李俊平 黄一村
（神华福能（福建雁石）发电有限责任公司）
摘要：本文通过对我司二期#5机组脱硫改造后拆除的引风机变频器进行重新利用，在满足企业生产工艺情况下，充分利用变频节能技术，在原有设备基础上，通过对变频器用途及改造方案的费用和经济性对比分析、优化循环泵DCS逻辑控制策略，确保变频改造后的循环水泵节能、安全、可靠运行，得出引风机变频器可以作为可以作为循环水泵电机拖动的结论。
关键词：高压变频器；循环水系统；水泵；电机；变频改造；节能
1.引言
此次循环水泵节能变频改造利用的是二期#5机组脱硫改造后拆除的北京利德华福高压变频器引风机变频器进行重新利用，循环泵及变频器的DCS控制系统利用北京和利时的MACSV系统。在对原有的#7、#8、#9、#10工频运行的#8、#10进行循环水泵节能变频改造，在满足工艺要求的前提下，充分利用变频节能技术，在原有设备基础上，增加变频器及优化相关的DCS控制策略，在确保机组真空的条件下，通过变频器转速调整循环出口压力和流量，降低循环水泵的电机电流从而起到节约厂用电的效果。
2.设备概述
神华福能（福建雁石）发电有限责任公司#5机组于2009年12月投产。汽轮机为东方汽轮机厂生产，型号N300-16.7/537/537-8型，属亚临界、一次中间再热、双缸双排汽单轴凝汽式机组，循环水泵电机为上海电气集团上海电机厂有限公司生产，型号为YLKK900-12；循环水泵主要技术参数为：1600kW、194A、6000V、 Q=18036 m3/h、H=0.233MPa、n=495rpm。锅炉采用东方锅炉（集团）股份有限公司制造的DG1025/17.4-Π 18型，引风机电机功率为2700kW，采用北京利德华福电气有限公司生产的变频器（容量为3380kVA）控制。
3.设备水泵变频改造必要性分析
目前该公司二期有#5、6号两台机组，每台机组配备两台循环水泵，功率为1600KW,经过六年的运行检验，10月～3月一台循泵运行2500 h，4月～9月两台循泵并列运行2000h， (按全年单机运行4500h计算),特别是在4月～9月两台循环泵运行时，循环水泵出力远大于实际设备需求流量，与循环水泵配套的电机在运行中转速恒定，运行方式单一，机组的循环水量不能根据运行工况进行转速调整，电能浪费严重、设备效率偏低，尤其是在低负荷或较冷季节运行时，这种状况更加不利于提高机组的经济效益。为提高机组的经济效益，减少循环水泵电机的耗电率，现就退役的引风机变频器用于循环水泵电机进行调速改造，以降低发电厂用电率，降低煤耗、更好保证循泵电机可靠、安全运行。
4.循泵变频改造前系统分析
4.1循环水泵工频运行，无法进行流量调节
目前电厂实际的循环水系统工艺无进口门和出口调节阀，只有出口液控蝶阀，出口门正常处于全开状态，每台全开时的流量为18036 m3/h，无法对电机调节流量，根据运行的实际经验，开循泵时的实际流量为设计流量的60%左右，存在较高的节能空间。
4.2电机采用工频直接启动，启动冲击电流较大。
由于电机采用直接启动，启动电流为额定电流的4-7倍，因此在启动时不仅对电机绝缘带来损坏，而且对厂用电网造成冲击，影响厂内其它设备运行，同时启动过程中流量突然升高，产生水锤效应，对运行管路的安全运行带来不利。
4.3工频运行功率因数低。
由于循泵电机正常为工频运行，功率因数在0.86，降低了设备电能的使用效率。
5.循泵变频改造后系统分析
5.1循环水泵利用原有引风机变频器可行性分析
5.1.1神福雁电#5、#6机组共安装4台循环水泵，出口采用母管制，给#5、#6机凝汽器冷却用，循泵电机技术参数如表一，引风机变频器技术参数如表二所示。
