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(jì)可持續(xù)增長的最主要因素。泵與風(fēng)機(jī)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(jì)，全國火電廠的平均廠用電率約為7％～8％，其中泵與風(fēng)機(jī)的耗電量占廠用電的75％左右。目前我國使用的泵與風(fēng)機(jī)的效率，多數(shù)比工業(yè)先進(jìn)國家的同類產(chǎn)品的效率低5％～10％;而泵與風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行效率普遍比工業(yè)先進(jìn)國家低10％～30％[1]。因此積極開展泵與風(fēng)機(jī)的節(jié)能降耗，對(duì)于促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、縮小與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距，提高電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)市場競爭力，都具有現(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)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(jī)組為國產(chǎn)引進(jìn)型n300-16.7/538/538中間再熱凝汽式汽輪機(jī)組;凝結(jié)水泵為沈陽水泵廠生產(chǎn)9ldtna-4型，電機(jī)為yls560型，額定功率1000kw，電壓6000v，電流114a，轉(zhuǎn)速1486r/min。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)凝結(jié)水泵一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。當(dāng)運(yùn)行泵故障時(shí)，備用泵自啟并投入運(yùn)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(dá)除氧器。凝結(jié)水主、副調(diào)節(jié)閥的開度由除氧器實(shí)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(jī)組正常運(yùn)行時(shí)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(fèi)，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(dòng)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(dòng)發(fā)展的主流方向[2]?，F(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(jìn)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(jī)的調(diào)速性能，可與直流電機(jī)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(jī)學(xué)可知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n[1]為:

（1）

n—異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；
p—電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)；
s—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；
f1—電源頻率，hz；

從式（1）可以看出，如果極對(duì)數(shù)p一定，且轉(zhuǎn)差率s變化不大時(shí)，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(shí)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(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)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(jī)組凝結(jié)水泵變頻改造中使用羅克韋爾自動(dòng)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(tái)。

變頻器型號(hào):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(hù)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(jìn)線電源經(jīng)過對(duì)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(jī)濾波電容，將幾乎完美的正弦電流電壓波形送給電機(jī)，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(shí)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(dòng)切換，輸出為變頻器刀閘柜控制電源、變頻器風(fēng)機(jī)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(jī)組運(yùn)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(hào)，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(yùn)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(hào)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(jìn)而控制凝結(jié)水泵電機(jī)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(hào)為6519，經(jīng)工頻/變頻刀閘轉(zhuǎn)換柜輸出至變頻器，可實(shí)現(xiàn)“工頻”或“變頻”方式運(yùn)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(hù)配置

電氣保護(hù):6519開關(guān)設(shè)有速斷、負(fù)序、低電壓和接地保護(hù)，均動(dòng)作于跳閘。其中速斷、負(fù)序和接地保護(hù)動(dòng)作后聯(lián)跳變頻器。變頻器本身設(shè)有低電壓保護(hù)。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(yùn)前，投入“變頻器聯(lián)跳6519開關(guān)”出口壓板;由“變頻”改“工頻” 運(yùn)行前，解除“變頻器聯(lián)跳6519開關(guān)”出口壓板。6519開關(guān)保護(hù)定值采用工頻、變頻通用定值，變頻器投入、退出無須對(duì)保護(hù)定值進(jìn)行修改。

熱控聯(lián)鎖:＃3a凝結(jié)水泵變頻運(yùn)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(shí)b閥全開，a閥全關(guān))，為了保證＃3b凝結(jié)水泵低水壓不動(dòng)作（工頻運(yùn)行時(shí)定值為1.8mpa）,將定值修改為低于0.6mpa，聯(lián)動(dòng)備用泵，母管壓力0.7mpa時(shí)熱控光字牌報(bào)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(jī)組運(yùn)行，無法對(duì)dpu數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，故待停機(jī)后修改，修改后調(diào)節(jié)閥總操將全開）。其它熱控保護(hù)不變。

（2）我廠使用的a-b powerflex7000變頻器技術(shù)特點(diǎn)

它是羅克韋爾自動(dòng)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(jìn)、系統(tǒng)可靠、使用方便和性價(jià)比高。變頻器裝置外形如圖4所示。

圖4 powerflex7000變頻器

● 采用先進(jìn)的csi-pwm及測(cè)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(jìn)行短路電流保護(hù)，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(dá)95％以上。

