1 引言

2003年以來我國面臨著嚴(yán)峻的資源壓力，“煤、電、油”全面告急，近八成省份拉閘限電，能源瓶頸正成為制約國民經(jīng)濟可持續(xù)增長的最主要因素。泵與風(fēng)機是全國通用的耗電量較大的設(shè)備，在火電廠中應(yīng)用極廣。據(jù)統(tǒng)計，全國火電廠的平均廠用電率約為7％～8％，其中泵與風(fēng)機的耗電量占廠用電的75％左右。目前我國使用的泵與風(fēng)機的效率，多數(shù)比工業(yè)先進國家的同類產(chǎn)品的效率低5％～10％;而泵與風(fēng)機的實際運行效率普遍比工業(yè)先進國家低10％～30％[1]。因此積極開展泵與風(fēng)機的節(jié)能降耗，對于促進國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展、縮小與工業(yè)發(fā)達國家的差距，提高電力企業(yè)經(jīng)濟效益，增強市場競爭力，都具有現(xiàn)實和深遠的意義。

2 設(shè)備概況及存在問題

華能威海電廠二期2×300mw機組為國產(chǎn)引進型n300-16.7/538/538中間再熱凝汽式汽輪機組;凝結(jié)水泵為沈陽水泵廠生產(chǎn)9ldtna-4型，電機為yls560型，額定功率1000kw，電壓6000v，電流114a，轉(zhuǎn)速1486r/min。機組正常運行時，兩臺凝結(jié)水泵一臺運行，一臺備用。當(dāng)運行泵故障時，備用泵自啟并投入運行。凝結(jié)水通過凝結(jié)水泵升壓后，流經(jīng)各低壓加熱器和凝結(jié)水主、副調(diào)節(jié)閥最后到達除氧器。凝結(jié)水主、副調(diào)節(jié)閥的開度由除氧器實際水位和給定值、給水流量和凝結(jié)水流量構(gòu)成的除氧器水位控制回路（單沖量或三沖量）調(diào)節(jié)控制。機組正常運行時凝結(jié)水主、副調(diào)節(jié)閥的開度如附表所示。由附表可以看出凝結(jié)水泵長期處于極度節(jié)流狀態(tài)，造成能量大量浪費，效率極低。

附表 部分負(fù)荷下的凝結(jié)水主、副調(diào)節(jié)閥開度

變頻調(diào)速的節(jié)能原理

交流變頻調(diào)速技術(shù)是一門新興的技術(shù)。它以其卓越的調(diào)速和起制動性能、顯著的節(jié)電效果以及廣泛的適用性，而被公認(rèn)為是一種最有前途的交流調(diào)速方式，代表了電氣傳動發(fā)展的主流方向[2]。現(xiàn)在，交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，已由原來的常規(guī)控制方式pam(pulse amplitude modulation)， 即改變電壓源和電流源的幅值進行輸出控制，發(fā)展到現(xiàn)在的pwm(pulse width modulation)，即靠改變脈沖寬度調(diào)制電壓輸出波形和spwm調(diào)速方式（正弦波脈寬調(diào)制）。目前最為理想的調(diào)制方式應(yīng)屬空間矢量控制，它近似模擬了直流電機的調(diào)速性能，可與直流電機的調(diào)速行為相媲美，是一種較為理想的調(diào)速方式[3]。

由電機學(xué)可知，異步電動機的轉(zhuǎn)速n[1]為:

（1）

n—異步電動機的轉(zhuǎn)速，r/min；
p—電動機的極對數(shù)；
s—電動機的轉(zhuǎn)差率；
f1—電源頻率，hz；

從式（1）可以看出，如果極對數(shù)p一定，且轉(zhuǎn)差率s變化不大時，轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f1成正比，即改變電源頻率f1就可以改變轉(zhuǎn)速n（實際上若僅改變電源的頻率則不能獲得滿意的調(diào)速性能。必須在調(diào)節(jié)頻率的同時調(diào)節(jié)電壓，準(zhǔn)確稱呼應(yīng)是變頻變壓調(diào)速，英文術(shù)語為variable voltage variable frequency，簡稱為vvvf調(diào)速）。

由比例定律可知，泵的功率n與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為[4]:

