定速给水泵的变频改造

环保发电厂风机水泵的节能问题 风机、水泵在工作过程中的功率损耗主要有电动机的轴功率、线路的损耗、控制装置的损耗和机械损耗。采用的基本节能方法有减少运行时间、采用高效率的风机和设备在满足同样风量的情况下减少通风管网的空气阻力。这些方法中减少通风管网的空气阻力是风机、水泵节能较好的途径。 然而在我国传统的设计方式使火热电厂的风机、水泵选型过大、匹配不当、功率裕度过大超出了的流量需要采用节流调节来处理。常用的调节方法是闸阀节流调节即用增大网管阻力的办法减小流量但流量减小的同时却使压头增高效率下降造成节流损失节流后的流量越小损失越大。如果节流调节使风机、水泵长期处于低效区运行能源浪费严重但如果改节流调节为调速调节不仅节能而且便于设备维护延长设备使用寿命。调速调节使风机、水泵的流量随时满足生产工艺的要求系统运行在风机、水泵的高效区随时都运行在“无裕度”状态。即使是风机、水泵的选型过大调速运行仍然能够使系统处于最佳状态与节流调节相比有明显的节能效果被认为是控制风量、流量的最理想的方法。 在相同的流量下变频调速控制比阀门控制风机水泵所消耗的有功功率要小得多且流量越小差别越大节能效果十分显著一般可达25%-60%。从而极大地改善环保发电厂的节能状况使环保发电厂的各个指标驱于最佳达到节能的目的风机和水泵节能的意义 传统的风机、泵类负载的电动机使厂用电率居高不下长期徘徊在27%-29%之间。主要有以下几个原因 1、设备陈旧效率低 2、设备实际工况远低于设计工况运行效率低长期处于轻载运行状态 3、普遍采用定速电动机拖动有70%采用风挡或阀门调节风量、流量功率损耗大。 这些风机、泵类电动机用电量占全国工业用电的50%。在热电厂风机、水泵耗电量占厂用电量的绝大部分锅炉给水泵耗电量占厂用电量的61%左右锅炉送、引风机耗电量约占厂用电量的22%水除灰的灰浆泵和循环泵的耗电量也占了不小的部分。因此对现有风机、水泵类负载进行技术节能具有非常重大的意义 2.2风机水泵的控制设备现状 风机水泵主要有以下现状 1挡板、阀门来调节流量 风机和水泵是环保发电厂中应用较多的设备而且风机和水泵的功率较大。多数风机水泵依靠挡板、阀门来调节流量当工艺需求变化时风机挡板、水泵阀门开度增加或减小。该种调节方式简单易行但它是以增加管网损耗耗费大量能源在挡板、阀门上为代价的。 2调速问题 另外在通常设计中用户配用电机的设计容量都要比实际需求高出很多造成能量的极大浪费。在原始设计中电气控制多采用直接或Y-启动不能改变风机的转速无法具有调速的功能机械冲击大传动系统寿命短震动及噪声大功率因数较低等是其主要的问题。 目前交流调速的几种方法最理想方法是变频调速。变频调速的起步大约在上世纪70年代80年代低压变频技术逐步得到推广应用。 风机、水泵变频调速的优点1、 节能效果显著 风机采用变频调速其轴功率与转速的立方成正比当转速降低时驱动电动机的电功率将以转速的立方减少因而有显著的节能效果。 2、实用性强 采用变频调速可以实现低速起动使起动电流低于额定电流避免起动力矩对电机造成的冲击损伤不仅延长了电动机的使用寿命而且无震动、无噪音。 3、安全性好 变频调速时风道档板处于全开位置其压流损失减小到零不仅避免了锅炉因风量过大而引起的操作波动大大提高了锅炉的安全性而且减轻了烟气对档板的冲蚀延长了电机和挡板的检修周期。 4、调速性能好控制方式灵活 可以非常平滑的调整风量便于运行人员对锅炉燃烧进行调整和控制。变频装置具有友好的控制方式容易与控制系统配合实现协调控制和闭环控制提高了控制精度使自动装置的可靠性大大提高。 5、调速范围大 变频装置具有一定的超速功能在不超出电机额定出力的条件下可使风机超速2.5%因而在机组满负荷下使风机的风压明显提高锅炉燃烧状况明显改善。 2、3、 2.5风机、水泵变频调速节能原理4、 1当风机水泵的转速从1n变为2n时Q、H、P大致变化关系为 1212nnQQ (2-6) 21212nnHH (2-7) 21212nnPP (2-8) Q-风量流量 H-风压扬程 P-风机水泵功率 由上式可知风机 ( 或水泵 ) 流量与转速的一次方成正比压力与转速的二次方成正比而轴功率与转速的三次方成正比。因而理想情况下有如下关系 5、6、 表2-1 流量(%) 转速(%) 压力(扬程)(%) 功率(%) 100 100 100 100 90 90 87 72.9 80 80 64 51.2 70 70 49 34.3 60 60 36 21.6 50 50 25 12.5 (1由上表可见当需求流量下降时调节转速可以节约大量能源。