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摘要：本文針對新能源發(fā)電廠鍋爐給水系統(tǒng)的高壓變頻改造應(yīng)用，提出了整體解決方案，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況，分析論證了鍋爐給水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速后的節(jié)電效果及良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：電力能源；鍋爐給水系統(tǒng)；調(diào)速節(jié)能；變頻改造

Abstract: This paper puts forward the overall solution to solve the problem of the application of high-voltage variable frequency transformation in the boiler feed water system of new energy power plant. Based on the practical application, the power-saving effect and economic benefit of the boiler feed water system after adopting variable frequency speed regulation are analyzed and demonstrated.

Key words: Electric energy; Boiler feed water system; Speed regulation and energy saving; Frequency conversion retrofit

1 引言

電力能源是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，2019年上半年，我國國內(nèi)生產(chǎn)總值為450933億元，同比增長6.3%。2019年上半年，全國全社會(huì)用電量為33980億千瓦時(shí)，同比增長5.0%，較去年有所回落。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，電、煤價(jià)格逐步上漲，發(fā)電成本逐年增加，為響應(yīng)國家號召，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保型發(fā)電，國家能源局表示：用電量從前些年的高速增長階段“換擋”至當(dāng)前的中速增長階段是必然趨勢。

在電力行業(yè)高壓變頻器主要用于引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、吸塵風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、給水泵、循環(huán)水泵、灰漿泵、凝結(jié)泵等大功率風(fēng)機(jī)和泵類的電機(jī)上。電力行業(yè)是高壓變頻器應(yīng)用量最大的行業(yè)，近幾年，電力行業(yè)對高壓變頻器的需求占高壓變頻器總需求的25%左右。

2 現(xiàn)場鍋爐給水系統(tǒng)改造概述

某新建新能源電廠鍋爐給水系統(tǒng)，配備兩臺高壓給水泵，一用一備。兩臺水泵入口側(cè)的取水均取自除氧器出口的公用母管，給水泵出口側(cè)均匯入同一母管，鍋爐的給水量靠水位調(diào)節(jié)門進(jìn)行控制，如果給水量偏差大的時(shí)候，就需要開給水再循環(huán)門，部分水量再回到除氧器，形成了自循環(huán)，浪費(fèi)了大量的水資源和電力資源，有較大的節(jié)能潛力。

供熱負(fù)荷變化時(shí)需要通過調(diào)節(jié)泵的出口門的開度來調(diào)節(jié)水量，實(shí)際上是靠壓損來減少給水流量，而電機(jī)的出力卻沒有變化。因此可以通過高壓變頻器對鍋爐給水泵電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)給水量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用。

2.1 主回路方案

變頻控制為一拖一手動(dòng)旁路方案，配備一臺變頻器。變頻調(diào)速系統(tǒng)接入10kV電壓等級的主動(dòng)力電源系統(tǒng)，用于電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。為增加系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，變頻調(diào)速系統(tǒng)增加旁路，設(shè)計(jì)方案如圖1所示：

圖1 主回路設(shè)計(jì)方案

此方案是手動(dòng)旁路的典型方案，它由QS1、QS2和QS33個(gè)高壓隔離開關(guān)組成。系統(tǒng)要求QS2和QS3不能同時(shí)閉合，機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖。變頻運(yùn)行時(shí)，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運(yùn)行時(shí)，QS3閉合，QS1和QS2斷開。　　

2.2 鍋爐給水泵和電機(jī)的參數(shù)

（1）配套電機(jī)參數(shù)

電動(dòng)機(jī)型號YJTFKK5005-2、額定電壓（U0）10kV、額定功率（Pdn） 1000kW、額定轉(zhuǎn)速（n0）2980r/min、額定電流（I0）69.8A、功率因數(shù)0.86。

（2）配套給水泵參數(shù)

給水泵型號SBD 100-300E*12、效率76%、軸功率1000kW、額定轉(zhuǎn)速（n0）2960r/min、額定流量175噸/小時(shí)、揚(yáng)程1506米。