● 性能優(yōu)越、可靠性高。對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)具有極強(qiáng)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(yùn)行。瞬時(shí)失電可滿載運(yùn)行5個(gè)周期不跳閘，輕載時(shí)間更長?？蓪?shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行（正反旋轉(zhuǎn)方向和再生制動(dòng)）和飛速啟動(dòng)，能量回饋電網(wǎng)。不需額外的濾波器即可通過電機(jī)端的電容器消除電機(jī)在高頻運(yùn)行時(shí)的主要諧波成分，從而向電機(jī)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(jī)噪音和對(duì)散熱及絕緣強(qiáng)度的要求，電機(jī)不需降額或改裝使用。對(duì)輸出電纜無長度要求。

● 使用方便。變頻器可在輸出不帶電機(jī)的情況下進(jìn)行空載測(cè)試，也可在沒有6kv高壓的情況下，用低電壓進(jìn)行空載測(cè)試。采用創(chuàng)新的功率單元模塊化設(shè)計(jì)，光纖傳輸。可從機(jī)架上抽取、移動(dòng)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(yùn)行中也可方便拆裝更換。

● 保護(hù)全面。變頻器具有過壓、欠壓、缺相、變頻器和電機(jī)過載、變頻器過熱、輸出接地和短路、高壓柜門保護(hù)連鎖等保護(hù)，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(jī)組dcs系統(tǒng)配合可自動(dòng)或手動(dòng)遠(yuǎn)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(bào)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(jì)時(shí)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(jī)功能”的參數(shù)由“no”改為“yes”，即啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)功能（此變頻器沒有#2風(fēng)機(jī)，在此為虛擬風(fēng)機(jī)，僅利用xio板上備用風(fēng)機(jī)的接點(diǎn)切換功能，#1、#2風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)互相備用）。然后，在變頻器的xio板上，進(jìn)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(jī)和#2風(fēng)機(jī)的控制實(shí)際上是并聯(lián)的，同時(shí)控制#1風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。

修改后效果:當(dāng)380v風(fēng)機(jī)電源進(jìn)行切換時(shí)，#1風(fēng)機(jī)電源暫時(shí)消失，風(fēng)壓下降，此時(shí)變頻器由于啟動(dòng)了備用風(fēng)機(jī)自投功能，xio板上#2風(fēng)機(jī)的接點(diǎn)自動(dòng)閉合，保證風(fēng)機(jī)接觸器閉合，確保風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。此時(shí)，變頻器只發(fā)報(bào)警，不發(fā)故障信號(hào)，變頻器繼續(xù)運(yùn)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(shí)際速度的50％，顯示軟件升級(jí)后，可消除此問題。

（3）旁路輸出刀閘報(bào)警

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

4 節(jié)能效果分析

目前，＃3機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)僅＃3a凝結(jié)水泵改為變頻運(yùn)行，待條件成熟后將采用“一拖二”方式或者再配置一臺(tái)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(shí)工頻、變頻運(yùn)行的實(shí)時(shí)功率和額定功率如圖7所示。#3機(jī)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(shí)工頻、變頻運(yùn)行的實(shí)時(shí)功率和額定功率

按機(jī)組年運(yùn)行7200小時(shí)（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(shí)工頻和變頻運(yùn)行的實(shí)時(shí)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(jià)0.397元/kwh計(jì)算，年節(jié)電費(fèi)合計(jì):
188.1680×0.397＝74.7萬元
投資回收期t:
t＝投資額/年節(jié)電費(fèi)＝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(fèi)和建設(shè)費(fèi)用等。

圖8 ＃3機(jī)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(huì)下降），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2004年全年負(fù)荷率。2004年＃3機(jī)組發(fā)電量為171158.04萬kwh，可用小時(shí)為7838.62h，則年負(fù)荷率為72.78％，可以計(jì)算出平均負(fù)荷為218.35mw，運(yùn)用插值法計(jì)算此負(fù)荷凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行節(jié)約功率為391.9kw。不同負(fù)荷時(shí)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(shí)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(fèi)＝280/(391.9×7838.62×0.397/10000)＝2.29年

因運(yùn)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(shí)的功率。在對(duì)dpu修改后，調(diào)節(jié)閥總操全開，預(yù)計(jì)凝結(jié)水泵變頻實(shí)時(shí)功率將在以上相同負(fù)荷時(shí)變頻實(shí)時(shí)功率的基礎(chǔ)上減少約80kw，所以投資回收期會(huì)比以上計(jì)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(jì)效益,負(fù)荷率越低,取得的經(jīng)濟(jì)效益就越高。在新機(jī)組建設(shè)和老機(jī)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。