摘 要：本文介紹了深圳市英威騰變頻調速裝置工作原理、特點(diǎn)、在哈爾濱捷能熱力電站有限公司的鍋爐循環(huán)水泵上的高壓變頻調速裝置的應用以及技術(shù)和經(jīng)濟分析。

    關(guān)鍵詞：循環(huán)水泵、DCS系統、節能效益、深圳市英威騰CHH100系列高壓變頻器等。

    一、引言

　　哈爾濱捷能熱力電站有限公司配置其中兩臺循環(huán)水泵，其出口節門(mén)采用蝶閥，只有全開(kāi)全關(guān)兩個(gè)位置，冷卻水流量調節采用開(kāi)泵臺數進(jìn)行控制，由于季節及晝夜的溫度差異，時(shí)常出現開(kāi)一臺流量不夠，開(kāi)兩臺流量過(guò)大的情況，由于這種原始的調節方法，汽輪機的真空度不穩定，不能保證汽輪機在經(jīng)濟運行方式下運行，同時(shí)浪費了大量電能和水資源，致使廠(chǎng)用電率高，供電標煤耗高，發(fā)電成本不易降低。選擇合適的調速方式對循環(huán)水泵進(jìn)行節能改造成為當務(wù)之急。為了進(jìn)一步適應廠(chǎng)網(wǎng)分開(kāi)、競價(jià)上網(wǎng)的電力體制，節約能源，降低廠(chǎng)用電率，保護環(huán)境，簡(jiǎn)化運行方式，減少轉動(dòng)設備的磨損等，該公司決定在發(fā)電機組循環(huán)水泵上采用了一套深圳英威騰電氣股份有限公司的自主研發(fā)、生產(chǎn)的多單元串聯(lián)的高─高形式的CHH100系列10kV/500kW高壓變頻器調速裝置。

    二、循環(huán)水泵工況特點(diǎn)

　　哈爾濱捷能熱力電站發(fā)電機組采用閉式循環(huán)水系統。循環(huán)水泵采用單元制供水系統，即每臺機配一座冷卻塔，一條壓力循環(huán)水管，一條雙孔自流水溝和兩臺循環(huán)水泵，在正常運行工況，每臺機運行兩臺循環(huán)水泵。冷卻水塔采用風(fēng)筒式逆流自然通風(fēng)冷卻塔，通風(fēng)筒為雙曲線(xiàn)施轉殼。在循環(huán)供水系統中，是由循環(huán)水泵實(shí)現水資源的循環(huán)利用的，經(jīng)熱交換后的熱水進(jìn)入冷卻設施進(jìn)行冷卻，使其水溫降至允許值，然后又重復將冷卻水輸入凝汽器而循環(huán)使用，由于系統水位基本上是穩定的，故循環(huán)水泵的揚程也基本穩定，而其容量按計算水量確定。循環(huán)水泵隨機組長(cháng)期連續運行，由于機組負荷經(jīng)常變化，需要及時(shí)調整循環(huán)水流量，以保證機組的安全經(jīng)濟運行。即使在同一負荷的情況下，不同的外部環(huán)境也使得循環(huán)水流量的需求不同，就目前電廠(chǎng)情況，一臺水少、兩臺水多的情況長(cháng)期存在，而出囗閥門(mén)又不可調，機組冬季全天、春季的后夜及低負荷工況時(shí)，開(kāi)一臺循環(huán)水泵就可滿(mǎn)足運行需要。

　　采用變頻調節裝置根據工況調節流量是有其必要性的。利用高壓變頻器根據實(shí)際需要對循環(huán)水泵拖動(dòng)電機進(jìn)行調速，由于水泵固有的特性，調速即可以調節水泵的出水量，又可以降低電動(dòng)機的功耗，并達到最有利真空的控制目的，從而達到了既保證和改善工藝，又可達到節能降耗的目的和效果。

    三、汽輪機的經(jīng)濟運行方式與循環(huán)水泵流量的控制

　　目前汽輪機的真空度主要依靠調節冷卻水流量來(lái)控制的，由汽輪機的運行原理可知，運行中的凝汽器壓力主要取決于蒸汽負荷、冷卻水入口溫度和冷卻水量，冷卻水溫一般取決于自然條件，在蒸汽負荷一定情況下就只有靠增加冷卻水的流量來(lái)提高凝汽器的真空度。為提高機組運行的經(jīng)濟性，由于真空度提高汽輪機功率的增量ΔΝ1應大于為增加循環(huán)水量所多消耗的功率ΔΝ2，顯然，汽輪機的最有利真空Peco（經(jīng)濟真空）應位于凈增功率ΔΝ=ΔΝ2 -ΔΝ1的最大值處，此時(shí)汽輪機工作在經(jīng)濟運行方式，通過(guò)確定汽輪機的最有利真空，并以此為依據來(lái)控制冷卻水流量，使汽輪機的排氣壓力盡量維持最有利真空位置，以保證機組在經(jīng)濟運行方式下工作。

　　由上述分析可以看出，改變循環(huán)水流量可以提高機組運行的經(jīng)濟性。

    四、汽輪機最有利真空度循環(huán)泵控制原理

　　最有利真空的實(shí)現是靠調節循環(huán)冷卻水的流量，由機組DCS控制循環(huán)水泵的運行狀態(tài)，調節循環(huán)水泵的運行臺數和運行轉速，控制循環(huán)水流量使汽輪機的真空度維持在最有利真空位置，保證機組經(jīng)濟運行。水泵的速度調節控制是汽輪機最有利真空控制系統的核心內容，利用變頻器對循環(huán)水泵進(jìn)行速度控制，控制方式為“一變一定”。