例如当流量需求减少一半时如通过变频调速则理论上讲仅需额定功率的12.5%即可捷运87.5%的能源。如采用传统的挡板方式调节风量虽然也可相应降低能源消耗但节约效果与变频相比则有天壤之别。 目前绝大多数发电厂控制系统中的风量调节都是通过调节风门挡板实现的这种风量调节方式不但使风机的效率降低也使很多能量白白消耗在挡板上。为节约电能提高锅炉燃烧控制水平增加经济效益采用风机变频调速系统取代低效高能耗的风门挡板已成为各发电厂节能改造的重点。、变频器基本参数的设定 1、出厂设置 常用变频器，一般出厂时，厂家对每一个参数都有一个默认值，这些参数叫工厂值。在这些参数值的情况下，用户能以面板操作方式正常运行的。 2、频率限制 即设定变频器输出频率的上、下限幅值。一般情况下电机散热靠本身风扇进行冷却，因此下限频率不能低于15HZ。如果工艺要求经常低速运行（小于15HZ），则电机要另加散热风扇。上限频率幅值不能超出50HZ,否则损坏电机。如果工艺要求频率大于50HZ，需配置专用电机。 3、电机参数 在相应参数组中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。 4、加减速时间 加减速时间就是输出频率从0上升到最大频率和从最大频率下降到0所需时间。设定时要满足在电动机加速时防止过电流，减速时以防止过电压。这需要根据负载特性定出最佳加减速时间。以使运转中不发生过电流、过电压报警为原则，将加减速时间缩短。 5、控制方式 变频器采取的控制方式，即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。 6、变频器启动方式 一般变频器在出厂时设定从面板启动，用户可以根据实际情况选择启动方式，可以用面板、外部端子、通讯方式等几种。 7、信号给定方式 一般变频器的频率给定也可以有多种方式，面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定，当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式之和。正确设置以上参数之后，变频器基本上能正常工作，如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。 8、保护参数设定 变频器提供了过压、过流、断相、接地等一系列保护功能，用户可根据实际情况选取相应功能。 定速给水泵的变频改造朱鹏举摘要：本文详细介绍了1600KW工频定速给水泵变频改造情况、系统控制方案，并对改造后的节能进行计算分析。关键词：定速给水泵 变频改造 控制方案 节能0 引言近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而迅速推广应用。汕头经济特区万丰热电有限公司共有两台220t/h自然循环锅炉，采用母管制供水方案，给水泵采取两用一备用的方式；当只有一台炉正常运行时，由单台给水泵单独供水，通过母管电动给水调节门进行水量调节。工频给水泵具体数据如下：电机：额定功率：1600KW；额定电压：6KV；额定电流：185A（实际运行电流145A）；水泵：额定流量：280t/h（实际运行流量200t/h）；出口压力：14.5Mpa；运行汽包压力要求：10.210.5Mpa。由于电机的功率比较大，又是硬启动，对其给水泵的轴瓦、平衡盘、轴封冷却水室等设备造成很大的伤害，同时对系统的冲击也大。故拟定改造为软启动，以改变更为稳定的工作环境。1 改造必要性原给水泵电机均工作在工频50Hz状态下，电能消耗量大，浪费严重而且噪音非常大，主要存在以下几个方面问题： (1) 由于给水泵电机每次刚一启动就额以定电流运行，转子瞬时达到高速运转，对泵的轴瓦造成了很大的磨损，乌金发热、熔化；而一旦轴瓦受损，泵的震动就大，轴封的密封环就遭到破坏，泵体内的水就往外喷，泵就无法正常运行。得停泵检修，而给水泵的检修难度不但大，措施也不好做。而且不是检修完了就能正常运行，还要观察一段时间，有时候刚检修完恢复措施一试又不行，又得重新检修。还有就是，随着泵的启动次数增多，对轴瓦磨损的频率也就越高。短的话运行几个小时就坏掉了，这对我厂的生产造成很大的经济损失。 (2) 原有的自耦降压启动装置在电机启动时仍存在较大的冲击电流，对一次开关回路电器元件、二次继电回路仪表和电缆的容量要求较高且系统可靠性较低，维护工作量大等；(3) 给水泵运行后给水量的控制方式基本上为手动操作、调节，锅炉运行人员劳动强度大、控制精度低； (4) 由于水量/水压和风量/风压不能准确控制，致使水、煤量消耗较大； （5） 厂用电率较高，双炉运行月平均厂用电率为7.99.1，单炉月平均厂用电率为8.510.5。