高，另一個(gè)時(shí)電力緊張時(shí)生產(chǎn)受到限制，另外電廠的二次蒸汽又是氧化鋁廠需要大量使用，所以鋁電基地一般都有自己的自備電廠。

公司電廠有3臺(tái)155MW發(fā)電機(jī)組（汽機(jī)），4臺(tái)520t/h 鍋爐（3用1備）。每一臺(tái)汽機(jī)都具有2臺(tái)循環(huán)水泵（甲、乙循環(huán)泵），整個(gè)電廠有6臺(tái)循環(huán)水泵。汽機(jī)正常情況下，甲、乙循環(huán)泵只開一臺(tái)，另一臺(tái)作為備用，循環(huán)水泵每3個(gè)月倒換一次。循環(huán)水泵電機(jī)有兩個(gè)抽頭，高速495rpm，功率1600kW；低速425rpm，功率1250kW/1120kW。調(diào)速辦法，夏季供水量大，使用電機(jī)高速；冬季供水量小時(shí)，使用電機(jī)低速。

在循環(huán)水系統(tǒng)中，是由循環(huán)水泵實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用的，凝汽器出口的熱水進(jìn)入冷卻水塔，循環(huán)水的熱量傳遞給大氣溫度降低后，再經(jīng)循環(huán)水泵提升有壓力后進(jìn)入凝汽器進(jìn)行冷卻低壓缸排汽，由于系統(tǒng)水位基本是穩(wěn)定的，故循環(huán)水泵的揚(yáng)程也基本穩(wěn)定，也就是說(shuō)循環(huán)水量的大小決定了循環(huán)水泵的耗電量。

由于機(jī)組負(fù)荷及外部環(huán)境不斷變化，真空也在不斷變化，因此需要及時(shí)調(diào)整循環(huán)水量，保證機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在冬季正常運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)循環(huán)水泵低速運(yùn)行足以滿足機(jī)組的冷卻需要，但在溫差大的季節(jié)、負(fù)荷變化大以及春、秋季等的時(shí)候，循環(huán)水泵雖然高、低速雙速調(diào)節(jié)方式，但是不能保證機(jī)組在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方式下運(yùn)行，致使廠用電率高，發(fā)電成本高，因此有必要對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行變頻改造。

利用高壓變頻器根據(jù)實(shí)際需要對(duì)循環(huán)水泵電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)水泵的冷卻水量大小，既可以降低電動(dòng)機(jī)的功耗，又達(dá)到較有利真空的控制目的，從而達(dá)到了既保證和改善發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況，又可達(dá)到節(jié)能降耗的目的和效果。

為了降低廠用電率，減少發(fā)電成本，公司電廠領(lǐng)導(dǎo)決定在1#、2#、3#發(fā)電機(jī)組6臺(tái)循環(huán)水泵上采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的3套1600kW /6 kV高壓變頻器對(duì)3臺(tái)發(fā)電機(jī)組循環(huán)水泵分別進(jìn)行改造。

2 改造設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)

1#、2#機(jī)組4臺(tái)循環(huán)水泵型號(hào)相同，以1#機(jī)組甲循環(huán)水泵為例說(shuō)明。

3#機(jī)組甲、乙循環(huán)水泵型號(hào)相同，以3#甲循環(huán)水泵為例說(shuō)明。

3 風(fēng)光JD-BP37系列高壓變頻系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

山東新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無(wú)速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)小于IEE519-1992的諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機(jī)。

JD-BP37-1600F高壓變頻器技術(shù)參數(shù)如表3所示。

4 循環(huán)水泵變頻控制原理

由汽輪機(jī)的運(yùn)行原理可以知道，運(yùn)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，冷卻水溫主要取決于自然條件，因此，在蒸汽負(fù)荷一定的情況下就只有靠增加冷卻水量來(lái)提高凝汽器的真空。但是凝汽器的真空并不是提高的越高越好，只有當(dāng)由于真空提高汽輪機(jī)多發(fā)電量與為增加循環(huán)水量所多消耗電量差值最大時(shí)為最經(jīng)濟(jì)。當(dāng)變頻循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)，由機(jī)組DCS系統(tǒng)確定機(jī)組的較佳真空去調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，即控制循環(huán)水量使機(jī)組的真空維持治安較佳狀態(tài)下運(yùn)行，保證機(jī)組在經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下運(yùn)行。

