高压变频调速装置在十里泉电厂补水泵上的应用

摘要：本文从节能及投资回报、运行可靠性等方面对高压变频的应用进行评估，介绍了高压变频调速在发电厂补水泵上的应用方案、试验和运行情况，并总结变频运行的特点。
关键词：高压变频、风机和泵、节能、可靠性

前言：
发电厂风机和泵类大型电动机均由高压电动机驱动，它们包括送风机、引风机、一次风机和各种水泵，这些高压电动机的耗电量占整个厂用电的80％左右。目前，发电厂风机和水泵的设计裕量明显过大，而且大都采用节流调节，因此风机、水泵以及异步电动机都运行在中低负荷的低效率区，能量损耗相当大，如果机组调峰运行，整个拖动系统效率将更低。

随着电力电子技术和微处理器技术的发展，到上世纪90 年代，6KV、10KV等级的高压变频调速装置的研制生产成为可能，经过近十年的发展，高压变频技术进展非常快，产品稳定性和可靠性达到实用程度，市场趋于成熟，近年来有很多成功应用于发电厂的案例。因此，采用高压变频调速装置对大型用电设备进行改造成为发电厂节能降耗、提高机组自动化程度、提高企业竞争力的重要措施。

1、立项评估
1.1、节能及投资回报评估
由风机和泵的变速调节特性可知：流量Q 正比于转速N，压头H 正比与N2，而功率正比于N3。从理论上分析，当流量由100％降至50％，则转速可从100％降至50％，此时压头降低4 倍至25％，而电机的轴功率则可降低8 倍至12.5％。实际上，扣除因转速下降引起的电动机效率下降、以及变频调速装置本身效率等因素，节能效果仍相当显著，一般可达30％－60％，视发电机组运行的负荷度和风机和泵管路系统而不同。

十里泉发电厂目前由三十公里外的水源地供水，水源地共装有五台水泵，均由560KW/6KV 高压电动机拖动，多数情况下开1－2 台泵运行就可以满足发电要求，采用手动节流调节方法控制水流量。如果节流阀开度不大、并且水流量足够，则停一台水泵；如果节流阀全开仍不满足水流量要求，则再开启一台水泵，由于管道长达三十公里、且节流阀始终处于调节状态，如选择一台水泵进行变频调速改造，节流阀全开，实现恒水压控制，不但具有良好的节能效果，泵站的控制特性也大为改善。

变频改造后，如变频泵平均流量降低到80％（与节流阀全开相比），则理论上，功率降低为51.2％，扣除电动机和变频器功率损失、再扣除节流调节时也具有一定的节能效果，功率可降低到65％以下，平均节能应在35％以上。工频运行平均负荷按0.95×560KW 计算，每年运行300 日7200 小时，每年节电134万度，按上网电价算两年不到收回投资，如按售价算，则一年收回投资。

1.2、高压变频调速装置选型
对于6KV 等级，目前主要有三种方式的高压变频装置：单元串联多电平型、三电平型和电流源型。由于单元串联多电平方式容易实现冗余运行，在单元故障时能进行旁路而不影响电动机连续运行，并且具有谐波小、dv/dt 低、技术成熟等显著优点，因此决定采用这种方式的高压变频器。

对国内外各厂家的单元串联多电平型高压频装置进行性能价格比较和运行可靠性评估，选用了上海科达机电控制有限公司和上海发电设备成套设计研究所生产的MAXF700-6000/750 型高压变频调速装置，该类型产品还具有如下特点：
􀃎 功率单元冗余运行、故障时自动快速旁路。
􀃎 可在线更换功率单元，不需停机。
􀃎 采用无极性电力电容代替电解电容，提高装置寿命和整体可靠性。
􀃎 采用特制散热器，使功率单元温升小，装置体积小。
􀃎 输出dv/dt 低，电动机绝缘不受损害。
􀃎 电网自动重合闸后继续运行。

1.3、控制方式
变频改造后，采用装置内置的PID 控制器实现自动恒水压控制，压力变送器安装在母管上，无论是变频泵单独运行，还是工频泵与变频泵并列运行，均由变频泵进行水压调节。变频装置设置运行频率高限和低限，以防止变频泵空转。设压力过高和压力过低指示以提示运行人员停止、开启工频泵。变频装置安装在高压柜厂房，采用远方控制，远方可显示压力当前值和设定值、输出频率和输出功率，可进行自动/手动运行方式切换，自动为恒水压运行，手动为恒频率运行。