2.3 變頻器的選型

根據(jù)現(xiàn)場負(fù)荷的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，鍋爐給水泵電機(jī)的最大正常工作電流不超過69.8A，據(jù)此選用變頻器的型號為SBH-100-1000，變頻器額定容量為1250kVA，額定輸出電流為75A，完全滿足現(xiàn)場負(fù)載運(yùn)行的要求。

2.4 SBH系列高壓變頻器產(chǎn)品特點(diǎn)

（1）一體化設(shè)計(jì)——更可靠

SBH系列高壓變頻器的整機(jī)結(jié)構(gòu)采用一體化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)更簡潔、維護(hù)更方便、安全性能更好。同時(shí)高壓變頻器的一體化設(shè)計(jì)不僅能加快設(shè)備的投運(yùn)進(jìn)度，縮短現(xiàn)場的調(diào)試服務(wù)周期，還能保證產(chǎn)品質(zhì)量。

SBH系列高壓變頻器的核心器件控制系統(tǒng)同樣采用一體化設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案可以減少線路板件之間的連接導(dǎo)線，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的運(yùn)行可靠性。

（2）單元模塊化設(shè)計(jì)——更通用

SBH系列高壓變頻器的內(nèi)部核心部分——功率單元，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，每個(gè)功率單元的結(jié)構(gòu)以及電氣性能一致，可互換使用，通用性更強(qiáng)。

（3）多功能的HMI設(shè)計(jì)——更直觀

SBH系列高壓變頻器采用7英寸彩色觸摸屏，多語言操作界面，讓用戶更直觀、更全面的監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；多功能參數(shù)設(shè)置，使得設(shè)備操作的靈活更強(qiáng)；完善的故障分析功能，大大縮短了故障處理時(shí)間，降低故障處理強(qiáng)度。

（4）“三滿”試驗(yàn)——更穩(wěn)定

SBH系列高壓變頻器在出廠前都必須經(jīng)過一系列嚴(yán)格的測試環(huán)節(jié)，其中不僅包括常規(guī)帶電機(jī)運(yùn)行性能試驗(yàn)，同時(shí)每套設(shè)備出廠前都要進(jìn)行滿電壓、滿電流、滿功率的“三滿”帶載老化試驗(yàn)，從而確保每套設(shè)備的高質(zhì)量。

（5）矢量控制技術(shù)——低轉(zhuǎn)速，大轉(zhuǎn)矩的王牌

SBH系列變頻器采用矢量控制技術(shù)，具有低頻轉(zhuǎn)矩大。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、機(jī)械特性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足重載啟動(dòng)的需要。

（6）雙電源冗余技術(shù)——比傳統(tǒng)UPS方案更可靠

SBH系列高壓變頻器的控制電源部分采用雙電源冗余技術(shù)，分別有兩路電源供電，一路來自用戶AC220，一路來自于設(shè)備內(nèi)部的移相變壓器三次繞組AC380V，自動(dòng)切換過稱無擾動(dòng)。與傳統(tǒng)采用UPS方案比較，具有更高的可靠性，避免了因UPS故障而引起的變頻器停機(jī)故障發(fā)生。

（7）防“晃電”技術(shù)——超強(qiáng)的電網(wǎng)適應(yīng)性

SBH系列高壓變頻器針對風(fēng)機(jī)類負(fù)載提供瞬時(shí)掉電保護(hù)功能，當(dāng)電網(wǎng)因雷電或發(fā)生瞬時(shí)故障導(dǎo)致電網(wǎng)供電電壓出現(xiàn)缺波現(xiàn)象時(shí)，防晃電技術(shù)可防止設(shè)備因瞬時(shí)掉電而造成欠壓停機(jī)。

同時(shí)，當(dāng)供電電網(wǎng)出現(xiàn)短時(shí)（0~30S）掉電現(xiàn)象時(shí)，SBH系列高壓變頻器可記錄設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，待電網(wǎng)恢復(fù)供電后，自動(dòng)恢復(fù)至掉電前的運(yùn)行狀態(tài)。

