摘要：本文從節(jié)能及投資回報(bào)、運(yùn)行可靠性等方面對高壓變頻的應(yīng)用進(jìn)行評估，介紹了高壓變頻調(diào)速在發(fā)電廠補(bǔ)水泵上的應(yīng)用方案、試驗(yàn)和運(yùn)行情況，并總結(jié)變頻運(yùn)行的特點(diǎn)。
　　

關(guān)鍵詞：高壓變頻、風(fēng)機(jī)和泵、節(jié)能、可靠性

　　
前言：

　　發(fā)電廠風(fēng)機(jī)和泵類大型電動(dòng)機(jī)均由高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，它們包括送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)和各種水泵，這些高壓電動(dòng)機(jī)的耗電量占整個(gè)廠用電的80％左右。目前，發(fā)電廠風(fēng)機(jī)和水泵的設(shè)計(jì)裕量明顯過大，而且大都采用節(jié)流調(diào)節(jié)，因此風(fēng)機(jī)、水泵以及異步電動(dòng)機(jī)都運(yùn)行在中低負(fù)荷的低效率區(qū)，能量損耗相當(dāng)大，如果機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行，整個(gè)拖動(dòng)系統(tǒng)效率將更低。
　　
　　 隨著電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，到上世紀(jì)90 年代，6KV、10KV等級(jí)的高壓變頻調(diào)速裝置的研制生產(chǎn)成為可能，經(jīng)過近十年的發(fā)展，高壓變頻技術(shù)進(jìn)展非?？?，產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性達(dá)到實(shí)用程度，市場趨于成熟，近年來有很多成功應(yīng)用于發(fā)電廠的案例。因此，采用高壓變頻調(diào)速裝置對大型用電設(shè)備進(jìn)行改造成為發(fā)電廠節(jié)能降耗、提高機(jī)組自動(dòng)化程度、提高企業(yè)競爭力的重要措施。
　　
　　

1、立項(xiàng)評估

　　1.1、節(jié)能及投資回報(bào)評估
　　 由風(fēng)機(jī)和泵的變速調(diào)節(jié)特性可知：流量Q 正比于轉(zhuǎn)速N，壓頭H 正比與N2，而功率正比于N3。從理論上分析，當(dāng)流量由100％降至50％，則轉(zhuǎn)速可從100％降至50％，此時(shí)壓頭降低4 倍至25％，而電機(jī)的軸功率則可降低8 倍至12.5％。實(shí)際上，扣除因轉(zhuǎn)速下降引起的電動(dòng)機(jī)效率下降、以及變頻調(diào)速裝置本身效率等因素，節(jié)能效果仍相當(dāng)顯著，一般可達(dá)30％－60％，視發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的負(fù)荷度和風(fēng)機(jī)和泵管路系統(tǒng)而不同。
　　
　　 十里泉發(fā)電廠目前由三十公里外的水源地供水，水源地共裝有五臺(tái)水泵，均由560KW/6KV 高壓電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，多數(shù)情況下開1－2 臺(tái)泵運(yùn)行就可以滿足發(fā)電要求，采用手動(dòng)節(jié)流調(diào)節(jié)方法控制水流量。如果節(jié)流閥開度不大、并且水流量足夠，則停一臺(tái)水泵；如果節(jié)流閥全開仍不滿足水流量要求，則再開啟一臺(tái)水泵，由于管道長達(dá)三十公里、且節(jié)流閥始終處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，如選擇一臺(tái)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速改造，節(jié)流閥全開，實(shí)現(xiàn)恒水壓控制，不但具有良好的節(jié)能效果，泵站的控制特性也大為改善。
　　
　　 變頻改造后，如變頻泵平均流量降低到80％（與節(jié)流閥全開相比），則理論上，功率降低為51.2％，扣除電動(dòng)機(jī)和變頻器功率損失、再扣除節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)也具有一定的節(jié)能效果，功率可降低到65％以下，平均節(jié)能應(yīng)在35％以上。工頻運(yùn)行平均負(fù)荷按0.95×560KW 計(jì)算，每年運(yùn)行300 日7200 小時(shí)，每年節(jié)電134萬度，按上網(wǎng)電價(jià)算兩年不到收回投資，如按售價(jià)算，則一年收回投資。
　　
　　1.2、高壓變頻調(diào)速裝置選型
　　 對于6KV 等級(jí)，目前主要有三種方式的高壓變頻裝置：單元串聯(lián)多電平型、三電平型和電流源型。由于單元串聯(lián)多電平方式容易實(shí)現(xiàn)冗余運(yùn)行，在單元故障時(shí)能進(jìn)行旁路而不影響電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行，并且具有諧波小、dv/dt 低、技術(shù)成熟等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此決定采用這種方式的高壓變頻器。
　　
　　 對國內(nèi)外各廠家的單元串聯(lián)多電平型高壓頻裝置進(jìn)行性能價(jià)格比較和運(yùn)行可靠性評估，選用了上?？七_(dá)機(jī)電控制有限公司和上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所生產(chǎn)的MAXF700-6000/750 型高壓變頻調(diào)速裝置，該類型產(chǎn)品還具有如下特點(diǎn)：
　　功率單元冗余運(yùn)行、故障時(shí)自動(dòng)快速旁路。
　　可在線更換功率單元，不需停機(jī)。
　　采用無極性電力電容代替電解電容，提高裝置壽命和整體可靠性。
　　采用特制散熱器，使功率單元溫升小，裝置體積小。
　　輸出dv/dt 低，電動(dòng)機(jī)絕緣不受損害。
　　電網(wǎng)自動(dòng)重合閘后繼續(xù)運(yùn)行。
　　
　　1.3、控制方式
　　 變頻改造后，采用裝置內(nèi)置的PID 控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒水壓控制，壓力變送器安裝在母管上，無論是變頻泵單獨(dú)運(yùn)行，還是工頻泵與變頻泵并列運(yùn)行，均由變頻泵進(jìn)行水壓調(diào)節(jié)。變頻裝置設(shè)置運(yùn)行頻率高限和低限，以防止變頻泵空轉(zhuǎn)。設(shè)壓力過高和壓力過低指示以提示運(yùn)行人員停止、開啟工頻泵。變頻裝置安裝在高壓柜廠房，采用遠(yuǎn)方控制，遠(yuǎn)方可顯示壓力當(dāng)前值和設(shè)定值、輸出頻率和輸出功率，可進(jìn)行自動(dòng)/手動(dòng)運(yùn)行方式切換，自動(dòng)為恒水壓運(yùn)行，手動(dòng)為恒頻率運(yùn)行。
　　
　　