2、试验和运行
装置现场安装、现场调试以及投入正常运行全过程相当顺利，随后设置了装置参数、电动机参数、整定了自动恒水压控制的PID 参数、测量和整定了装置运行频率高限和低限，并进行了一系列功能试验和特殊工况试验：
􀃎 观察输出电压电流波形，如图一




图一：装置电压电流波形（电流滞后）

􀃎 单元切换和自动平衡试验：在额定负荷时，依次切换1－15 功率单元，电动机始终保持连续运行，且单元投切后三相电压电流保持平衡。

􀃎 自动手动切换试验：在自动恒水压控制和手动恒频率控制之间切换，装置运行频率和水压波动不超过规定值。

􀃎 自动运行时阶跃响应试验：由于变频泵在运行时，要承受工频泵的开停冲击，这相当于约20％的阶跃量，因此，试验时，在自动运行状态下对设定值施加20％阶跃变化，超调量和振荡次数不超过规定值。

􀃎 变压器和装置温升测定，额定连续运行24 小时，测定输入移相整流变压器和各单元温升。

􀃎 变频泵运行时，工频泵投切试验：自动运行时，升高设定值到装置给出“压力过低”报警信号，投入一台工频泵，此时变频泵应自动降低转速并将母管压力调节到设定值，超调量和振荡次数不超过规定值，报警信号自动消失。降低设定值到装置给出“压力过高”报警信号，切除一台工频泵，此时变频泵应自动降低转速并将母管压力调节到设定值，超调量和振荡次数不超过规定值，报警信号自动消失。

高压变频投入运行后，节流阀全开，采用远方自动恒水压控制方式，平时运行人员只需改变压力设定值（在操作室用按钮进行升降设定），多数情况下，变频器运行在40Hz 左右，功率270KW 左右，高压输入电流30A 不到，而50Hz定速运行时功率约530KW，高压输入电流60A 左右。

3、节能情况
经长时间运行，同时考核实际节能情况，如前所述，多数情况下，变频器运行在42Hz 上下，平均功率320KW 左右，与50Hz 定速运行530KW 比较，平均节电率39.6％。年节电151 万度。

前面所述的是采用节流调节时的情况，如果采用的是水量控制方法：当储水池水量过多时停一台水泵，水量不足时开启一台水泵，此时节流阀也全开，这种情况下如果采用变频调速，其节能情况如何呢？

首先假设是一台水泵每天开12 小时，停12 小时就可以满足水量要求，则开12 小时过程中，功率为P，流量为Q，一天中的平均功率为0.5P。进行变频运行后，每天开24 小时，流量为0.5Q，按照风机和泵的特性，理论上，功率降为0.125P，扣除电动机和变频器功率损失，节能仍在30％左右。按照水量控制方法，长期运行的实际情况接近以上假设的工况，因此，对于多台水泵并列运行的情况进行变频改造，无论是节流调节方式还是水量控制方式，均具有良好节能效果。

4、变频运行的其它优点
该泵站经高压变频改造后，除了节能外，水流量控制特性以及电动机和泵的运行特性明显改善，主要有：

􀃎 实现恒母管水压控制：运行人员只需改变母管压力设定值，不再调整节流阀，运行自动化程度大为提高，运行和维护工作量降低。

􀃎 管道压力降低：原来节流调节时，流量变小时，管道压力反而升高，不利于管道安全运行，容易爆管，而采用变频调节后，流量变小时，管道压力变低。

􀃎 电动机软启动，避免水泵频繁启停：经测量，变频运行时起动电流小于5A，而工频直接起动电流超过300A，因此，变频运行完全消除了因直接启动造成的对电动机和电网的冲击，降低了电动机故障率。

􀃎 功率因素提高：从电网侧看，工频运行时功率因素为0.85 左右，变频运行时功率因素达到0.95，因此，即使同样是满负荷运行，变频运行时，高压输入电流明显比工频运行小，这也有利于节能和设备安全运行。

􀃎 电机和泵转速降低：设备转速降低后，运行噪声降低，磨损减少，设备寿命增长。

􀃎 控制响应速度增快：改变水压设定值后，装置迅速改变运行转速进行调整，母管水压迅速跟踪设定值。

5、结束语
高压变频调速装置用于拖动发电厂大型风机和泵电动机，不仅节能，而且大为改善控制特性和运行特性。目前，高压变频技术日趋成熟，其运行可靠性已达到发电厂要求，建议大力推广使用。