變頻技術(shù)在凝結(jié)水泵上的運用與節(jié)能分析
隨著環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的要求越來越高，如何給人類提供方便舒適的環(huán)境下盡量的節(jié)約能源，成了熱點話題。泵和風機是電廠的主要耗能設(shè)備，近幾年建湖公司先后對輸渣皮帶、除鹽水泵、引風機等進行了變頻改造，變頻技術(shù)在我公司逐步得到了應(yīng)用，也取得了明顯的節(jié)能效果。本文分析了凝結(jié)水系統(tǒng)存在的能源浪費問題、運行特性和變頻節(jié)能原理，通過節(jié)能效果分析,表明該項技術(shù)可以取得可觀的經(jīng)濟效益,而且在電力工業(yè)中具有很好的推廣價值。
一 現(xiàn)狀分析
目前森達建湖熱電公司為2×15MW抽凝式汽輪機組。機組凝結(jié)水泵系統(tǒng)存在能耗高、效率低的問題,長期處于中低負荷運行，而凝結(jié)水泵在設(shè)計選型時留有足夠的設(shè)計富裕量，依靠節(jié)流調(diào)節(jié)泵出口流量，工頻定速運行耗電量大，在機組低負荷運行時效率很低，長期偏離經(jīng)濟運行工況，造成電動機電能浪費，而且頻繁對閥門進行調(diào)節(jié)，也造成了閥門的可靠性下降，影響機組的穩(wěn)定運行。為了降低發(fā)電成本，有效降低廠用電率，針對機組情況，采用變頻調(diào)速裝置使凝結(jié)水泵在變頻工況下始終處于優(yōu)參數(shù)運行，即除氧器上水門和水泵出口閥門保持全開，通過變頻調(diào)速裝置的輸出頻率改變電機的轉(zhuǎn)速來滿足負荷工況變化的需求，大大提高運行效率，達到節(jié)能的目的，獲得良好的經(jīng)濟效益。
二 設(shè)備情況
#1和#2機組共配備4臺380/30kw凝結(jié)水泵,每臺凝泵實現(xiàn)一拖一控制。
1.電機參數(shù):
電機額定功率30kw，額定電壓380V，額定電流59.5A，額定轉(zhuǎn)速2950r/min，效率93.1%，
功率因數(shù)0.89。
2.水泵參數(shù):
水泵揚程80m，流量57m3/h，轉(zhuǎn)速2080r/min，效率78%,設(shè)計算留有裕量，一臺運行，一臺聯(lián)鎖備用。
3.流量調(diào)節(jié)閥開度：0-99.99%可調(diào)
4.開機情況 ：年平均8000小時左右。
三 變頻系統(tǒng)功能與特點：
1．變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的采用頻率可在20-50Hz之間變化，能適應(yīng)各種負荷工況穩(wěn)定調(diào)節(jié)的要求.
2．變頻控制改造后，去掉控制閥門節(jié)流的環(huán)節(jié)，降低節(jié)流損失。
3．采用開環(huán)變頻控制，穩(wěn)定性好，精度高。
4．由于變頻器的軟啟動，減少啟動大電流對電機的沖擊，相對延長了電機的使用壽命，減少維修量。
5．選用變頻器,主要有以下優(yōu)點：
(1)．減少生產(chǎn)停機時間。如果使用中變頻器出現(xiàn)故障，變頻器會發(fā)出故障信號，并切換為工頻繼續(xù)工作。在電廠中，設(shè)備工作的可靠性至關(guān)重要。選用變頻器加工頻備用,您就可獲得這種可靠性 。
（2）． 電壓范圍廣變頻器可在300V～450V之間電壓范圍內(nèi)正常工作，這意味著它可抵受高電壓波動帶來的影響。還可以根據(jù)要求進行瞬時掉電再啟動。
（3）．提高了電機的功率因數(shù)，避免不必要的電能損耗。
（4）．自動化程度高，維護方便，操作簡單。
（5）．因變頻器是軟啟動方式，采用變頻器控制電機后，電機在起動時及運轉(zhuǎn)過程中均無沖擊電流，而沖擊電流是影響接觸器、電機使用壽命的最主要、最直接因素，因此可大大延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。
四 變頻技術(shù)在凝結(jié)水泵上的應(yīng)用
1．方式選擇：凝結(jié)水系統(tǒng)每臺泵都安裝變頻調(diào)試裝置具有“DCS自動恒水位控制”、“DCS/就地手動調(diào)頻” 、“工頻運行”三種運行方式。