（2）
n—功率，kw
n—轉(zhuǎn)速，r/min

由式（2）可知，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，降低轉(zhuǎn)速可以大幅度地降低功率。例如，泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的80％，則功率為額定功率的51.2％，可見功率下降了48.8％。因此，變頻調(diào)速為高效變頻調(diào)節(jié)，遠遠優(yōu)于節(jié)能調(diào)節(jié)。

3 工程方案介紹及調(diào)試中出現(xiàn)的問題處理

3.1 方案介紹

經(jīng)過分析對比我廠、黃島電廠、龍口百年電力等使用的不同廠家變頻器性能（a-b、西門子和羅賓康）和存在問題，發(fā)現(xiàn)a-b變頻器系統(tǒng)簡單，可靠性高[5]，擁有良好的售后服務(wù)，完全符合我廠的環(huán)境和技術(shù)要求。因此決定在2005年＃3機組凝結(jié)水泵變頻改造中使用羅克韋爾自動化公司的產(chǎn)品。根據(jù)我廠地理環(huán)境和設(shè)備特性，決定采用加拿大rockwell automation公司生產(chǎn)的a-b powerflex7000中壓風(fēng)冷式變頻器、刀閘旁路柜（三把刀閘）、控制電源配電箱和山特6kva ups電源各一臺。

變頻器型號:a-b powerflex7000 b型風(fēng)冷（csi-pwm）

功率:1000kw;
電流:120a;
輸入:6000vac 50hz;
輸出:0～6000vac 0～70hz。

（1）變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、保護配置和電氣一次接線圖

變頻器由高壓主回路和低壓控制回路兩部分組成。

● 高壓主回路:三相6000v進線電源經(jīng)過對稱門極換流型晶閘管sgct組成的輸入整流器（pwm整流器）開關(guān)器件將交流變成直流，再經(jīng)過濾波直流電抗接到 sgct組成的逆變器，以脈寬調(diào)制方式，將直流變成交流，通過電機濾波電容，將幾乎完美的正弦電流電壓波形送給電機，并根據(jù)除氧器水位調(diào)節(jié)指令，來調(diào)整電壓及頻率，實現(xiàn)節(jié)能的目的。高壓主回路如圖1所示。

圖1 #3a凝結(jié)水泵變頻器高壓主回路

● 低壓控制回路:交流控制電源由兩路電源供電，可自動切換，輸出為變頻器刀閘柜控制電源、變頻器風(fēng)機電源和單相ups供電電源（為變頻器控制部分提供不間斷電源）。

除氧器水位控制回路:除氧器水位是機組運行監(jiān)控的重要參數(shù)之一。凝結(jié)水泵變頻改造前，當(dāng)給水流量小于25％，t1切換器選中n側(cè)，除氧器水位采用單沖量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器pid1的輸出直接控制調(diào)節(jié)閥的開度;當(dāng)給水流量大于25％，t1切換器選中y側(cè)，除氧器水位采用三沖量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器pid2的輸出加上給水流量信號，作為調(diào)節(jié)器pid3的給定值，并與凝結(jié)水流量比較，經(jīng)過比例積分運算后，輸出控制調(diào)節(jié)閥的開度。凝結(jié)水泵變頻改造后，僅三沖量信號輸出至變頻器，再由變頻器內(nèi)部控制單元輸出調(diào)整電壓及頻率，進而控制凝結(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速，滿足除氧器水位調(diào)節(jié)要求。凝結(jié)水泵變頻改造前后除氧器水位控制回路如圖2所示。

圖2 ＃3a凝結(jié)水泵變頻改造前后除氧器水位控制回路

變頻器一次接線:電源接自6kviiia段母線，開關(guān)編號為6519，經(jīng)工頻/變頻刀閘轉(zhuǎn)換柜輸出至變頻器，可實現(xiàn)“工頻”或“變頻”方式運行。電氣一次接線圖如圖3所示。

圖3 ＃3a凝結(jié)水泵變頻器電氣一次接線

● 保護配置

電氣保護:6519開關(guān)設(shè)有速斷、負(fù)序、低電壓和接地保護，均動作于跳閘。其中速斷、負(fù)序和接地保護動作后聯(lián)跳變頻器。變頻器本身設(shè)有低電壓保護。6519開關(guān)設(shè)有變頻器故障聯(lián)跳其出口壓板，即變頻器投運前，投入“變頻器聯(lián)跳6519開關(guān)”出口壓板;由“變頻”改“工頻” 運行前，解除“變頻器聯(lián)跳6519開關(guān)”出口壓板。6519開關(guān)保護定值采用工頻、變頻通用定值，變頻器投入、退出無須對保護定值進行修改。

