高壓變頻器在電廠循環(huán)水泵上的應用

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，如果僅用國家電網(wǎng)的電的話，一個是成本高，另一個時電力緊張時生產(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155MW發(fā)電機組（汽機），4臺520t/h 鍋爐（3用1備）。每一臺汽機都具有2臺循環(huán)水泵（甲、乙循環(huán)泵），整個電廠有6臺循環(huán)水泵。汽機正常情況下，甲、乙循環(huán)泵只開一臺，另一臺作為備用，循環(huán)水泵每3個月倒換一次。循環(huán)水泵電機有兩個抽頭，高速495rpm，功率1600kW；低速425rpm，功率1250kW/1120kW。調(diào)速辦法，夏季供水量大，使用電機高速；冬季供水量小時，使用電機低速。

在循環(huán)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，凝汽器出口的熱水進入冷卻水塔，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入凝汽器進行冷卻低壓缸排汽，由于系統(tǒng)水位基本是穩(wěn)定的，故循環(huán)水泵的揚程也基本穩(wěn)定，也就是說循環(huán)水量的大小決定了循環(huán)水泵的耗電量。

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

利用高壓變頻器根據(jù)實際需要對循環(huán)水泵電機進行調(diào)速，進而調(diào)節(jié)水泵的冷卻水量大小，既可以降低電動機的功耗，又達到較有利真空的控制目的，從而達到了既保證和改善發(fā)電機組運行工況，又可達到節(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)導決定在1#、2#、3#發(fā)電機組6臺循環(huán)水泵上采用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的3套1600kW /6 kV高壓變頻器對3臺發(fā)電機組循環(huán)水泵分別進行改造。

2 改造設(shè)備現(xiàn)場參數(shù)

1#、2#機組4臺循環(huán)水泵型號相同，以1#機組甲循環(huán)水泵為例說明。

3#機組甲、乙循環(huán)水泵型號相同，以3#甲循環(huán)水泵為例說明。

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

山東新風光電子公司生產(chǎn)的風光牌JD-BP37系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，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，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)補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。

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

由汽輪機的運行原理可以知道，運行中的凝汽器壓力主要取決于蒸汽負荷、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，在蒸汽負荷一定的情況下就只有靠增加冷卻水量來提高凝汽器的真空。但是凝汽器的真空并不是提高的越高越好，只有當由于真空提高汽輪機多發(fā)電量與為增加循環(huán)水量所多消耗電量差值最大時為最經(jīng)濟。當變頻循環(huán)水泵運行時，由機組DCS系統(tǒng)確定機組的較佳真空去調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的運行轉(zhuǎn)速，即控制循環(huán)水量使機組的真空維持治安較佳狀態(tài)下運行，保證機組在經(jīng)濟狀態(tài)下運行。

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。通過目前電廠已有的DCS對高壓變頻器運行狀態(tài)進行監(jiān)控，通過遠控和本地對變頻器進行控制。

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

變頻調(diào)速系統(tǒng)接入發(fā)電機組現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)。DCS根據(jù)機組的負荷情況，按設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)對鍋爐循環(huán)水泵轉(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、就緒指示、運行指示、高壓合閘允許、聯(lián)跳高壓信號、水泵旁路開關(guān)合閘信號、變頻KM1合閘信號；DCS需要提供給變頻器的開關(guān)量包括：變頻啟動（干節(jié)點，閉合時有效）、變頻停止（干節(jié)點，閉合時有效）、變頻急停（干節(jié)點，閉合時有效）；DCS需要提供給變頻器的模擬量有：2路4～20mA的電流源輸出，一個信號是循環(huán)水泵頻率給定，作為變頻器的轉(zhuǎn)速給定值，另一個信號是循環(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，模擬輸出對應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。

變頻器具有手動/自動控制方式。選擇手動控制方式時，變頻器調(diào)速不通過PID控制器，由本地和遠控調(diào)速按鈕進行調(diào)速，從而改變水泵的流量，達到手動調(diào)節(jié)凝汽器真空的目的。選擇自動控制方式時，通過循環(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，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量值作為過程控制變量的反饋值，與給定值進行比較。當真空變送器測量值小于給定值時，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，直到測量值與給定值相等時，電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某一值不變。實現(xiàn)循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速的自動控制，從而達到水泵調(diào)節(jié)的目的。

5.2現(xiàn)場有關(guān)信號對接

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

高壓斷路器與高壓變頻器的聯(lián)鎖信號有3個，第一個高壓合閘位信號（即斷路器常開輔助），第二個高壓允許合閘信號（指工、變頻高壓允許合閘信號，即工、變頻回路未具備合閘條件，不允許合高壓斷路器），第三個聯(lián)跳高壓開關(guān)信號（當變頻器出現(xiàn)重故障，無法正常運行，或設(shè)備出現(xiàn)緊急情況需要急停時，分開斷路器，保護變頻器和設(shè)備）。為了達到二者聯(lián)鎖控制的要求，我們決定通過DCS控制系統(tǒng)進行中轉(zhuǎn)來達到相同的控制目的。