1)DCS自動恒水位變頻運行:
液位變送器送出4-20mA水位信號至DCS，由DCS內(nèi)置的PID閉環(huán)輸出4-20mA信號，調(diào)節(jié)凝泵電機的轉(zhuǎn)速進行恒水位控制。
2)DCS手動調(diào)節(jié)變頻運行:
由DCS手動給定4-20mA指令信號，調(diào)節(jié)變頻器的運行頻率來控制凝泵的水位。
3)工頻運行:
當變頻器由于某特殊原因退出運行時,可切至工頻運行,工頻動力回路由熱繼電器進行保護。
2．一拖一變頻控制柜實現(xiàn)功能
1)變頻器選用進口ABB型號ACS800，功率為37KW，控制方式為V/F曲線運行。
2)變頻器輸出側(cè)的交流接觸器與工頻運行下的交流接觸器實現(xiàn)電氣閉鎖和機械互鎖（C1與C2）雙保險.
3)此控制可通過“DCS/就地”切換開關(guān)，實現(xiàn)控制柜和DCS的兩地控制。
4)動力電源輸入側(cè)接ABB塑殼斷路器作為變頻器的后備保護；輸出側(cè)接隔離斷路器，以作電機檢修時的明顯斷點。
5)ABB變頻控制柜采用對流強排式散熱。
3.變頻器柜與控制室DCS的連接信號
1)集控室DCS至變頻柜連接信號
（1）變頻或工頻的“啟”、“?！毙盘枺o源空接點）
（2）“DCS自動閉環(huán)調(diào)節(jié)”或“DCS手動給定指令調(diào)節(jié)”的信號（4-20mA）。
2)變頻柜至集控室DCS連接信號
（1）“遠方/就地”切換開關(guān)狀態(tài)信號
（2）“變頻/工頻”切換開關(guān)狀態(tài)信號
（3）凝泵在變頻或工頻運行接點信號
（4）凝泵電機的轉(zhuǎn)速信號（4-20mA）
（5）變頻器保護動作后的報警信號
五 節(jié)能效果分析:
1. 負載特性分析
為適應(yīng)用水量的變化，調(diào)節(jié)出水流量，通常采用兩種方法來完成流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。一種是利用控制閥或節(jié)流閥進行節(jié)流，以改變出水流量;另一種是泵的調(diào)速控制，調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來改變出水流量。圖l為水泵調(diào)速時的全揚程特性（H—Q）曲線。
圖1 水泵調(diào)速時的H-Q曲線
在上圖中，曲線n0表示,管路中閥門開度不變時，水泵在額定轉(zhuǎn)速下的揚程—流量曲線。R1表示水泵轉(zhuǎn)速不變時，全揚程與流量之間的關(guān)系曲線，又稱管阻特性曲線。H0為供水量Q接近0時，所需的揚程等于實際揚程，其物理意義是：如果全揚程小于實際揚程，系統(tǒng)將不能供水。
由上圖可知，水泵的揚程特性曲線和管網(wǎng)的管阻特性曲線有交叉點，這個點就是水泵工作時既滿足揚程特性又滿足管阻特性，供水系統(tǒng)工作于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
在使用管道閥門控制時，當流量要求從QA減小到QB，就必須減小閥門開度。這時供水管道的阻力變大，管阻特性曲線從R1移到R2，揚程則從HA上升到HB，運行工況點從A點移到B點。
在使用水泵調(diào)速控制時，當流量要求從QA減小到QB，由于閥門開口度不變，管道的阻力曲線R不變，此時水泵的特性取決于其轉(zhuǎn)速。如果把速度從n0降到n1，運行工況點則從A點移到C點，揚程從HA下降到HC。
根據(jù)水泵特性曲線公式：  公式1
其中：P——為泵使用的工況點軸功率（KW）;
Q——為使用工況點的水壓或流量（m2/s）;
H——為使用工況點的揚程（m）;
ρ——為輸出介質(zhì)的密度（kg/m3） ;
η——為使用工況點的泵的效率（%）;
由公式1，可得出在使用閥門調(diào)節(jié)時，水泵運行在B點的軸功率，和用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，水泵運行在C點的軸功率分別為： 
兩個工況點的水泵軸功率之差為：（B、C兩工況點輸出介質(zhì)流量Q相等）