5.1.2从表一和表二的技术参数对比可知，风机与水泵属于相同类型负载，不存在运行中的冲击电流，从类型上看此引风机变频器完全可以作为循环水泵电机使用，而且引风机变频器容量大于循泵电机，容量满足要求，只是由于存在大马拉小车的情况，效率会稍微降低。即按照循泵电机参数选配变频器，容量为2000kVA就可以满足运行要求，按照变频器通常能量损耗4%计算，选用现有变频器拖动循泵电机，能量多损耗（3380-2000）×4%=55.2kVA。
5.1.3先对#8、#10循泵电机进行变频改造，采用原引风机变频器拖动，控制方式为一拖一、带自动旁路功能、采用远程DCS开环控制、采用空水冷的冷却方式对变频器进行冷却，在循泵房东侧的空地上建设变频器室及电缆沟。
5.1.4水泵是典型的变转矩负载，水泵流量与其转速成正比，水泵压力与其转速的平方成正比，水泵轴功率与其转速的三次方成正比，水泵的转矩与转速的二次方成正比；所以降低水泵的转速可以大大降低水泵轴功率，从而起到节省电能的作用。
5.2变频器改造的费用分析（以两台变频器改造费用统计），
5.2.1在雁电循环水泵房东侧空地上建设变频器室，在变频器室内安装两台变频器，变频器室尺寸为长：12米；宽：8米；高3.5米。建筑费用约13万元，在变频器室内安装两台空调，费用1万元，建设电缆沟费用2万元，合计16万元。
5.2.2变频器、空水冷装置安装及电缆敷设费用6.5万元/台，调试费用2万元/台，合计17万元。
5.2.3电缆费用15万元
循泵电机变频器改造电缆清单
5.2.4新增加的循泵变频器采用远程DCS控制，在电子间增加I/O模块，费用4万元。
5.2.5以上合计,安装两台变频器的费用为52万元，即每台26万元（不含变频器本体费用）
5.3循泵电机变频改造效能分析
5.3.1改造前循泵运行方式及耗能情况
按5号机组两台循环水泵改造前具有代表性的运行方式即：10月～3月一台循泵运行2500 h，4月～9月两台循泵并列运行2000h， (按全年单机运行4500h计算)。
4月～9月两台水泵工频运行2000h耗功率：(1600+1600)×2000=6400000(kW?h)。
10月～3月一台高速泵运行2500 h耗功率： 1600×2500=4000000(kW?h)。
循环水泵改造前全年用电量合计：6400000+4000000=10400000(kW?h)。
5.3.2循泵电机变频改造后水泵参数变化
根据水泵的相似定律水泵流量与电机转速功率相关：水泵流量与水泵电机的转速成正比，水泵的扬程与水泵电机转速的平方成正比，水泵的轴功率等于流量与扬程的乘积，故水泵的轴功率与水泵电机转速的三次方成正比。根据上述原理可知循环水泵进行变频改造后低速运行时水泵各运行参数如下（以变频器运行频率为42.85HZ为例，转速为425r/min）：
n1/n2=425/496=0.857 ； Q=18036 *0.857 m3/h =15456.8 m3/h；
H=23.3*0.857*0.857=17.11米；P=1600*0.857*0.857*0.857=1007kW
从上述计算可知，循泵低速运行时泵的功率较原高速时减少593 kW。泵的出口扬程H=17.11米，能够满足循环水最低回水压力要求（冷却塔设计供水高度13.2米，凝汽器阻力加管路阻力约0.3米，循环水回水最低压力13.5米）。泵的出口流量Q=15456.8 m3/h，机组在冬季额定负荷运行时其循环倍率27，较原31.6下降4.6，但因水量减少冷却塔出水温度会下降，因此改造后单台循环水量能满足机组冬季额定负荷运行，并保证机组真空对汽机热效率的影响不大。
5.3.3循泵电机改造后效能比较
在对#8、#10循环水泵电机进行改造后，通过调整循环水泵的转速，可组合为3种运行方式：即单变频、单工频、一工一变。运行时可根据循环水温、机组负荷进行灵活选择。
如还是按机组全年运行4500h考虑，循环水泵运行方式按照3种来组合进行。根据不同的负荷10月～3月一台泵工频运行1500 h，一台泵变频运行1000 h；4月～9月一台泵工频运行、一台泵变频并列运行2000h。则：