（8）自動(dòng)限流技術(shù)——系統(tǒng)安全的保障

SBH系列高壓變頻器采用自動(dòng)限流技術(shù)，當(dāng)設(shè)備負(fù)載加重時(shí)，自動(dòng)限流技術(shù)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的輸出能力，使設(shè)備的運(yùn)行更穩(wěn)定；同時(shí)，限流技術(shù)在加速運(yùn)行和減速停機(jī)過程中，可有效抑制電流過大的現(xiàn)象，使設(shè)備加速更加平滑，減速更穩(wěn)定。

3 應(yīng)用情況分析

（1）工藝改善。在實(shí)際生產(chǎn)操作過程中，泵的參數(shù)（尤其是流量）需時(shí)常調(diào)整，不僅需要調(diào)節(jié)參數(shù)，而且備用設(shè)備需時(shí)常切換。根據(jù)工藝的變動(dòng)，工藝參數(shù)又主要通過調(diào)節(jié)出口門來控制，人工關(guān)小或開大閥門不僅費(fèi)事，速度慢，也縮短閥門的壽命（填料及閥桿的磨損）。采用變頻調(diào)速就不用調(diào)節(jié)出口閥，只需在控制室內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可。變頻啟動(dòng)轉(zhuǎn)速可以從零開始逐漸升高，因此，帶負(fù)荷直接啟動(dòng)不會(huì)有較大的啟動(dòng)電流，避免了通常泵組首先關(guān)閉出口閥后再啟動(dòng)的要求（無載啟動(dòng)是為了降低啟動(dòng)電流，保護(hù)電機(jī)）。

（2）維護(hù)量減少。采用變頻調(diào)速后，可以避免因通過閥門控制使泵過多偏離額定工作區(qū)而引起的振動(dòng)。通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了降低泵的轉(zhuǎn)速，由于啟動(dòng)緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長了許多零部件，特別是密封、軸承的壽命。

（3）工作強(qiáng)度降低。由于調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制，機(jī)組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報(bào)警，操作工作由手動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運(yùn)營提供了可靠保證。

（4）減少了對電網(wǎng)的沖擊。給水泵工頻起動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流達(dá)到額定電流的5～7倍，即起動(dòng)瞬間可達(dá)420A左右。采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流不超過額定電流，對電網(wǎng)無大的沖擊，同時(shí)減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對電機(jī)機(jī)械損傷，有效延長了電機(jī)的使用壽命。

（5）節(jié)能顯著。對風(fēng)機(jī)/泵類負(fù)載，由流體力學(xué)知，流量與轉(zhuǎn)速成正比，管壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

根據(jù)GB12497《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督指南中的計(jì)算公式，即：風(fēng)機(jī)、泵類，采用擋板調(diào)節(jié)流量對應(yīng)電機(jī)輸入功率PL與流量Q的關(guān)系為：

式中：Pe－額定流量時(shí)電機(jī)輸入功率kW QN－額定流量若流量的調(diào)節(jié)范圍（0.5～1）QN，則節(jié)電率為：

若系統(tǒng)運(yùn)行在45Hz，此時(shí)系統(tǒng)節(jié)電率為：

4 結(jié)語

使用希望森蘭生產(chǎn)的高壓變頻器以來，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，顯著改善鍋爐給水系統(tǒng)機(jī)組的運(yùn)行情況，綜合節(jié)電率達(dá)29%左右，相當(dāng)于降低了1個(gè)百分點(diǎn)的廠用電率。

作者簡介：

羅深（1988-），男，四川德陽人，工程師，本科，現(xiàn)任希望森蘭科技股份有限公司產(chǎn)品經(jīng)理，研究方向是有源電力濾波器、含半導(dǎo)體電力變流器的調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。

王力（1987-），男，湖北隨州人，大專，現(xiàn)任希望森蘭科技股份有限公司售后電氣工程師，主要從事售后服務(wù)相關(guān)的工作。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年9月刊