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1引言

齊星集團(tuán)有限公司始建于1995年2月，是一家以鋁產(chǎn)品深加工為主業(yè)，并涉及電力通訊鐵塔、新材料、金融、地產(chǎn)等領(lǐng)域的大型民營企業(yè)。集團(tuán)現(xiàn)有總資產(chǎn)115億余元，職工12000余人，2012年實(shí)現(xiàn)銷售收入154億元。

鄒平齊星開發(fā)區(qū)熱電有限公司是齊星集團(tuán)有限公司下屬企業(yè)之一。6號(hào)機(jī)（155MW）配備2臺(tái)凝結(jié)水泵，由定速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。運(yùn)行方式為一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。采用凝結(jié)泵定速運(yùn)行，系統(tǒng)存在以下問題：
（1）閥門調(diào)整節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率低。
（2）當(dāng)流量降低閥位開度減小時(shí)，調(diào)整閥前后壓差增加，工作安全特性變壞，壓力損失嚴(yán)重。
（3）長期40％～65％低閥門開度，加速閥體自身磨損，導(dǎo)致閥門控制特性變差。
（4）管網(wǎng)壓力過高威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致閥門泄漏，不能關(guān)嚴(yán)等情況發(fā)生。
（5）設(shè)備使用壽命短、日常維護(hù)量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費(fèi)。
　　解決上述問題的重要手段之一是采用變頻調(diào)速控制技術(shù)，利用高壓變頻器對(duì)凝結(jié)泵電機(jī)進(jìn)行變頻控制，實(shí)現(xiàn)供除氧器水流量的變負(fù)荷調(diào)節(jié)。這樣不僅解決了控制閥調(diào)節(jié)線性度差、純滯延大等難以控制的缺點(diǎn)，而且提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，節(jié)約能源，為降低廠用電率提供了良好的途徑。齊星開發(fā)區(qū)熱電公司領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過多方考察，比較性價(jià)比，決定選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-400F高壓變頻器2套對(duì)凝結(jié)水泵進(jìn)行改造，改造取得了成功。凝結(jié)水泵機(jī)組參數(shù)如表1所示。

2變頻調(diào)速節(jié)能理論依據(jù)

當(dāng)頻率從50Hz降至40Hz時(shí)，可節(jié)約能耗近一半。
　　更直觀的水泵工作曲線圖見圖1：水泵的正常工作點(diǎn)為A，當(dāng)水量需要從Q1調(diào)到Q2時(shí)，采用閥門調(diào)節(jié)，管網(wǎng)特性曲線由R1（閥門全開）改變?yōu)镽2（閥門關(guān)?。?，其工作點(diǎn)調(diào)至B點(diǎn)，其功率為OQ2BH2’所圍成的面積，其功率變化很小，而其效率卻隨之降低。當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，可以按需要升降電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變設(shè)備的性能曲線，圖中從n1（額定轉(zhuǎn)速）到n2（轉(zhuǎn)速下降）,其工作點(diǎn)調(diào)至C點(diǎn)，使其參數(shù)滿足工藝要求，其功率為OQ2CH2所圍成的面積，同時(shí)其效率曲線也隨之平移，依然工作在高效區(qū)。圖中陰影部分為實(shí)際節(jié)約能耗。

 
圖1 水泵工作曲線圖

如果在管網(wǎng)特性不變的系統(tǒng)中進(jìn)行水泵調(diào)速，并且對(duì)水壓沒有要求，這種情況下節(jié)能效益要更明顯。
3風(fēng)光JD-BP37系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)介紹

風(fēng)光牌JD-BP37列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術(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IEEE519-1992的諧波標(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、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機(jī)。齊星開發(fā)區(qū)熱電公司6號(hào)機(jī)組凝結(jié)水泵變頻改造選用的新風(fēng)光生產(chǎn)的JD-BP37-400F（400kW/6kV）高壓變頻器。
3.1總體結(jié)構(gòu)
采用直接高壓變頻電路結(jié)構(gòu)，功率單元多重化連接，直接輸出到高壓電機(jī)，提供驅(qū)動(dòng)電壓。從物理結(jié)構(gòu)上分為控制柜，功率柜，變壓器柜三大部分，根據(jù)現(xiàn)場工藝要求還可選配旁路柜、上位機(jī)、遠(yuǎn)控盒，產(chǎn)品外形如圖2所示。