2 变频改造锅炉给水系统控制方案2.1 变频改造方案本次改造给水系统方案，配置2台高压变频调速装置，要求1套装置必需满足驱动2台给水泵电机的需要，即1装置通过切换拖动1和3给水泵电机，2装置通过切换拖动2和3给水泵电机，并通过变频调速调节给水泵的给水量和压力，满足机组运行时锅炉汽包水位稳定的需要。系统具备主要功能有：断电恢复再启动，电网瞬时停电并恢复后，高压变频调速系统可自动搜索电机转速，实现无冲击再启动，将电机拖动至故障前的运行状态。可以实现在变频器故障状态下自动切换至工频运行状态。具有丰富的模拟和数字量I/O接口，具备断线报警和保护功能，内置PLC可实现PID调节。2.2 变频装置保护变频装置设有以下保护：过电压、过电流、欠电压、缺相保护、短路保护、超频保护、单相接地保护、失速保护、变频器过载、电机过载保护、变压器过温保护、半导体的过热保护、瞬时停电保护等，并能联跳输入侧电源开关。2.3 电源装置高压变频装置的动力电源与控制器和单元控制电源独立设置，其中动力电源提供的380VAC电源与辅助控制电源互为备用，提供一路三相四线制380VAC（容量5KVA）辅助电源还可以采用220VDC（容量500W）辅助备用电源。动力电源提供的380VAC电源、交流辅助电源和直流辅助电源三种控制电源互为备用，运行时各路电源可自动切换保证持续运行。2.4 方案实施采用安装在中控室的计算机后台进行远方控制，考虑到现场汽包水位传感器不能正常显示水位的实际情况，运行频率先期由后台软件手动调节。采用后台控制方式，变频系统在中控室配置后台计算机一台，变频装置的正常运行参量在后台液晶显示屏进行显示，相关报警量亦在后台给出音响报警。对给水系统进行变频改造后，要求汽包进水电动调节门开度由现在开度60调至90左右，剩余10开度用来作汽包水位的微调。在后台计算机监控系统设定变频器运行频率，启动变频器运行，水位的微小调节可通过#3调节门进行调节。汽包的给水电动调节阀门的调节与控制方式仍采用原有的控制方式。在母管上安装压力传感器一台，一方面作为变频装置监控母管压力信号，另一方面在一段运行时间后通过总结运行经验，还可通过在后台设定压力值使变频自动调节频率运行，为今后自动运行提供基础。后台与变频装置采用标准485通信接口，通信线采用屏蔽双绞线，后台死机只影响参量显示和对变频的调节，但不影响变频的稳定运行，因此不会对变频的运行构成不利影响。通信协议采用标准MODBUS协议。该系统特点是成本较低、信号传输距离远、抗干扰能力强，尤其适合中远距离控制系统。可直接在中控室调节与控制高压变频调速系统的运行。上位机采用PC计算机，在Windows图形化系统平台上实现友好的人机界面，用文字、表格、图象等显示的运行状态、报警、事件记录及其它信息，可实现数据查看、运行控制、目标参数调节等功能，操作方便、显示直观，方便现场运行和维护。2.5 变频改造电气连接图 系统连接图（2）变频器设定的主要参数见最后列表 （3） Zinvert系统旁路柜主结线图3 变频改造效益测算3.1 单台炉运行时给水变频改造节能分析 工频运行方式下消耗功率计算从流体力学的原理得知，水泵运行时流体所需有效功率：P1HQ14.5200/3.6805.6KW，其中H为水泵的扬程（压力，MPa），Q为水泵的出口流量（m3/s）。由于电动机及水泵存在一定的传动效率，按照一般情况取水泵效率为0.75左右（此值取值偏大，较为保守），取电机及其传动系统效率为0.9，因此电机水泵系统实际运行效率取为0.750.90.675，电动机消耗功率为Pm1P1/0.6751194KW。工频运行与变频运行的运行工作点如下图所示：图二，给水泵H-Q曲线图如按照电动机实际运行参数，校核如下：电机实际运行电流为145A，实际运行功率因数近似为0.80，则现场运行时的电动机功率消耗为：P1=61450.801.732=1205 KW，与以上H-Q曲线所得计算结果接近。 变频改造后电能消耗情况变频改造后运行压力在11.7MPa左右，保证流量不变，从流体力学的原理得知，水泵实际所需有效功率：P2HQ11.7200/3.6650 KW，其中H为水泵的扬程（压力，MPa），Q为水泵的出口流量（m3/s）。假设电机水泵系统变频运行方式下实际运行效率为0.780.90.70（此值较为保守），Pm2P2/0.70928.6KW。 