熱控聯(lián)鎖:＃3a凝結(jié)水泵變頻運行需全開凝結(jié)水至除氧器調(diào)節(jié)閥，所以凝結(jié)水母管壓力最低低至0.846mpa(目前，調(diào)節(jié)閥總操開度為47％，此時b閥全開，a閥全關(guān))，為了保證＃3b凝結(jié)水泵低水壓不動作（工頻運行時定值為1.8mpa）,將定值修改為低于0.6mpa，聯(lián)動備用泵，母管壓力0.7mpa時熱控光字牌報警。變頻器跳閘，聯(lián)關(guān)凝結(jié)水至除氧器調(diào)整門總操至25%（因目前機組運行，無法對dpu數(shù)據(jù)進行修改，故待停機后修改，修改后調(diào)節(jié)閥總操將全開）。其它熱控保護不變。

（2）我廠使用的a-b powerflex7000變頻器技術(shù)特點

它是羅克韋爾自動化公司的第三代中壓電流型變頻器，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、技術(shù)先進、系統(tǒng)可靠、使用方便和性價比高。變頻器裝置外形如圖4所示。

圖4 powerflex7000變頻器

● 采用先進的csi-pwm及測速反饋的完全矢量控制技術(shù)。輸入與輸出端均無變壓器;母線電感具有電流限制作用，可靠地進行短路電流保護，功率單元無半導(dǎo)體熔斷器。變頻調(diào)節(jié)精度高，范圍廣，效率高達95％以上。

● 性能優(yōu)越、可靠性高。對電網(wǎng)電壓波動具有極強的適應(yīng)能力，±10％可以滿載輸出，可以承受30％的電網(wǎng)電壓下降而繼續(xù)運行。瞬時失電可滿載運行5個周期不跳閘，輕載時間更長。可實現(xiàn)四象限運行（正反旋轉(zhuǎn)方向和再生制動）和飛速啟動，能量回饋電網(wǎng)。不需額外的濾波器即可通過電機端的電容器消除電機在高頻運行時的主要諧波成分，從而向電機提供接近正弦波形的電流和電壓，符合ieee-519-1992諧波標(biāo)準(zhǔn)。無dv/dt的產(chǎn)生，降低了電機噪音和對散熱及絕緣強度的要求，電機不需降額或改裝使用。對輸出電纜無長度要求。

● 使用方便。變頻器可在輸出不帶電機的情況下進行空載測試，也可在沒有6kv高壓的情況下，用低電壓進行空載測試。采用創(chuàng)新的功率單元模塊化設(shè)計，光纖傳輸。可從機架上抽取、移動和變換，所有單元可以互換，更換單元不需特殊工具便可在15分鐘之內(nèi)完成。濾網(wǎng)可多次沖洗且不變形、不失效，運行中也可方便拆裝更換。

● 保護全面。變頻器具有過壓、欠壓、缺相、變頻器和電機過載、變頻器過熱、輸出接地和短路、高壓柜門保護連鎖等保護，能聯(lián)跳輸入側(cè)6kv開關(guān)，開關(guān)也可聯(lián)跳變頻器。

● 具有通用的控制接口和友好的操作員界面。與機組dcs系統(tǒng)配合可自動或手動遠方操作也可就地啟停和調(diào)節(jié)。就地控制裝置如圖5所示。大畫面文字圖形顯示操作員終端菜單引導(dǎo)屏幕，完成諸如設(shè)置、監(jiān)控、診斷、報警等各種變頻操作及顯示常用變量諸如電壓、功率、轉(zhuǎn)速和累計時間等。操作員界面如圖6所示。

圖5 就地控制裝置

圖6 操作員界面

3.2 調(diào)試中出現(xiàn)的問題處理

（1）風(fēng)壓

在設(shè)置中，將變頻器的“備用風(fēng)機功能”的參數(shù)由“no”改為“yes”，即啟動備用風(fēng)機功能（此變頻器沒有#2風(fēng)機，在此為虛擬風(fēng)機，僅利用xio板上備用風(fēng)機的接點切換功能，#1、#2風(fēng)機實現(xiàn)互相備用）。然后，在變頻器的xio板上，進行j2-7和j2-9端子的短接，j2-6和j2-8端子的短接。短接后，#1風(fēng)機和#2風(fēng)機的控制實際上是并聯(lián)的，同時控制#1風(fēng)機的運行。