 
圖2 高壓變頻器外形

3.2控制柜

變頻控制柜主要有主控(CPU)、UPS、PLC、人機(jī)界面、控制電源開關(guān)、開關(guān)電源、繼電器、避雷器、信號(hào)隔離器、接線端子，柜門操作按鈕等部分構(gòu)成，控制柜主要構(gòu)成部分介紹如下。
（1）主控系統(tǒng)
主控系統(tǒng)為變頻器的核心，它接收和處理來自上位控制及PLC的控制命令，產(chǎn)生每相各級(jí)功率單元的控制信號(hào)，同時(shí)采集和處理所有故障單元反饋回來的故障信息。新風(fēng)光JD-BP37系列變頻器采用高性能的主控系統(tǒng)，控制器采用32位DSP，運(yùn)行速度可以達(dá)到150MIPS，足夠完成一些較復(fù)雜的控制算法。同時(shí)其有6路獨(dú)立的PWM輸出、2個(gè)異步串行通訊口、16通道12位AD輸入，內(nèi)置了36k的RAM和256k的Flash存儲(chǔ)器，可以存放較大規(guī)模的程序。線路板采用大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。
（2）不間斷電源UPS
UPS不間斷電源，安裝在控制柜的底部，屬于純在線式，當(dāng)外部提供的控制電源220VAC正常時(shí)，UPS提供給控制系統(tǒng)穩(wěn)定的220V電源，當(dāng)外部電源掉電時(shí)，利用設(shè)計(jì)的電源冗余系統(tǒng)，相應(yīng)的控制電繼電器動(dòng)作，轉(zhuǎn)到變壓器的二次繞組220V繼續(xù)提供控制電源，UPS不間斷工作，提供穩(wěn)定的電源。只有當(dāng)控制電和高壓電同時(shí)掉電后，UPS利用自身的電池可繼續(xù)給系統(tǒng)供電30 min，同時(shí)變頻器給出報(bào)警信號(hào)，用戶應(yīng)盡快恢復(fù)控制電源。
（3）內(nèi)置PLC
變頻器通過內(nèi)置PLC實(shí)現(xiàn)內(nèi)部開關(guān)信號(hào)以及現(xiàn)場操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的邏輯處理，增強(qiáng)了變頻器現(xiàn)場應(yīng)用的靈活性。對(duì)開關(guān)量的數(shù)量不能滿足要求時(shí)，可以用數(shù)字量擴(kuò)展模塊來實(shí)現(xiàn)。PLC作為一種技術(shù)成熟的工業(yè)控制元件，為變頻器的現(xiàn)場應(yīng)用提供靈活的接口和可靠性保證。
高壓變頻器的控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)接口如圖3所示。

 
圖3 高壓變頻器的控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)接口圖

3.3 功率柜
     功率柜主要用于安裝功率單元，實(shí)現(xiàn)單元的串聯(lián)疊加三相輸出。功率單元是使用功率電力電子器件進(jìn)行整流、濾波、逆變的高壓變頻器部件，也是構(gòu)成高壓變頻器主回路的主要部分。每個(gè)功率單元都相當(dāng)于一臺(tái)交-直-交電壓型單相低壓變頻器。每個(gè)功率單元由H橋構(gòu)成，輸出一組SPWM波，每相5個(gè)單元，通過疊加輸出一組11個(gè)電平的正弦波；同一相中的每個(gè)功率單元的采樣頻率一致，用同一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)制，載波相差1/N個(gè)采樣周期。
當(dāng)功率單元出現(xiàn)過流、過壓故障時(shí)，變頻器立即封鎖該單元的輸出，通過軟件控制，使功率單元輸出電流可以經(jīng)全橋逆變電路上橋臂，或者下橋臂形成電流回路實(shí)現(xiàn)將該單元旁路。
功率柜頂部配置冷卻風(fēng)機(jī)，選擇德國EBM風(fēng)機(jī)，由移相變壓器二次檢測繞組220V供電，通過斷路器由PLC控制功率柜風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、停止，當(dāng)變頻器啟動(dòng)頻率運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。
3.4 變壓器柜

變壓器柜主要由移相變壓器、溫控儀、冷卻風(fēng)機(jī)等部件構(gòu)成。
    移相變壓器的原理：將高壓電源變換為副邊相互絕緣的多組低壓，各副邊繞組在繞制時(shí)采用延邊三角形的接法，相互之間有一定的相位差。移相變壓器示意圖如圖4所示。