 公式2
由公式2可以看到，要求相同的流量時，若是使用閥門調(diào)節(jié)來控制流量，則相對于水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，有ΔP的功率被損耗浪費了。并且隨著閥門的不斷關(guān)小，這個損耗還要增加。
根據(jù)水泵的相似原理可知：當水泵速度變化時，流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。從這一比例定律關(guān)系可見，同一臺泵在轉(zhuǎn)速變化時，泵的主要性能參數(shù)將按上述比例定律變化并且在變化過程中保持效率基本不變。由此可見，采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法來調(diào)節(jié)流量，電動機所取用的電功率將大為減少。因而，這是一種能夠顯著節(jié)約能源的好方法。
采用變頻調(diào)速方法，水泵的主要參數(shù)和軸功率變化如下表：
2.變頻調(diào)速原理
目前，我國使用的水泵絕大多數(shù)都使用三相異步電動機進行拖動。要調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速直接調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速即可。
由電機學(xué)原理可知，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速有以下公式表示：
 公式3
其中，s——為電動機轉(zhuǎn)差率（對于電動機為常量）;
p——為電動機定子繞組極對數(shù)（對于電動機為常量）;
f——為電動機的供電頻率（Hz）
所以，只要調(diào)整供給異步電動機的電源頻率，就可以實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速變化的控制。
當前已經(jīng)大量應(yīng)用的變頻器就是一種融合了電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)等，可以將電源頻率予以直接地或間接地改變后再進行輸出的設(shè)備。由于變頻器內(nèi)的軟件構(gòu)成及制造原理，我們在使用時不需要過多的考慮頻率和電壓的關(guān)系，只要根據(jù)受控電動機的負載特性進行匹配選擇和軟件設(shè)定即可。
使用變頻器拖動控制水泵時，其轉(zhuǎn)速可在滿足供水系統(tǒng)需求的情況下調(diào)整，而且可以實現(xiàn)軟啟動、軟停車、無級調(diào)速，將電動機起動電流降低到額定電流 1.5倍左右，使電動機的電氣部分和軸承機械承受的沖擊大為減小，同時有效避免了管道內(nèi)的水錘效應(yīng)，避免了管道流量的突變，減少了爆管、滴漏的發(fā)生機率。更重要的是，能夠?qū)崿F(xiàn)與供電頻率成立方比例的軸功率大幅降低，極大地降低了電動機消耗的電能。變頻器內(nèi)置PID控制功能與傳感器、變送器和PLC等組合可以輕松實現(xiàn)供水系統(tǒng)的自動化控制。
3. 節(jié)能分析
原系統(tǒng)工頻運行時fn=50 Hz，閥門開度在50%左右。改造后變頻運行閥門全開，根據(jù)流體力學(xué)水流穩(wěn)定時，水泵的軸功率P與轉(zhuǎn)速的立方成正比，所以滿足機組用水的情況下，變頻器運行頻率可長期運行在f =40Hz以下，電動機的軸功率P為：P/PN=(f/fn)3 P=(f/fn)3?PN =(40/50)3?PN =0.512 PN 減去管路水流阻力損失，實際節(jié)能達40%以上。一臺機的凝結(jié)水泵運行時間為8000小時，電機功率為30KW，則節(jié)能： 0.4×30×8000=96000KWh電價按0.5元/度，則年節(jié)能48000元。從實際使用情況來看，凝泵電流由原來的45A降到了33A。節(jié)電效果非常明顯，而且也減少了維修的頻率和費用。(建湖公司 徐俊之)
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