第一個信號：DCS采集到斷路器的合閘位信號經(jīng)過DCS處理以后，傳輸?shù)礁邏鹤冾l器。以甲循環(huán)泵高壓合閘位信號采集過程為例說明，若高壓合閘位接線如圖1（a）所示，這中間存在一個問題。DCS輸出的干接點信號是不允許220VAC進入的，否則容易燒毀DCS的模塊卡件，我們做了一個處理加了一個24VDC中間繼電器進行隔離。如圖1（b）所示。這樣做把220VAC隔離出來不進入DCS系統(tǒng)，又實現(xiàn)了功能。

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

第三個信號：聯(lián)跳高壓開關(guān)信號，J3為甲循環(huán)泵聯(lián)跳高壓動作繼電器常開觸點（聯(lián)跳動作常閉，不聯(lián)跳常開，干接點），屬于PLC輸出，與QS11、QS12輔助常開觸點串聯(lián)后，直接與DCS對接，DCS采集到動作信號后，實現(xiàn)高壓斷路器分閘動作邏輯，保護高壓變頻器，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#機組的2臺循環(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旁路方案，即配備三臺高壓變頻器。

6.1變頻改造主回路控制原理

以1#機組甲、乙循環(huán)水泵為例說明其控制過程，其一次系統(tǒng)接線圖路如圖4所示，通過切換高壓隔離開關(guān)把高壓變頻器連接到要運行的水泵上去。高壓變頻器即可以拖動甲循環(huán)水泵電動機變頻運行，也可以通過切換拖動乙循環(huán)水泵電動機變頻運行。兩臺水泵電動機均具備工頻旁路功能。

QF1和QF2分別為1#機組甲、乙循環(huán)水泵電源高壓斷路器；

QS11和QS21分別為1#機組甲、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)；

變頻器為風光JD-BP37系列高壓變頻器。

變頻器控制電機為一拖二控制，旁路開關(guān)柜用于工/變頻切換。QS11和QS21為2個高壓隔離開關(guān)，變頻器運行時，要求QS11和QS21同時閉合。QS12閉合，QS22斷開，QS13斷開，甲循環(huán)水泵變頻運行；QS12斷開，QS13閉合，甲循環(huán)水泵工頻運行；QS22閉合，QS12斷開，QS23斷開，乙循環(huán)水泵變頻運行；QS22斷開，QS23閉合，乙循環(huán)水泵工頻運行；其中，QS12與Q13、QS22實現(xiàn)電氣互鎖，QS22與Q23、QS12實現(xiàn)電氣互鎖；將控制柜“遠控/本控”開關(guān)打至“遠控”位置，將相應水泵斷路器“就地/遠方”開關(guān)打至“遠方”位置，可實現(xiàn)水泵的遠控操作。

6.2水泵變頻運行故障時控制過程

以1#機組甲、乙循環(huán)水泵為例說明其控制過程，當甲循環(huán)泵變頻運行時，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)，當甲循環(huán)泵出現(xiàn)故障（變頻故障、電機故障），聯(lián)跳前級的QF1高壓斷路器，同時控制QF2高壓斷路器自動合閘，乙循環(huán)泵投入工頻運行，實現(xiàn)甲、乙循環(huán)泵的聯(lián)鎖保護，同時，水泵電磁閥門的控制邏輯按照相應的操作規(guī)程進行配合操作。反之，當乙循環(huán)泵變頻運行時，甲循環(huán)泵處于工頻熱備狀態(tài)。當乙循環(huán)泵出現(xiàn)故障時，切換過程與上述過程同理。

7循環(huán)水泵變頻改造應用效果

1#、2#、3#機組循環(huán)水泵高壓變頻器于2011年6月一次正式投入使用，至今運行正常。變頻運行后，由機組DCS系統(tǒng)確定機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)場操作工的歡迎。

2011年7月廠節(jié)能服務中心隨機對1#機組甲、乙循環(huán)水泵高壓變頻器進行了測試，記錄數(shù)據(jù)如表4所。

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

7.1節(jié)約標煤

2010年7月真空度：90.5%，對應排汽溫度查表得44℃；2011年7月真空度：92.8%，對應排汽溫度查表得41℃。2011年與2010年同期比較，變頻泵啟動后排汽溫度下降3℃，真空度每提高1%，節(jié)約標準煤耗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kW·h，因此節(jié)約煤：87816000×7.13/1000000×560元/t標煤 =35.06萬元。

7.2節(jié)電

變頻泵自投運以來，據(jù)統(tǒng)計月平均耗電，比運行一臺工頻泵節(jié)省廠用電26.8萬kW·h。節(jié)省費用：26.8萬kW·h×0.2元/kW·h=5.36萬元。

綜上，月平均產(chǎn)生經(jīng)濟效益：35.06+5.36=40.42萬元。

自循環(huán)水泵高壓變頻器投運以來，循環(huán)水系統(tǒng)可調(diào)節(jié)性能大大增強。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

在電力行業(yè)，越來越多的高壓大功率輔機設(shè)備采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)進行調(diào)速控制，不僅可以取得顯著的綜合效益，而且也得到國家產(chǎn)業(yè)政策的支持，是電廠節(jié)能降耗的一個有效的途徑，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