节约运行成本计算按照保守估计，采用变频调速之后年节约成本为：式中：D为电费单价0.5元/KWh；T为年运行时间7000小时；为Zinvert系统运行效率，取典型值0.96。 给水泵变频改造后节电率从上述数据看，节电率百分比不高，但由于电动机功率较大，在上述节电率情况下，每年仍可节约电费近80万元。3.2 给水泵高压变频改造前后的系统运行参数对比 一台炉运行时给水泵变频运行数据 频率泵出口压力汽包压力给水流量输入电流输入功率因数电机有功改造前50Hz14.5MPa10.5MPa200t/h145A0.801194KW改造后45Hz11.7MPa10.5MPa200t/h91A0.95928.6KW表一：单泵参数对比表 两台炉运行时一工频水泵/一台变频泵并列运行数据频率泵出口压力汽包压力给水流量输入电流输入功率因数电机有功改造前50Hz14.5MPa10.5MPa200t/h145A0.801194KW50Hz14.5MPa10.5MPa200t/h145A0.801194KW改造后50Hz11.7MPa10.5MPa280t/h162A0.831400KW45Hz11.7MPa10.5MPa120t/h75A0.95650KW表二：双泵参数对比表 两台炉运行时两台变频泵并列运行数据频率泵出口压力汽包压力给水流量输入电流输入功率因数电机有功改造前50Hz14.5MPa10.5MPa200t/h145A0.801194KW50Hz14.5MPa10.5MPa200t/h145A0.801194KW改造后45Hz11.7MPa10.5MPa200t/h91A0.95928.6KW45Hz11.7MPa10.5MPa200/h91A0.95928.6KW表三：双变频泵参数对比表从以上三个表的数据可见，原给水系统经过高压变频改造后，在对锅炉的给水上能够满足要求，其给水系统的管网压力、消耗功率都大大减小，单炉运行和双炉运行时消耗的功率分别降低18.99和14.5以上，具有较大的经济效益。另外，除了节能增效外，该水泵拖动高压变频改造后还有一些间接的经济效益，主要有：功率因数得以提高，对系统母线无功需求大大降低（降低600KVar以上）；实现电动机的软起动，减少起动力矩突变对电机的电气和机械损伤，减少由于直接启动造成的对转子笼条的冲击；减少启动时的冲击电流；减少对轴承的摩擦、乌金寿命延长，维护工作量减小；控制平滑、稳定、精度高。4 结束语本厂变频调速给水系统于2005年4月投入运行至今，运行十分可靠、正常，未出现任何故障，而且操作方便，性能很好，节能效果显著。根据实测和实际记录，系统总体节电率达15以上，与预期的节电量基本吻合，同时该系统调节性能佳，操作方便，极大降低锅炉运行人员劳动强度，取得了理想的改造效果。给水变频控制器功能参数列表参数分类：FXX：基本功能参数；PXX: 电机参数；HXX：高级功能参数；AXX:附加功能参数。功能代码参数功能名称设定范围出厂值单位步长运行改变F00数据保护0-10：允许修改0-1N1：不许修改F01频率设定方式0-10：模拟量0-1N1：开关量F02运行(停止)设定方式0-1保留（“就地/远方”转换开关控制）0-1NF03最高输出频率50.00-120.0060.00Hz0.01NF04基本频率25.00-100.0050.00Hz0.01NF05额定线电压6.0kV0.1NF06最高输出电压6.0kV0.1NF07加速时间0.1-3000.020.0s0.1NF08减速时间0.1-3000.020.0s0.1NF09转矩提升曲线选择0-10：直线0-1N1：二次曲线F10转矩提升补偿值0-100%1NF11上限频率0.00-120.0050.00Hz0.01NF12下限频率0.00-120.005.00Hz0.01NF13最高模拟输入频率0.00-120.0050.00Hz0.01NF14最低模拟输入频率0.00-120.005.00Hz0.01NF15起动频率0.10-10.006.00Hz0.01NF16起动频率保持时间0.1-100.05.0S0.1NF17停止频率0.10-6.001.00Hz0.01NP00电动机极对数1-72-1NP01电动机容量100-4000500kW1NP02电动机额定电流0.0-250.0100.0A0.1NP03电动机空载电流0.0-30.010.0A0.1N 参考文献1 王锡仲，蒋志坚，高景峰变频优化调压节能供水装置的研制J给水排水，1998，24(10)：6467.2 丁峰军，高压变频器的选用方法，重庆，电工技术 2005(7).