5變頻改造控制方案

5.1方案介紹

變頻調(diào)速系統(tǒng)操作方面，有遠(yuǎn)程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統(tǒng)的安全性能。通過(guò)目前電廠已有的DCS對(duì)高壓變頻器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)遠(yuǎn)控和本地對(duì)變頻器進(jìn)行控制。

為了保證發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行，在變頻運(yùn)行工作模式下，變頻器、水泵發(fā)生故障跳開高壓斷路器時(shí)，需要將備用的循環(huán)水泵自動(dòng)投入運(yùn)行。

變頻調(diào)速系統(tǒng)接入發(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(duì)鍋爐循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制。變頻器需要提供給DCS的開關(guān)量輸出包括故障報(bào)警、就緒指示、運(yùn)行指示、高壓合閘允許、聯(lián)跳高壓信號(hào)、水泵旁路開關(guān)合閘信號(hào)、變頻KM1合閘信號(hào)；DCS需要提供給變頻器的開關(guān)量包括：變頻啟動(dòng)（干節(jié)點(diǎn)，閉合時(shí)有效）、變頻停止（干節(jié)點(diǎn)，閉合時(shí)有效）、變頻急停（干節(jié)點(diǎn)，閉合時(shí)有效）；DCS需要提供給變頻器的模擬量有：2路4～20mA的電流源輸出，一個(gè)信號(hào)是循環(huán)水泵頻率給定，作為變頻器的轉(zhuǎn)速給定值，另一個(gè)信號(hào)是循環(huán)水泵母管壓力給定；用于變頻器需要提供給DCS的模擬量有：2路4～20mA的電流源輸出，模擬輸出對(duì)應(yīng)的物理量為輸出頻率和輸出電流；現(xiàn)場(chǎng)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。

變頻器具有手動(dòng)/自動(dòng)控制方式。選擇手動(dòng)控制方式時(shí)，變頻器調(diào)速不通過(guò)PID控制器，由本地和遠(yuǎn)控調(diào)速按鈕進(jìn)行調(diào)速，從而改變水泵的流量，達(dá)到手動(dòng)調(diào)節(jié)凝汽器真空的目的。選擇自動(dòng)控制方式時(shí)，通過(guò)循環(huán)水泵調(diào)速由操作人員通過(guò)DCS系統(tǒng)的CRT上的模擬操作器，設(shè)置凝汽器真空給定值，安裝在凝汽器上的真空變送器其測(cè)量值作為過(guò)程控制變量的反饋值，與給定值進(jìn)行比較。當(dāng)真空變送器測(cè)量值小于給定值時(shí)，PID控制器的輸出使變頻器速度增大，水泵流量增大冷卻加速。反之，PID控制器的輸出使變頻器速度減小，水泵流量減少冷卻減速，直到測(cè)量值與給定值相等時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某一值不變。實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制，從而達(dá)到水泵調(diào)節(jié)的目的。

5.2現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)信號(hào)對(duì)接

1#、2#、3#循環(huán)水泵由于距離高壓斷路器太遠(yuǎn)，而且經(jīng)過(guò)的地方全部是水泥路面，所以無(wú)法直接鋪設(shè)高壓變頻器與現(xiàn)場(chǎng)高壓斷路器的聯(lián)鎖控制信號(hào)線。

高壓斷路器與高壓變頻器的聯(lián)鎖信號(hào)有3個(gè)，第一個(gè)高壓合閘位信號(hào)（即斷路器常開輔助），第二個(gè)高壓允許合閘信號(hào)（指工、變頻高壓允許合閘信號(hào)，即工、變頻回路未具備合閘條件，不允許合高壓斷路器），第三個(gè)聯(lián)跳高壓開關(guān)信號(hào)（當(dāng)變頻器出現(xiàn)重故障，無(wú)法正常運(yùn)行，或設(shè)備出現(xiàn)緊急情況需要急停時(shí)，分開斷路器，保護(hù)變頻器和設(shè)備）。為了達(dá)到二者聯(lián)鎖控制的要求，我們決定通過(guò)DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行中轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)到相同的控制目的。

