摘 要 ：本文介紹了廣州明珠C廠在發電機組鍋爐給水泵應用高壓變頻系統的技術和經濟分析。指出高壓變頻調速在電廠風機、泵類的應用具有明顯的社會效益和經濟效益。

1 引言

廣州明珠電力（集團）有限公司發電C廠現有#5、#6兩臺51.2MW燃油機組，#7一臺36MW汽輪機組。#5、#6兩臺燃機的余熱分別提供#1、#2鍋爐，驅動#7汽輪發電機。#1、#2鍋爐的#1、#2汽包的給水由#1、#2、#3三臺給水泵母管方式供水。
三臺給水泵的參數相同，水泵為沈陽水泵廠生產DG80-120x9，額定轉速2980r/min，效率82％，供水80m3/h，改造為120m3/h，揚程1080m。拖動給水泵的三臺6kV電動機為Y4002-1型電機，額定參數500kW，6kV/57.2A，cos=0.87，轉速2972r/min，F級絕緣，繞組Y接，1998年8月南洋防爆電機廠生產。

2 廣州明珠C廠機組給水系統工況簡介

如圖1所示為明珠C廠#7汽輪發電機給水泵回路原理示意圖，該設計最初的設計思想是“兩工作一備用”，當任意一臺出現故障時隨即啟動備用電動機，保證機組的正常運行。給水母管到兩個鍋爐汽包都分別有主路、中路、旁路三個閥門控制給水流量，其中主路為調節閥最大流量100％，中路調節閥最大流量約70％，旁路電動閥流量約50％。

但水泵經過葉片技術改造，現在的實際運行工況是:在目前負荷情況下，一臺泵的出水量已夠兩臺鍋爐的運行使用，在兩臺燃機運行，#1與#2兩個汽包供汽（二拖一工況）、總負荷為67MVA左右時，汽包壓力6.4Mpa左右，額定蒸發量64t/h，運行1#泵，此時電機電流為51A左右，功率因數為0.86，實際給水量約125t/h，泵頭出口壓力為8.3～8.9MPa左右，根據泵的性能曲線，此時泵已工作到極限，該運行情況下泵的效率較低，如果負荷進一步增加時必須啟動第二臺泵。在谷期負荷較低時，只運行其中一臺燃機，一個汽包供汽（一拖一工況），汽包壓力3.5Mpa左右，此時保持運行#2泵，電機電流為41A左右，電機功率因數為0.86，泵頭出口壓力為9.2～9.8Mpa左右，實際給水量約63t/h。

3 廣州明珠C廠#1給水泵改造前的運行情況

3.1 改造前的給水泵的系統運行數據
明珠C廠鍋爐給水泵變頻改造前系統運行數據如表1所示。

在水泵性能曲線上繪出二拖一工況及一拖一工況的等效率曲線。如繪出一拖一時的管網特性曲線，如圖2中曲線2（此曲線對應回流循環閥開度一定時），二拖一時的管網特性曲線，如圖3中曲線2所示（此曲線對應回流循環閥開度全開時）;兩圖中的曲線1均為水泵工頻運行H-Q特性曲線。


在進行變頻改造前，峰期運行工況點為圖3的A點，谷期為圖2的B點。通過上述數據可得出如下結論:
（1）日間二拖一時，一臺泵運行時，水泵給水量約120m3/h，從水泵的性能曲線可知，在該點運行時水泵效率較低，為53％，而該水泵最佳效率點為62％（對應額定流量為80m3/h）。


（2）日間二拖一時，電機消耗總功率為P= UI=1.732×6000×51=530kVA，其中有功功率為Pcosφ=530×0.86=455.8kW，在該運行情況下電機已基本滿負荷運行，但是電機無功電流為[512-（51×0.86）2>0.5=26A。
（3）峰期一拖一時，電機消耗總功率為1.732×6000×41=426kVA，其中有功功率為426×0.85=360kW。
（4）谷期運行時，在水壓為9.8Mpa的情況下，水泵給水為105m3/h，鍋爐供水為633/h，回流循環閥回流42m3/h，存在很大的節能空間。