 
圖4 移相變壓器示意圖

4凝結(jié)水泵高壓變頻改造技術(shù)要求及方案
4.1 改造控制要求

凝結(jié)水泵變頻改造要在保證除氧器水位調(diào)節(jié)品質(zhì)不變，并可以在水泵跳閘、低水壓等特殊工況發(fā)生時(shí)保證機(jī)組正常運(yùn)行前提下進(jìn)行變頻改造。改造利用現(xiàn)有的設(shè)備與系統(tǒng)，原來水位調(diào)節(jié)閥全開以減小節(jié)流損失，當(dāng)高壓變頻器跳閘后，當(dāng)前水泵可以工頻方式立即啟動(dòng)，將凝結(jié)水打至出口母管，調(diào)整除氧器上水調(diào)節(jié)閥的開度在較短時(shí)間內(nèi)迅速關(guān)到指定位置，最低程度減小系統(tǒng)擾動(dòng)，維持除氧器水位在正常范圍內(nèi)。亦可以變頻快速啟動(dòng)備用水泵，將凝結(jié)水打至出口母管，以保證在變頻器跳閘時(shí)除氧器水位的穩(wěn)定，保證機(jī)組運(yùn)行。
4.2凝結(jié)泵變頻控制方案

高壓變頻器受DCS控制時(shí)分自動(dòng)、手動(dòng)兩種方式。手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，運(yùn)行人員根據(jù)除氧器水位高低通過DCS改變轉(zhuǎn)速信號(hào)控制變頻器轉(zhuǎn)速。自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)DCS內(nèi)部設(shè)定的除氧器水位定值自動(dòng)控制變頻器轉(zhuǎn)速。
通過目前熱電公司已有的DCS系統(tǒng)調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速來控制除氧器水位。利用DCS對(duì)變頻器進(jìn)行啟動(dòng)、停機(jī)、調(diào)速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻器運(yùn)行。
      為了保證機(jī)組的可靠性，變頻器裝置具有工頻自動(dòng)旁路裝置，當(dāng)變頻器發(fā)生故障停止運(yùn)行時(shí)，電機(jī)自動(dòng)切換到工頻下運(yùn)行，這樣可以保證機(jī)組正常運(yùn)行，提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。
       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。
變頻方式下凝結(jié)水泵的控制方式具體如下：
（1）保留原來的閥門調(diào)節(jié)方式，凝結(jié)水泵在變頻方式運(yùn)行時(shí)，閥門基本全開，通過變頻器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速以滿足調(diào)節(jié)除氧器水位需求。
（2）凝結(jié)水泵在工頻方式運(yùn)行時(shí)，利用原有的除氧器水位調(diào)節(jié)方式。
4.3 系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)
     齊星開發(fā)區(qū)熱電公司6號(hào)機(jī)（155MW）凝結(jié)水泵采用2套JD-BP37-400F高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速控制。系統(tǒng)主回路如圖5所示。

 
圖5  6號(hào)機(jī)組凝結(jié)水泵旁路柜原理圖

原來6號(hào)機(jī)組2臺(tái)凝結(jié)水泵全部采用工頻運(yùn)行，對(duì)2臺(tái)凝結(jié)水泵增設(shè)變頻調(diào)速裝置，采用一拖一加自動(dòng)旁路的方式。當(dāng)變頻器故障或檢修，可選擇自動(dòng)或手動(dòng)方式切換至工頻運(yùn)行。也可以變頻啟動(dòng)備用凝結(jié)水泵投入運(yùn)行。

主回路如圖5所示，控制具體介紹如下，旁路柜在變頻器進(jìn)、出線端增加了兩個(gè)隔離刀閘，以便在變頻器退出而電機(jī)運(yùn)行于旁路時(shí)，能安全地進(jìn)行變頻器的故障處理或維護(hù)工作。

旁路柜主要配置：三個(gè)真空接觸器（KM1、KM2、KM3）和兩個(gè)刀閘隔離開關(guān)K1、K2。KM2與KM3實(shí)現(xiàn)電氣互鎖，當(dāng)KM1、KM2閉合，KM3斷開時(shí)，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)KM1、KM2斷開，KM3閉合時(shí)，電機(jī)工頻運(yùn)行。另外，KM1閉合時(shí)，K1操作手柄被鎖死，不能操作；KM2閉合時(shí)，K2操作手柄被鎖死，不能操作。
電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，若需對(duì)變頻器進(jìn)行故障處理或維護(hù)，切記在KM1、KM2分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘K1和K2斷開。

合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號(hào)串聯(lián)于KM1、KM2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時(shí)，真空接觸器KM1、KM2合閘不允許；在KM1、KM2合閘狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障，則“合閘允許”斷開，KM1、KM2跳閘，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入電源。