第一個(gè)信號(hào)：DCS采集到斷路器的合閘位信號(hào)經(jīng)過(guò)DCS處理以后，傳輸?shù)礁邏鹤冾l器。以甲循環(huán)泵高壓合閘位信號(hào)采集過(guò)程為例說(shuō)明，若高壓合閘位接線如圖1（a）所示，這中間存在一個(gè)問(wèn)題。DCS輸出的干接點(diǎn)信號(hào)是不允許220VAC進(jìn)入的，否則容易燒毀DCS的模塊卡件，我們做了一個(gè)處理加了一個(gè)24VDC中間繼電器進(jìn)行隔離。如圖1（b）所示。這樣做把220VAC隔離出來(lái)不進(jìn)入DCS系統(tǒng)，又實(shí)現(xiàn)了功能。

第二個(gè)信號(hào)：高壓允許合閘信號(hào)，J4為甲循環(huán)泵變頻回路允許合閘繼電器常開觸點(diǎn)（PLC輸出，允許常閉，不允許常開，干接點(diǎn)），與工頻回路QS13高壓隔離開關(guān)輔助觸點(diǎn)并聯(lián)，為QF1合閘允許線圈得電條件，接入DCS，經(jīng)過(guò)DCS中轉(zhuǎn)后，控制QF1合閘允許線圈是否得電。接線如圖2（a）所示。同理，乙循環(huán)泵高壓允許合閘信號(hào)接線與甲循環(huán)泵一樣，接線如圖2（b）所示。

第三個(gè)信號(hào)：聯(lián)跳高壓開關(guān)信號(hào)，J3為甲循環(huán)泵聯(lián)跳高壓動(dòng)作繼電器常開觸點(diǎn)（聯(lián)跳動(dòng)作常閉，不聯(lián)跳常開，干接點(diǎn)），屬于PLC輸出，與QS11、QS12輔助常開觸點(diǎn)串聯(lián)后，直接與DCS對(duì)接，DCS采集到動(dòng)作信號(hào)后，實(shí)現(xiàn)高壓斷路器分閘動(dòng)作邏輯，保護(hù)高壓變頻器，接線如圖3（a）所示。同理，乙循環(huán)泵聯(lián)跳高壓開關(guān)信號(hào)接線與甲循環(huán)泵一樣，具體接線如圖3（b）所示。

6 變頻改造主回路介紹

電廠循環(huán)水泵系統(tǒng)變頻改造采用1#、2#、3#機(jī)組的2臺(tái)循環(huán)水泵分別共用一套高壓變頻器。高壓變頻器采用一拖二手動(dòng)旁路方案，即配備三臺(tái)高壓變頻器。

6.1變頻改造主回路控制原理

以1#機(jī)組甲、乙循環(huán)水泵為例說(shuō)明其控制過(guò)程，其一次系統(tǒng)接線圖路如圖4所示，通過(guò)切換高壓隔離開關(guān)把高壓變頻器連接到要運(yùn)行的水泵上去。高壓變頻器即可以拖動(dòng)甲循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行，也可以通過(guò)切換拖動(dòng)乙循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行。兩臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)均具備工頻旁路功能。

QF1和QF2分別為1#機(jī)組甲、乙循環(huán)水泵電源高壓斷路器；

QS11和QS21分別為1#機(jī)組甲、乙循環(huán)水泵變頻電源高壓隔離開關(guān)；

QS12、QS22、QS13、QS23為變頻器旁路開關(guān)柜高壓隔離開關(guān)；

變頻器為風(fēng)光JD-BP37系列高壓變頻器。

變頻器控制電機(jī)為一拖二控制，旁路開關(guān)柜用于工/變頻切換。QS11和QS21為2個(gè)高壓隔離開關(guān)，變頻器運(yùn)行時(shí)，要求QS11和QS21同時(shí)閉合。QS12閉合，QS22斷開，QS13斷開，甲循環(huán)水泵變頻運(yùn)行；QS12斷開，QS13閉合，甲循環(huán)水泵工頻運(yùn)行；QS22閉合，QS12斷開，QS23斷開，乙循環(huán)水泵變頻運(yùn)行；QS22斷開，QS23閉合，乙循環(huán)水泵工頻運(yùn)行；其中，QS12與Q13、QS22實(shí)現(xiàn)電氣互鎖，QS22與Q23、QS12實(shí)現(xiàn)電氣互鎖；將控制柜“遠(yuǎn)控/本控”開關(guān)打至“遠(yuǎn)控”位置，將相應(yīng)水泵斷路器“就地/遠(yuǎn)方”開關(guān)打至“遠(yuǎn)方”位置，可實(shí)現(xiàn)水泵的遠(yuǎn)控操作。