3.2 廣州明珠C廠#1給水泵變頻改造方案
3.2.1設計要求及目標
（1）向變頻系統提供兩臺鍋爐汽包獨立汽包水位反饋信號（4～20mA信號），做為控制目標，實現自動控制;
（2）變頻改造后的控制系統獨立于現有的DCS系統，本系統有獨立的檢測、控制、顯示、數據處理系統，在中控室也能監視供水系統狀態、實時監視系統運行狀態，可記錄系統運行數據;
（3）實現遠程控制性能，能夠實現在中控室進行遠程命令控制及系統控制目標參數修改;
（4）能實現與其他水泵的切換互補運行，并實現完善的故障處理功能，故障停機后自動啟動其他水泵，保障供水系統安全運行。
3.2.2設計方案
經過調研與比較，廣州明珠電力（集團）有限公司C廠給水泵變頻改造選用了廣州智光電力電子有限公司生產的Zinvert智能高壓變頻調速系統，取得了滿意的運行效果。
（1）系統介紹
Zinvert智能高壓變頻調速系統具有強大的自動控制和通信功能，為方便運行人員控制，在中控室安裝有監控PC計算機，由其與N（N=1-31）臺ZINVERT變頻調速系統進行通信，Zinvert智能高壓變頻調速系統具有RS-485通信接口，采用標準MODBUS通訊協議。允許系統連接1-31個Zinvert高壓變頻調速系統，最大1200m的通訊距離。系統總體框圖如圖4所示。

在廣州明珠電力（集團）有限公司C廠給水泵的變頻改造系統中，初期選用一臺500kW/6kV高壓變頻調速裝置，遠期規劃有兩臺。在改造后系統中上位PC機作為主機，高壓變頻調速裝置作為從機。該系統特點是成本較低、信號傳輸距離遠、抗干擾能力強，尤其適合中遠距離控制系統。采用該方案，可直接在中控室調節與控制高壓變頻調速系統的運行。
上位機采用PC計算機，在Windows圖形化系統平臺上實現友好的人機界面，用文字、表格、圖象等顯示的運行狀態、報警、事件記錄及其它信息，可實現數據查看、運行控制、目標參數調節等功能，操作方便、顯示直觀，方便現場運行和維護。
（2）控制系統構成
針對用戶要求，變頻改造時所有的信號檢測、驅動機構要完全獨立于現有的DCS控制系統，調節可采用定頻運行閥門控制，也可采用閥門定開度變頻，滿足運行需要的汽包蒸發量、給水流量及汽包液位要求。
（3）可靠性措施方案
由于發電機組運行可靠性的要求，系統考慮到變頻調速系統退出運行后，不影響生產，確保給水系統正常運行，結合實際運行狀況設計二種故障處理方案，當變頻調速系統出現故障時，可將電機投切到工頻下運行，恢復到原有系統運行方式。
高壓變頻系統配備旁路柜，當高壓變頻調速系統出現故障后，高壓變頻調速系統控制器跳開DL1，連鎖關閉出水閥門，同時連鎖啟動備用水泵。可將電機轉切至工頻運行，進行檢修原理如圖5所示。