10月～3月一台泵工频运行1000 h耗功率：1600×1500= 2400000 (kkW?h)
10月～3月一台泵变频运行1000 h耗功率： 1007×1000=1007000(kW?h)
4月～9月一台泵工频运行2000h耗功率：1600×2000=3200000(kW?h)
4月、9月一台泵变频运行2000h耗功率：1007×2000=2014000(kW?h)。
改造后循环水泵用电量合计： 2400000+1007000+3200000+2014000=8621000 (kw?h)。
循环水泵电机改造后节省电量： 10400000-8621000=1779000 (kW?h)
如按每度电价O.42元计算，年可节约费用为： 1779000×0.42=747180(元)
5.4电机变频改造对循环水系统影响
5.4.1在冬季单台循环水泵运行时，循环水流量会比双水泵运行下降很大且使循环水流速降低，为保持凝汽器效率，宜投入胶球清洗装置运行。
5.4.2因为循环水泵在低速运行时会降低循环水扬程，可能造成发电机氢冷器中的冷却水流量下降或断流，这时要根据实际运行情况及时投入氢冷升压泵运行，保证发电机氢冷器冷却水正常投入，不致因冷却水流量下降或断流对发电机造成危害。
5.4.3由于电机进行变频改造时增加了高压变频器等相关设备，增加了故障点，设备可靠性有所降低。另外采用变频控制，电机可以平稳启动，降低了电机工频启动时对电机及泵体冲击损耗，而且电机变频运行时电流下降，这方面又提高了设备可靠性。
6优化循环水泵DCS控制方案策略。
改造后的循环水泵5号机组为一台工频，一台变频，正常变频投入运行，工频循泵电机处于备用状态。6号机组一台工频，一台变频，正常变频投入运行，工频循泵电机处于备用状态。为了确保二期循环水泵变频改造后的逻辑能够满足循环水系统的工艺要求，能够保证在设备故障情况下设备的可靠、安全运行，确保设备的拒动和误动率为0%，对改造前的DCS控制逻辑进行优化。
6.1#8、#10循泵在变频启动时，出口液控蝶阀联锁打开条件增加：#8（#10）循泵投联锁投入，#8（#10）循泵变频在合位，变频器频率大于等于40HZ。
6.2#7循环水泵联锁启动条件增加：#8循泵变频器重故障，延时1秒；#9循环水泵联锁启动条件增加：#10循泵变频器重故障，延时1秒。
6.3当运行中的变频器重故障时，跳泵联锁关出口液控蝶阀，同时工频启动备用循泵。
6.4备用变频泵在联锁投入时自动合旁路高压开关KM3或KM6。
6.5循泵处于备用状态时，联锁启动时必须为工频运行。
6.6变频器控制只需开环控制，变频启动时初始频率自动设置为40HZ。变频升速过程运行人员可手动调节变频给定。
7结论
从计算结果可以看出，循环水泵电机改变频运行，对提高机组效益明显，电机改造效果理想。这是因为电机在变频器控制低速运行中，电机实际运行功率只有1007kW，比原工频运行时的电机额定功率1600kW减少593kW，耗电量明显降低。5号机一台循环水泵电机变频改造投资共计约26万元，按上述计算方法，当年可收回设备改造投资。同时通过改造前后的节能情况进行分析为同类机组的凝结水泵进行变频改造的可行性提供理论和实践依据.
参考文献
[1]北京利得华福高压变频器手册
[2]程金，火电厂循环水泵变频驱动控制系统[J]，变频器世界，2003（6）
作者简介：
李俊平：电力系统及自动化高级工程师，研究方向为热工自动化。
黄一村：电气工程师，研究方向为电气一次。
论文作者:李俊平,黄一村
论文发表刊物:《电力设备》2016年第7期
论文发表时间:2016/7/4
标签：水泵论文; 变频器论文; 电机论文; 机组论文; 一台论文; 万元论文; 转速论文; 《电力设备》2016年第7期论文;