6.2水泵變頻運(yùn)行故障時(shí)控制過(guò)程

以1#機(jī)組甲、乙循環(huán)水泵為例說(shuō)明其控制過(guò)程，當(dāng)甲循環(huán)泵變頻運(yùn)行時(shí)，乙循環(huán)泵處于工頻熱備狀態(tài)。如圖5所示，QF1、QS11、KM1、QS12、QS23均為閉合狀態(tài)，當(dāng)甲循環(huán)泵出現(xiàn)故障（變頻故障、電機(jī)故障），聯(lián)跳前級(jí)的QF1高壓斷路器，同時(shí)控制QF2高壓斷路器自動(dòng)合閘，乙循環(huán)泵投入工頻運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)甲、乙循環(huán)泵的聯(lián)鎖保護(hù)，同時(shí)，水泵電磁閥門的控制邏輯按照相應(yīng)的操作規(guī)程進(jìn)行配合操作。反之，當(dāng)乙循環(huán)泵變頻運(yùn)行時(shí)，甲循環(huán)泵處于工頻熱備狀態(tài)。當(dāng)乙循環(huán)泵出現(xiàn)故障時(shí)，切換過(guò)程與上述過(guò)程同理。

7循環(huán)水泵變頻改造應(yīng)用效果

1#、2#、3#機(jī)組循環(huán)水泵高壓變頻器于2011年6月一次正式投入使用，至今運(yùn)行正常。變頻運(yùn)行后，由機(jī)組DCS系統(tǒng)確定機(jī)組的較佳真空去控制循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速，變頻器操作非常方便，深受現(xiàn)場(chǎng)操作工的歡迎。

2011年7月廠節(jié)能服務(wù)中心隨機(jī)對(duì)1#機(jī)組甲、乙循環(huán)水泵高壓變頻器進(jìn)行了測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)如表4所。

2010年7月與2011年7月相比，1#機(jī)組平均負(fù)荷基本為118MW左右，循環(huán)水泵工頻運(yùn)行數(shù)據(jù)為：電網(wǎng)電壓6.2kV，電機(jī)電流163A左右，功率因數(shù)0.82，管道壓力0.2MPa，機(jī)組平均真空度為90.5%左右。從運(yùn)行數(shù)據(jù)看出，1#機(jī)組變頻改造后，輸入電流明顯減小，機(jī)組真空度得到了提高，節(jié)電效果是明顯的。

7.1節(jié)約標(biāo)煤

2010年7月真空度：90.5%，對(duì)應(yīng)排汽溫度查表得44℃；2011年7月真空度：92.8%，對(duì)應(yīng)排汽溫度查表得41℃。2011年與2010年同期比較，變頻泵啟動(dòng)后排汽溫度下降3℃，真空度每提高1%，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤耗3.1g/kW·h。所以2011年7月較2010年7月真空度提高2.3%，節(jié)約煤7.13g/kW·h，全月發(fā)電量8781.6萬(wàn)kW·h，因此節(jié)約煤：87816000×7.13/1000000×560元/t標(biāo)煤 =35.06萬(wàn)元。

7.2節(jié)電

變頻泵自投運(yùn)以來(lái)，據(jù)統(tǒng)計(jì)月平均耗電，比運(yùn)行一臺(tái)工頻泵節(jié)省廠用電26.8萬(wàn)kW·h。節(jié)省費(fèi)用：26.8萬(wàn)kW·h×0.2元/kW·h=5.36萬(wàn)元。

綜上，月平均產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益：35.06+5.36=40.42萬(wàn)元。

自循環(huán)水泵高壓變頻器投運(yùn)以來(lái)，循環(huán)水系統(tǒng)可調(diào)節(jié)性能大大增強(qiáng)。不但節(jié)約了電能，降低了循環(huán)用水量，而且降低了發(fā)電煤耗，取得了較好的綜合效益。

8 結(jié)束語(yǔ)

在電力行業(yè)，越來(lái)越多的高壓大功率輔機(jī)設(shè)備采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行調(diào)速控制，不僅可以取得顯著的綜合效益，而且也得到國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的支持，是電廠節(jié)能降耗的一個(gè)有效的途徑，代表了今后電力行業(yè)節(jié)能技改的方向。

審核編輯：湯梓紅