圖5中DL1為現有電機用高壓斷路器，K1、K2、K3為高壓隔離刀閘，當變頻調速系統故障時，自動斷開DL1，操作切換打開K1、K2，閉合K3將電機轉為工頻。此時變頻調速系統從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。
3.2.3 ZINVERT系列智能高壓變頻調速系統的優勢
（1）采用先進的多級H橋單元模塊結構，通過高速光纖數字通信技術，實現高壓主回路與控制系統的隔離，抗電磁干擾，可靠性高，為直接高壓輸出型變頻調速系統。
（2）高功效，無電網污染，電網側功率因數高達0.96以上，諧波失真度小于3％，優于國際IEC有關公用電網諧波水平的最嚴格要求。無需功率因數補償及諧波抑制裝置。
（3）Zinvert系列高壓變頻調速系統解決了電機未停車即可直接啟動ZINVERT系列智能高壓變頻調速系統的瓶頸問題，無需任何電機測速裝置，啟動時無電流沖擊，確保電機持續運行可靠性,此為高壓變頻領域的獨特性能。
（4）Zinvert系列高壓變頻調速系統采用該公司自有專利技術，主回路設計中充分考慮了電機或是連接電機的高壓電纜可能發生的相間短路而設計了三重短路保護，可有效保護變頻調速系統免受巨大相間短路故障電流而造成的損壞，從而進一步延長產品壽命和提升產品運行可靠性。該產品已通過輸出相間短路功能的測試。
（5）輸入高壓瞬時掉電后系統不停機，當高壓掉電或者高壓輸入跌落至65％以下時間較長導致系統停機時，若在設定時間內（最長可至60s）高壓恢復則可自行無沖擊啟動高壓電機。裝置使用此功能后，可有效避免傳統高壓變頻調速系統因母線切換或大負荷啟動時母線電壓跌落時間較長情況下所導致的不必要停機現象，實現全智能自動搜索、無沖擊自動啟動功能，保證生產持續進行。裝置由于自身故障導致停機，在設定時間內若故障恢復亦可自動無沖擊再啟動電機（可通過軟件設定是否應用）。
（6）系統升降速時間整定不合理時，控制系統自動進行調整，保證電機平穩加速或減速而不停機。
（7）耐電網波動能力強:網側電壓在65％額定值至120％額定值內不停機，保證電機持續運行。電網輸入側電壓在+15%～-15%范圍內波動時，通過電壓波動補償算法來自動補償輸出，可維持輸出電壓和帶載能力保持不變。控制電源采用交、直流輸入，多達3路供電，各控制電源互為備用，確保控制器工作的可靠性。
（8）系統提供給用戶的數字量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出，通信等接口類型與數量豐富，內置工業PLC控制器，滿足現場各種運行與控制需求。
（9）生產廠家具備6kV高壓電機和780kW風機實際負載，具有完善的研究、開發、生產、試驗條件，可嚴格保證產品質量。
由于高壓變頻調速系統對環境（溫度、灰塵）要求較高，一般現有進口、國產高壓變頻調速裝置都要求建造專用房間或利用室內閑置位置用于安裝高壓變頻調速系統，并要作外圍空氣冷卻與防塵處理，這使得現場工作量較大，且要求有相應專業技術。明珠C廠#1給水泵變頻改造選用的Zinvert系列高壓變頻調速系統生產廠家已充分考慮了防塵與冷卻問題，在現場只建設一簡單的基礎即可一體化箱式安裝方式，使現場的改造基建投資大大削減，且整個系統的箱式外殼在完全滿足防護和抗干擾要求前提下，兼顧了美觀性和實用性，直接安裝在機組0m層給水泵現場附近。

4 廣州明珠電力（集團）有限公司C廠#1給水泵高壓變頻改造后的運行情況

4.1 經過高壓變頻改造后的給水泵的系統運行數據
明珠C廠鍋爐給水泵變頻改造后系統運行數據如表2所示。

進行變頻改造后，按鍋爐需水量供水，一拖一工況給水壓力平均4.8MPa變頻運行供水63m3/h，根據等效率曲線，繪出一拖一變頻運行H-Q曲線如圖6。進行變頻改造后，按鍋爐需水量供水，二拖一工況給水壓力平均7.2MPa變頻運行供水125m3/h，根據等效率曲線，繪出二拖一變頻運行H-Q曲線如圖7。

4.2 高壓變頻改造前后給水泵運行數據比較
明珠C廠鍋爐給水泵變頻改造前后系統運行數據比較如表3所示。

從表3的數據可見，#1給水泵經過高壓變頻改造后，其給水系統的管網壓力、消耗功率都大大減小，尤其在一拖一運行方式下，其管網壓力50％左右、消耗功率降低60％;即使在二拖一運行方式下，其管網壓力降低9％、消耗功率降低10％，有相當大的經濟效益。

