变频技术在热网循环泵控制改造中的应用

(1.北方联合电力公司 金桥热电厂；2.内蒙古电力公司 培训中心，内蒙古  呼和浩特 010000)
摘 要：文章着重介绍了变频调速技术在金桥热电厂热网 循环泵控制改造中的应用情况，分析了其节能原理，提出了改造方案，总结了改造后的效果 。
关键词：变频调速；节能改造；循环水泵
中图分类号：TU833∶TM921.5  文献标识码：B  文 章编号：1007—6921(2010)01—0099—02

金桥热电厂是内蒙古自治区首府呼和浩特市第一座单机容量为30万千瓦的现代化大型热力发 电厂，位于城市南端，现装机容量为2×300MW。整个热网系统由2×300MW供热机组的采暖抽 气作为热网首站加热器的加热汽源，采暖介质为热水，由电机驱动5台1 000kW的循环水泵将 加热的水经一级管网送至城发热力公司各热源点，向热力用户提供半年的供热量。
1 现状分析

由于供热系统自身的特点，热网循环系统在运行中主要保证水循环稳定和压力恒定，即控制 好水位、水压达到安全运行的目的，同时还需考虑不同负荷时循环水流量的调节。目前，金 桥热电厂热网循环泵为工频运行方式，即不论机组负荷高低，始终以额定转速运行，电机的 出力却并没有变化，因此只能靠水泵的阀门开度来调节流量，这样除产生大量的节流损耗外 ，调节反应速度也慢。若对电机采用变速调节，可根据机组不同负荷，调节泵的运行转速， 以适应机组对循环水压力和流量的需求，克服了循环水泵采用阀门节流调节水量造成的极大 浪费，可以方便地调整机组的供热量，节能效果明显，特别是在低负荷工况运行时，节能效 果更显著，而且对水循环稳定和压力恒定也起到了良好的效果。
2 变频调速技术

根据以上分析，电机的变速调节也就成为电厂辅机节能改造的主要技术思路。而交流变频调 速技术以其高效率、宽范围和高精度的优异调速性能，可以满足各种不同需求，被认为是目 前诸多调速方法中最有前途的一种。交流变频调速是集电力电子、自动控制、微电子、电机 学等学科领域的技术于一身的一项高新技术。交流变频调速技术是用变频电源改变电动机定 子绕组的频率，从而改变同步转速来实现调速。在变频调速系统中调速时，须同时调节定子 电源的电压和频率，在这种情况下机械特性基本平行移动，转差率不变。这种方法在节能改 造方面得到广泛应用，成为电厂辅机节能改造中首选方案。
3 变频调速节能原理

下面，笔者就传统的变阀调节和交流变频调节的经济性作一分析：

水泵运行时，经常需要调节流量。传统的做法是变阀调节。变阀调节就是利用改变管道阀门 的开度，来调节泵与风机的流量。变阀调节时，泵或风机的功率基本不变，泵或风机的性能 曲线不变，而管道阻力特性曲线发生变化，泵或风机的性能曲线与新的管道阻力特性曲线的 交点就是新的工作点。

变频调节就是利用改变性能曲线方法来改变工作点，变频调节中没有附加阻力，是比较理想 的一种调节方法。通过变频器改变电源的工作频率，从而实现对交流电机的无级调速。泵和 风机采用变速调节时，其效率几乎不变，流量随转速按一次方规律变化，而轴功率按三次方 规律变化。同时采用变频调节，可以降低泵和风机的噪声，减轻磨损，延长使用寿命。

如图1，S1是额定运行水泵的扬程—流量特性，R1是阀门最大开度时的阻力特性，M1是额定 运 行点，对应的扬程为H1，流量为Q1，电动机的消耗功率正比于H Q的乘积：P1=KH1Q1，若关 小阀门以减小流量到Q2，此时，管网阻力特性是R2，水泵的运行点为M3，此时扬程反而增加 了，电动机消耗功率略有减少：P2=KH3Q2 ，K—比例系数；若用降低转速，扬程—流量特性 变为S2，而管网阻力特性仍为R1，水泵运行点变为M2，此时扬程降低很多，电动机消耗功率 大为减少，P3=KH2Q2， K—比例系数，从图中可以清楚看出，在同样的流量Q2时，降低转速 时的扬程H2比关小阀门时的扬程H3小很多， 因而电动机消耗功率大为减少。这就是水泵变 频调速节能的简单原理。
4 改造方案

鉴于以上分析，为节能降耗考虑，将对金桥热电厂热网循环泵控制方式进行如下改造：金桥热电厂有五台热网循环水泵，为节约设备投资， 我们选用两套“一拖二”高压变频装置 ，分别带#1、#2与#3、#4热网循环泵电机，#5热网循环水泵暂不改造。变频器6kV电源取自6 kV母线段。高压变频系统电气连接系统如图2所示(此图为1#、2#循环水泵，3#、4#循环水 泵同理)。

此方案是一拖二手动旁路的典型方案：由6个手动高压隔离开关QS1—QS6、TF高压变频器、 高压开关QF1、QF2、电动机M组成，高压开关QF1、QF2、电动机M1、M2为现场原有设备。要 求QS2和QS3之间实现可靠机械互锁，不能同时闭合；QS5和QS6之间实现可靠机械互锁，不能 同时闭合；QS1和QS4实现电气互锁，QS2和QS5实现电气互锁，保证系统运行的可靠性。

