变频装置在火电厂高压水泵电机节能中的应用

於立峰 沙建飞 孙佳和

浙江浙能兰溪发电有限责任公司

0 引言

随着电力行业改革的不断深化，厂网分开、竞价上网等政策的逐步实施，在节能减排越来越受到关注的今天，降低发电厂的厂用电率，以降低发电成本提高上网电力竞争力已成为各发电厂努力追求的经济目标。节电就意味着降低成本、提高利润，也意味着企业在激烈竞争的市场经济中先行一步。

在火力发电厂中，水泵电机是重要的厂用电负荷，约占厂用电的二分之一。目前，我国火电厂中的水泵大多数为定速驱动的，采用泵的出口阀门来调节流量，存在严重的节流损耗。尤其在机组变负荷运行时，由于水泵的运行偏离高效点，使电机运行效率降低，浪费了大量的电能。降低厂用电直接关系着发电厂的经济效益，而在厂用电负荷中，水泵的用电量约占厂用电的50%，这些设备都是长期连续运行和长时间处于低负荷及变负荷运行状态，其节能潜力巨大。本文结合浙江浙能兰溪发电有限责任公司（以下简称兰电公司）凝泵变频改造的案例，分析变频改造在高压水泵电机中的应用。

1 变频调速节能原理

火力发电厂中，厂用水泵电机均为异步电机，由电机学可知，异步电动机的转速与频率的关系如式（1）：

其中，n为电机转速，f为频率，P为电机极对数，s为异步电机转差率。

水泵是典型的变转矩负载，变转矩负载的特性是转矩随速度的上升而上升，水泵电机的轴功率与其流量、扬程之间的关系式如下：

由此可以得到水泵压力和流量的关系曲线见图1，电机功率与速度关系曲线见图2。

图1

图2

由公式（1）可知电动机的转速与电源频率f成正比，当改变电源频率时，即可改变电动机转速，实现调速的目的。由公式（2）可知，水泵电动机的轴动力（输出功率）与转速的3次方成正比。所以，改变转速可以降低电机的功率，达到节能的目的。

由于功率与转速的3次方成正比，理论上电机转速降低10%，功率即可下降约27%，有良好的节能效果。

2 电机变频节能的优点及可行性

目前，火力发电厂中的6 kV风机、水泵绝大部分电机都是异步电机，国内外经过长期的研究和探索，常用的异步电机的节能改造技术有变频改造、变极改造、永磁改造等。

变频改造通过加装高压变频器对水泵电机转速进行调速控制，这种方法需要增加变频设备。变频调速为无级调速，调速范围广，适用于各类交流电动机，节能效果好，变频调速与其它调速方案相比，具有以下优点：

1）电机输出转矩特性基本上保持了原来固有特性，转差率小，启动转矩大；

2）频率变化大，调节范围宽，且能实现无级调速以及可以方便实现自动化控制系统(如DCS系统等)的通讯；

3）可恒功率调速，也可恒转矩调速；

4）直接与DCS联系，可便于通过变频器内置的PID功能实现闭环控制。

以兰电公司为例，该公司每台机组配置2台容量为2 200 kW的凝结水泵，正常运行方式为1用1备，其调节方式采用凝结水母管调节阀门调节除氧器水位的方式。凝结水的流量与汽轮机的负荷有直接关系，由于凝结水泵采用定速运行，出口流量只能由控制阀门跟随机组负荷调节，节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低，存在较大的节能空间。

由于控制阀门为电动机械调整结构，线性度和调节品质差、自动投入率低，加之凝结水的长期冲蚀导致阀门使用寿命短，现场维护量大，造成各种资源的极大浪费。该公司于2009年对#4机凝结水泵进行了变频控制改造，通过实际论证凝泵变频控制的可行性，并于2011年5月实现了全厂凝结水泵的变频自动控制，以求取得效益最大化。

随着现代电力电子技术、自动控制技术和微电子技术的不断进步和控制手段的日趋完善，高压变频技术变得渐渐成熟，采用变频调速节能在技术上完全可行。同时，由于变频调速技术带来的巨大的节能效果和操作方便性，对水泵电机的变频改造也显得十分必要。

3 兰电公司凝泵变频系统的组成

3.1 一次系统的组成

兰电公司4台600 MW超临界机组在变频改造前，每台发电机组配有两台凝结水泵，正常发电时一台凝结水泵运行，一台凝结水泵热备用。一旦运行中的水泵发生故障，系统就会自动启动备用泵，从而保证系统的连续运行。