2、試驗(yàn)和運(yùn)行

　　 裝置現(xiàn)場安裝、現(xiàn)場調(diào)試以及投入正常運(yùn)行全過程相當(dāng)順利，隨后設(shè)置了裝置參數(shù)、電動(dòng)機(jī)參數(shù)、整定了自動(dòng)恒水壓控制的PID 參數(shù)、測量和整定了裝置運(yùn)行頻率高限和低限，并進(jìn)行了一系列功能試驗(yàn)和特殊工況試驗(yàn)：
　　觀察輸出電壓電流波形，如圖一

圖一：裝置電壓電流波形（電流滯后）

　　單元切換和自動(dòng)平衡試驗(yàn)：在額定負(fù)荷時(shí)，依次切換1－15 功率單元，電動(dòng)機(jī)始終保持連續(xù)運(yùn)行，且單元投切后三相電壓電流保持平衡。
　　
　　自動(dòng)手動(dòng)切換試驗(yàn)：在自動(dòng)恒水壓控制和手動(dòng)恒頻率控制之間切換，裝置運(yùn)行頻率和水壓波動(dòng)不超過規(guī)定值。
　　
　　自動(dòng)運(yùn)行時(shí)階躍響應(yīng)試驗(yàn)：由于變頻泵在運(yùn)行時(shí)，要承受工頻泵的開停沖擊，這相當(dāng)于約20％的階躍量，因此，試驗(yàn)時(shí)，在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下對設(shè)定值施加20％階躍變化，超調(diào)量和振蕩次數(shù)不超過規(guī)定值。
　　
　　變壓器和裝置溫升測定，額定連續(xù)運(yùn)行24 小時(shí)，測定輸入移相整流變壓器和各單元溫升。
　　
　　變頻泵運(yùn)行時(shí)，工頻泵投切試驗(yàn)：自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，升高設(shè)定值到裝置給出“壓力過低”報(bào)警信號(hào)，投入一臺(tái)工頻泵，此時(shí)變頻泵應(yīng)自動(dòng)降低轉(zhuǎn)速并將母管壓力調(diào)節(jié)到設(shè)定值，超調(diào)量和振蕩次數(shù)不超過規(guī)定值，報(bào)警信號(hào)自動(dòng)消失。降低設(shè)定值到裝置給出“壓力過高”報(bào)警信號(hào)，切除一臺(tái)工頻泵，此時(shí)變頻泵應(yīng)自動(dòng)降低轉(zhuǎn)速并將母管壓力調(diào)節(jié)到設(shè)定值，超調(diào)量和振蕩次數(shù)不超過規(guī)定值，報(bào)警信號(hào)自動(dòng)消失。
　　
　　 高壓變頻投入運(yùn)行后，節(jié)流閥全開，采用遠(yuǎn)方自動(dòng)恒水壓控制方式，平時(shí)運(yùn)行人員只需改變壓力設(shè)定值（在操作室用按鈕進(jìn)行升降設(shè)定），多數(shù)情況下，變頻器運(yùn)行在40Hz 左右，功率270KW 左右，高壓輸入電流30A 不到，而50Hz定速運(yùn)行時(shí)功率約530KW，高壓輸入電流60A 左右。
　　
　　

3、節(jié)能情況

　　 高壓變頻調(diào)速裝置用于拖動(dòng)發(fā)電廠大型風(fēng)機(jī)和泵電動(dòng)機(jī)，不僅節(jié)能，而且大為改善控制特性和運(yùn)行特性。目前，高壓變頻技術(shù)日趨成熟，其運(yùn)行可靠性已達(dá)到發(fā)電廠要求，建議大力推廣使用。