M1变频运行时，QS3、QS4、QS5断开，QS1和QS2闭合。此时M2也可以闭合QS6实现工频运行； M1工频运行时，QS1和QS2断开，QS3闭合。

M2变频运行时，QS6、QS1、QS2断开，QS4和QS5闭合。此时M1也可以闭合QS3实现工频运行； M2工频运行时，QS4和QS5断开，QS6闭合。每台电机既可以变频运行也可以工频运行，如果 变频器出现严重故障，电机可以手动切换到工频电网运行。变频器检修完毕后，手动切换返 回变频调速状态。
5 节能效果分析
5.1 直接经济效益

通过上述方案改造后，现将#3热网循环泵变频改造前后电流的变化及消耗的电量进行统计分 析比较(以2008年10月20日单台#3热网循环泵工频运行与11月8日单台#3热网循环泵变频运 行全天运行数据统计值进行比较)。

若按电流差值计算，经运行比较发现热网循环泵在满足现有供热面积的情况下，改造后平均 每小时节约电量419.6度。电力上网电价按0.285元/度计算，每年热网循环泵变频运行按6 个月计算，则每台热网循环泵变频运行节电效益约为： 0.285×419.6×24×180＝51.7(万 元)

若按供电单耗计算(供电单耗=电机功率/流量)，改造后平均供电单耗降低值：0.405-0.25 9=0.146(度/t)。供水量按工频平均每小时2358t计算，可节约电量：0.146×2358=344. 27(度)。电力上网电价按0.285元/度计算，每年热网循环泵变频运行按六个月计算，则每 台热网循环泵变频运行节电效益约为：344.27×0.285×24×180=42.39(万元)。

经两种计算比较，节电效益相差不大。

如此可见，金桥热网循环泵电机增设两套变频装置后，每年因单台变频运行节能带来的直接 经济效益最少约为43万元。若两台热网循环泵同时变频运行，每年因变频运行节能带来的直 接经济效益最少约为86万元，变频装置的投资将在两年内得以回收。
5.2 间接经济效益

从变频器投入运行的应用效果来看，完全达到了用户进行热网泵变频改造的目的，和改造前 相比， 在热网循环泵运行过程中不仅具有明显的节电效果，而且从其他方面也带来了间接 经济效益。
热网循环泵调节阀门在改造后一直处于全开状态，对其维护量大大减少，消除了因阀门开度 调节引致的节流损失，提高了系统效率，节省了因冲蚀需经常更换阀门的费用。 

变频启动时电机转速从零逐渐平稳升到所需转速，没有任何冲击，电流从零开始上升，不会 超过额定电流，改善了启动特性，实现了软启动，启动电流小且平稳，减少对电网和设备的 冲击，减小机械振动和磨损，提高设备运行的稳定性，减少设备运行的故障率，提高设备运 行可靠性，延长使用寿命，降低设备运行维护费用。

能方便协调生产，改善生产调节方式，提高了自动化水平。调节能力增强，大大地减轻检修 人员的劳动强度，减少维护时间和工作量，节省运行维护费用，提高了经济效益。

投入变频系统后，工艺参数都能很好满足生产工艺的要求，泵可以随热负荷的变化而调节输 出功率，具有优异的调节性能。调节平稳、调节范围宽、调节线性度可达0.99，控制精度高 。机组可以深度负荷调峰，投运在不同转速，满足流量连续变化的要求。
5.3 节能差异分析

虽然所有变频调节都具有以上特性，但由于设备、操作、运行等不同情况，节能效果也有很 大差别：
①变频改造的节能效果与原来采用的调整方式有关，变频改造要节能一定要降低频率，下降 值越大，节电越多。不降低频率，变频器原则上是不能节电的。②变频改造的节能效果与电动机负载率有关，负载率低相应节电率高些，从改造后的实际效 果看，机组负荷率越小，节能效果越显著，随着机组负荷率增加，节能效果逐渐下降。③变频改造的节能效果与电动机工作方式有关，例如，连续运转、短时运转、间歇运转的节 电量是不同的，与电动机开动时间长短有关。例如，一天开机24h，一年开365天的节电量就 大，反之则小。④变频改造的节能效果还与电动机本身功率大小有关。同样节电率下，功率大的节电量值大 ，经济效益就大。
6 结束语

随着厂网分开，竞价上网日趋激烈，各发电企业竞争日趋激烈，进一步挖掘节能潜力，建立 节能型企业，提高发电企业竞价上网的竞争能力，是发电厂发展的方向，对厂用辅机(如凝 结水泵、引风机等)进行变频改造将会成为一种趋势。
［参考文献］
［1］ 徐甫荣.大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析［J］.电源技术应用，2 002，5(5)：231~236.
［2］ 逯乾鹏，项立峥.高压变频调速与电厂节能［J］.变频器世界，2006，(8)：6~ 8.
［3］ 唐立滇.高压变频器在火力发电厂300MW机组引风机上的应用［J］.变频器世界 ，2008，5：59~62.

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