由于每台机组配置两台容量为2 200 kW的凝结水泵，正常运行方式为1用1备，因而设计变频改造时采用“一拖二”的方式，即两台凝结水泵电机共用一台变频器，平时一台泵变频运行，而另一台泵工频热备用。改造后，一段6 kV电源仍然供一台水泵，在原真空开关QF1和QF2后面加入凝结水泵1的变频器进出口闸刀QS1、QS2及旁路闸刀QS3和凝结水泵2的变频器进出口闸刀QS4、QS5及旁路闸刀QS6，两台泵共用一台变频器。其中QF1、QF2、凝泵电机M为现场原有设备。QS2和QS3之间、QS5和QS6之间存在完全机械互锁；QS1和QS4之间、QS2和QS5之间均存在电气闭锁和逻辑闭锁关系，防止变频器输出侧与6 kV电源侧短路等严重事故，一次系统接线见图3。

图3 兰电凝泵一次系统图

3.2 凝泵运行方式

由于是“一拖二”方式，因此，只能允许一台水泵变频运行。

1）A泵变频运行

QS1和QS2合闸，QS3分闸，QS4和QS5分闸，QS6合闸。此时合上QF1，变频器带A泵变频运行。B泵处于工频状态。当A泵运行到最大转速还未满足工况要求时，自动以工频方式启动B泵，调节凝泵阀门，系统稳定后，A泵可以转入调速运行；当A泵调速运行有故障时，可以通过故障信号自动将A泵以工频方式启动，调节凝泵阀门。

2）B泵变频运行

QS4和QS5合闸，QS6分闸，QS1和QS2分闸，QS3合闸，此时合上QF2，变频器带B泵变频运行；分开QF2，变频器停运，B泵停运。A泵处于工频状态。

3）工频运行或备用

QS3和QS6合闸，QS1和QS2、QS4和QS5分闸，此时变频器停运，A和B泵工频运行或备用。

3.3 变频改造后的保护配置

根据GB/T 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》要求，2 MW及以上的电动机，或2 MW以下，但电流速断保护灵敏系数不符合要求时，可装设纵联差动保护，纵联差动保护应防止在电动机自启动过程中误动作。

由于凝泵电机额定功率为2 200 kW，在工频运行时应当配置差动保护，保障电机的安全运行。然而，变频改造后，电机变频运行情况下，经过长期的现场运行经验，转速在额定转速的70%～90%，以最大的可能转速1 350 r/min考虑，由公式（2）可知电机的输出功率为额定功率的75%左右，输出功率为1 650 kW，小于2 000 kW，因此，在变频运行方式下，凝泵电机可不配置差动保护。因此，采用工频运行方式先投入差动保护，变频运行时退出差动保护是合理可行的。

4 改造后的节能效果分析

4.1 改造后电量统计

兰电公司4台机组凝结水泵自完成了变频器改造，凝结水泵系统运行正常。兰电公司4台机组容量相同，所有重要辅机设备工作方式相同。因此采取变频改造前后数据对比的方法，随机选取#3机组运行的凝结水泵进行了电流和电量的统计，见表1和表2。

表1 电量情况统计

表2 电流情况统计

4.2 节能效果分析

从表2数据可以看出，在同一负荷工况下，凝泵的运行电流相差较大，尤其低负荷时更为明显。由此说明采用变频调速后负荷越低，节能效果越好。

分析表1、表2中的数据，可以得出变频后节电率较高，从表1中的6天数据可见，节电率可达到27%，见表3。

表3 节电率分析

表3数据抄录时间的负荷为全年平均负荷，以#3机为例，根据表1数据可知，日平均节电量：

考虑到机组正常的停机检修时间，机组按每年300天运行时间计算，年平均节电为：

按照0．4元/kWh的上网电价计算，变频改造后一年产生的直接经济效益为：

参照该公司每台机组凝泵变频改造的费用，不到一年的时间就能收回成本，带来十分可观的经济效益。

同时，变频调速实现了电机软启动，减少了电机的启动冲击和机械磨损，延长了电机的使用寿命，同时有利于降低厂用电率，降低机组发电煤耗，带来良好的安全效益、社会效益和环境效益。

5 结束语

兰电公司4台机组凝结水泵通过变频改造后，产生了较大的经济效益和社会、环境效益，该公司还将继续把变频技术应用于其它主要辅机中去，在提高自动调节品质的同时达到节能降耗的目的，提高企业的综合竞争力。