5 給水泵高壓變頻改造的效果評價

5.1 經濟效益分析
#1給水泵改造后，在一拖一運行方式下，功率損耗降低60％;在二拖一運行方式下，功率損耗降低10％，具有相當大的經濟效益，變頻改造前的給水泵運行費用計算:變頻改造前假設峰期耗電穩定，電機功率為P11（kW），此功率情況下工作時間為T11（一般16h）;谷期電機功率為P12（kW），工作時間為T12（h，一般8h），則改造前日峰期耗電量為:W1＝P11×T11。谷期耗電量為:W2=P12×T12。假定每度電峰期電價為Y1，谷期電價為Y2，年運行時間為D0天，則年耗電量為:YQ=W1×Y1×D0+W2×Y2×D0;由如數據，P11=460（kW），T11=16（h），T12=8（h），P12=360（kW），年運行時間D0假定為330天，根據本廠的上網電價，可知變頻改造前每年消耗電費:YQ=203.7（萬元）。
變頻改造后的給水泵運行費用計算:變頻改造后，假設峰期耗電穩定，電機功率為P21（kW），工作時間為T21（一般16h）;谷期電機功率為P22（kW），工作時長為T22（h，一般8h），改造后日峰期耗電量為:，谷期耗電量為:，假定每度電峰期電價為Y1，谷期電價為Y2，年運行時間為D0天，則年耗電量為
此耗電量可由改造后運行情況得出。由如上計算， P21=410（kW），T21=16（h），T22=8（h），P22=140（kW），年運行時間D0假定為330天，根據本廠的上網電價，可知變頻改造后則每年消耗電費:（萬元）。變頻改造后每年節省消耗電費: （萬元），給水泵節省廠用電費用可達20％，投資回收期小于兩年。
5.2 其它效益分析
（1）用高壓變頻器后網側功率因數提高:原電機直接由工頻驅動時，功率因數為0.8-0.86之間。采用高壓變頻調節系統后，電源側的功率因數可提高到0.97以上，可進一步節約上游設備的運行費用。
（2）給水泵采用變頻調節后，由于通過降低電機水泵轉速實現節能，電機、水泵轉速降低，管網壓力降低，輔助設備如軸承、閥門等磨損大大減輕，設備運行與維護費用下降，維護周期可加長，設備運行壽命延長。
（3）采用高壓變頻調速裝置后，可對電機實現軟啟動，啟動時電流不超過電機運行額定電流的1.2倍，避免全壓啟動對電網和電動機的沖擊，降低電動機的故障率延長電動機使用壽命，維護周期增長，電機檢修費用可大幅降低。
由于機組運行現狀是單泵給水運行模式，考慮到機組改造后鍋爐蒸發量會增大，發電量增加時，一臺泵已無法滿足供水需求，到時必需增開一泵，即用兩臺泵供水，但兩臺工頻泵供水明顯過多，因此屆時可以采取一臺泵工頻運行，而另一臺泵變頻運行，這種工況下所實現的節能效益將有更大的體現。

6 結束語

明珠C廠#1給水泵在采用廣州智光公司的Zinvert智能高壓變頻調速系統進行變頻技術改造實施后，取得了明顯的節電效果，并獲得很好的經濟效益和社會效益，為電廠高壓電機的節能改造積累了豐富的經驗，高壓變頻調速在廠用電系統的大面積的采用將大大促進電廠廠用電率的降低，成為電力企業節能降耗的亮點。現階段，我國電力供應缺口很大，供需矛盾突出，在加快電力建設速度的同時，國家電力價格放開，競價上網成為各個電廠必需面臨的電力市場局面。在這種形勢下，各個電廠應該積極依靠科技進步，加大節能降耗工作力度，對于降低廠用電率，增強電廠競爭力具有不可忽視的作用。