修改后效果:當(dāng)380v風(fēng)機電源進行切換時，#1風(fēng)機電源暫時消失，風(fēng)壓下降，此時變頻器由于啟動了備用風(fēng)機自投功能，xio板上#2風(fēng)機的接點自動閉合，保證風(fēng)機接觸器閉合，確保風(fēng)機繼續(xù)運行。此時，變頻器只發(fā)報警，不發(fā)故障信號，變頻器繼續(xù)運行。

（2）觸摸屏參數(shù)狀態(tài)顯示

轉(zhuǎn)速條形顯示額定速度只有實際速度的50％，顯示軟件升級后，可消除此問題。

（3）旁路輸出刀閘報警

調(diào)試過程中，“旁路輸出刀閘斷開”報警在變頻器工作時一直發(fā)生，實際變頻器旁路刀閘工作正常。這是由于軟件邏輯錯誤造成的，此報警目前已屏蔽。軟件升級后可消除。

4 節(jié)能效果分析

目前，＃3機組凝結(jié)水系統(tǒng)僅＃3a凝結(jié)水泵改為變頻運行，待條件成熟后將采用“一拖二”方式或者再配置一臺變頻器，具體采用哪種方式根據(jù)節(jié)能情況決定。

＃3a凝結(jié)水泵相同負(fù)荷時工頻、變頻運行的實時功率和額定功率如圖7所示。#3機組周五、周六和周日負(fù)荷曲線（2005-4-15至2005-4-17）如圖8所示。

圖7＃3a凝結(jié)水泵相同負(fù)荷時工頻、變頻運行的實時功率和額定功率

按機組年運行7200小時（300天），以圖8給出的負(fù)荷曲線作為典型日負(fù)荷曲線，根據(jù)圖7給出的＃3a凝結(jié)水泵相同負(fù)荷時工頻和變頻運行的實時功率，可以算出應(yīng)用變頻調(diào)速年節(jié)電188.1680萬kwh以上。

按電價0.397元/kwh計算，年節(jié)電費合計:
188.1680×0.397＝74.7萬元
投資回收期t:
t＝投資額/年節(jié)電費＝280/74.7＝3.75年

其中:投資額包括a-b變頻器、刀閘旁路柜、控制電源配電箱、ups電源、勞務(wù)費和建設(shè)費用等。

圖8 ＃3機組周五、周六和周日負(fù)荷曲線(2005-4-15至2005-4-17)

2005年以來，山東東部電網(wǎng)負(fù)荷比較緊張，2005-4-15至2005-4-17負(fù)荷率為82.03％（下半年500kv青州站投產(chǎn)后，負(fù)荷率將會下降），遠遠高于2004年全年負(fù)荷率。2004年＃3機組發(fā)電量為171158.04萬kwh，可用小時為7838.62h，則年負(fù)荷率為72.78％，可以計算出平均負(fù)荷為218.35mw，運用插值法計算此負(fù)荷凝結(jié)水泵變頻運行節(jié)約功率為391.9kw。不同負(fù)荷時凝結(jié)水泵變頻器的節(jié)能率如圖9所示。

圖9 不同負(fù)荷時凝結(jié)泵變頻器的節(jié)能率

根據(jù)2004年負(fù)荷率修正后的投資回收期t:

t＝投資額/年節(jié)電費＝280/(391.9×7838.62×0.397/10000)＝2.29年

因運行中dpu數(shù)據(jù)無法修改，所以以上數(shù)據(jù)均為調(diào)節(jié)閥總操開度為47％時的功率。在對dpu修改后，調(diào)節(jié)閥總操全開，預(yù)計凝結(jié)水泵變頻實時功率將在以上相同負(fù)荷時變頻實時功率的基礎(chǔ)上減少約80kw，所以投資回收期會比以上計算回收期更短，約為1.907年，節(jié)能率更高。

可見,應(yīng)用a-b變頻器可以在凝結(jié)水泵變頻改造中取得可觀的經(jīng)濟效益,負(fù)荷率越低,取得的經(jīng)濟效益就越高。在新機組建設(shè)和老機組改造中,a-b powerflex7000變頻器將在節(jié)能降耗方面具有廣闊的應(yīng)用前景。