如變頻器發(fā)生隱患，變頻器發(fā)送“變頻器報(bào)警”信號(hào)至DCS，此時(shí)變頻器繼續(xù)運(yùn)行，檢修人員可到本地根據(jù)變頻器報(bào)警信號(hào)的信息排除隱患。
4.4凝結(jié)水泵變頻改造的難點(diǎn)

從機(jī)組運(yùn)行的安全性和系統(tǒng)的運(yùn)行方式上考慮，凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行存在以下問題需解決：
（1）凝結(jié)水泵出口壓力低的聯(lián)鎖需要作適當(dāng)變動(dòng)。由于變頻運(yùn)行時(shí)（機(jī)組低負(fù)荷時(shí)）泵的轉(zhuǎn)速較低，原凝結(jié)水泵出口壓力低的聯(lián)鎖定值不再合適。給水泵密封水壓力及各種采用凝結(jié)水作為冷卻水的系統(tǒng)，都有壓力下降的可能，既要通過變頻調(diào)速保證除氧器水位，同時(shí)又要保證凝結(jié)水壓力，確保這些系統(tǒng)可靠運(yùn)行?？梢酝ㄟ^設(shè)置變頻器運(yùn)行下限頻率及控制除氧器上水調(diào)節(jié)閥輔助調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行控制。
（2）除氧器水位調(diào)節(jié)。凝結(jié)水泵在工頻運(yùn)行時(shí)通過調(diào)節(jié)除氧器上水調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位，在變頻運(yùn)行時(shí)通過調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速控制除氧器水位，凝結(jié)水泵在變頻運(yùn)行中跳閘將切換為工頻運(yùn)行時(shí)，要保證兩種控制方式間無擾切換，上水調(diào)節(jié)閥要以最快速度關(guān)到一定開度，要根據(jù)當(dāng)時(shí)負(fù)荷和除氧器水位需要，保證除氧器不發(fā)生滿水或缺水。這需要根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)來滿足機(jī)組正常運(yùn)行。
5凝泵變頻器改造后運(yùn)行效果
5.1節(jié)能效果

2013年8月22日，凝結(jié)水泵變頻器改造完成并順利投入運(yùn)行。設(shè)備自投運(yùn)以來安全穩(wěn)定運(yùn)行，節(jié)電效果十分明顯。為了對(duì)比凝結(jié)水泵變頻改造前后的節(jié)能情況，對(duì)6號(hào)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

以6號(hào)機(jī)全年運(yùn)行時(shí)間7800h計(jì)算，工頻年耗電量為：
W_工頻=362.2kW×7800h×5%+368.4 kW×7800h×95%=141258 kW?h +2729844 kW?h =2871102 kW?h
凝結(jié)水泵變頻改造后，變頻年耗電量計(jì)算如下：
W_變頻=151.2kW×7800h×5%+169.6 kW×7800h×10%+
201.5 kW×7800h×35%+235.4kW×7800h×40%+312.3 kW×7800h×10%=1719393 kW?h
W_節(jié)約＝W_工頻- W_變頻=2871102 kW?h-1719393 kW?h=1151709 kW?h
以該廠供電價(jià)0.5元/ kW·h 計(jì)算，凝結(jié)水泵變頻改造后，年節(jié)約電費(fèi)為：
1151709 kW?h×0.5元/ kW·h =575854.5元。
5.2其他效果
（1）變頻調(diào)速解決了啟動(dòng)時(shí)大電流對(duì)電機(jī)的沖擊，延長了電機(jī)的使用壽命。
（2）提高了凝結(jié)水泵的運(yùn)行可靠性，延長了水泵的壽命。采用變頻調(diào)速后，減小對(duì)管網(wǎng)和水泵的沖擊，延長泵體壽命和減小管網(wǎng)及附件的損耗。
（3）改善了運(yùn)行環(huán)境。變頻調(diào)節(jié)時(shí)，由于小流量時(shí)的轉(zhuǎn)速低，這就降低了泵及系統(tǒng)的噪聲，深受現(xiàn)場工人的歡迎。
6結(jié)束語

通過對(duì)齊星開發(fā)區(qū)熱電公司6號(hào)機(jī)組凝結(jié)水泵變頻改造后運(yùn)行表明，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，節(jié)電效果明顯。在發(fā)電企業(yè)主輔機(jī)設(shè)備中，采用變頻技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。在該熱電公司隨后1#～5#機(jī)組輔機(jī)變頻改造中，也采用山東新風(fēng)光生產(chǎn)的高壓變頻設(shè)備。