    五、英威騰CHH100系列高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司，提供的CHH100系列變頻器除了具有一般廠(chǎng)家的高壓變頻器功能外，還有以下幾方面的特點(diǎn)。

　　1、具有較強的功能，能夠滿(mǎn)足不同工況

　　CHH100系列高壓變頻器采用DSP系統與可編程系統巧妙的結合，控制系統高度集成化，設備器件主要采用進(jìn)口器件，完成了比一般高壓變頻器的功能，具有300多個(gè)功能碼，可以對啟動(dòng)特性、運行模式等功能根據現場(chǎng)工況進(jìn)行不同設定。CHH100系列高壓變頻器具有標準的RS485接口，可以通過(guò)RS485通訊接口（采用標準通信協(xié)議）與DCS進(jìn)行連接，也可以通過(guò)硬接線(xiàn)的方式與DCS系統進(jìn)行連接。多種接口方式選擇可以DCS系統很方便的對變頻調速系統進(jìn)行監控。也可以進(jìn)行不同參數設置，滿(mǎn)足現場(chǎng)其它各種不同工況。

　　2、全面的保護功能

　　CHH100系列變頻器的功率單元自身就有多達11種的故障保護;主控系統采用DSP+PFGA巧妙配合，電氣部分對輸出電壓、輸出電流、輸入電壓、輸入電流都有全面檢測，對變頻器電源及電機都有過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)載、欠壓、溫度等具有多達二十幾種超強綜合保護功能，并且重要的保護定值可以根據現場(chǎng)不同的工況進(jìn)行參數設定。內置雷擊過(guò)流保護裝置，有效提高設備保護功能和系統保護功能，完全能夠保證電源及電機的安全運行。

　　3、全面的參數記錄

　　CHH100系列高壓變頻器顯示多項運行參數過(guò)過(guò)程變量，包括每個(gè)模塊的溫度、母線(xiàn)電壓都有檢測與顯示。具有故障、事故顯示、記錄功能，具有自診斷功能，所在信息可以通過(guò)通訊上傳至DCS系統，異常時(shí)對變頻器的狀態(tài)都有全面的記錄，以便現場(chǎng)人員更準確、更快捷地解決問(wèn)題。

　　4、最大的電壓、電流冗余量設計

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器，以安全、可靠、使用壽命長(cháng)為首要設計原則，采用1700V高壓IGBT，9級或6級串聯(lián)，電壓裕量為2.0倍左右。功率器件電壓安全設計冗余量較高。

　　5、電機轉速自動(dòng)跟蹤功能

　　CHH100系列高壓變頻器在主電源母線(xiàn)切換（10秒內）過(guò)程中，變頻器能夠自動(dòng)跟蹤電機的轉速，當主電源恢復后變頻器自動(dòng)運行起來(lái)，保證了機組安全可靠運行。

　　6、功率模塊自動(dòng)旁路技術(shù)

　　模塊自動(dòng)旁路技術(shù)提高了系統的穩定性，CHH100系列高壓變頻器采用功率模塊自動(dòng)旁路技術(shù)，可在1ms內旁路故障模塊，變頻器降額并可長(cháng)期運行，等適當時(shí)候停機處理。

　　7、良好的電壓波動(dòng)適應能力

　　CHH100系列高壓變頻器對電網(wǎng)電壓在±15%范圍內波動(dòng)，變頻器能滿(mǎn)載輸出;電網(wǎng)電壓短時(shí)（30秒）下降至額定電壓的65%時(shí)，可繼續降額運行，不進(jìn)行保護。

　　8、最有效的電磁干擾解決方案

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器在模塊設計上，獨家采用后進(jìn)線(xiàn)、前出線(xiàn)設計方案;結構方面和電氣方面全面考慮電磁抗干擾措施，尤其是核心的控制板件，最有效保證變頻器的可靠運行。

　　9、合理的散熱系統

　　功率采用獨立的散熱風(fēng)道，系統集中散熱的方式，散熱性能良好，滿(mǎn)載長(cháng)時(shí)間運行溫升不超過(guò)25℃，良好的散熱系統可以確保變頻裝置的高可靠性，并延長(cháng)變頻裝置內部的器件使用壽命。

　　10、模塊化設計

　　CHH100系列變頻器，遵循模塊化設計理念，功率單元采用模塊化結構，各個(gè)相同的功率單元的結構、配置完全相同，可以非常方便的互換，從而利于生產(chǎn)的標準化，以及維修的標準化。

　　11、最簡(jiǎn)潔操作、最快捷維護

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器具有人性化的接口設計、界面簡(jiǎn)潔清晰;操作方便，采用抽屜式模塊設計，更換模塊僅需5分鐘;濾網(wǎng)更換方便、快捷。

    六、變頻改造方案簡(jiǎn)介

　　3號發(fā)電機組配置兩臺循環(huán)水泵，對其中一臺循環(huán)水泵加裝高壓變頻調速系統進(jìn)行調速控制，為了充分保證系統的可靠性，為變頻器同時(shí)加裝工頻旁路裝置，變頻器異常時(shí)，變頻器停止運行，電機可以直接手動(dòng)切換到工頻下運行。旁路系統由3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1、QS2和QS3組成，QS2不能與QS3同時(shí)閉合，在機械上實(shí)現互鎖。變頻運行時(shí)，QS1和QS2閉合，QS3斷開(kāi);工頻運行時(shí)，QS3閉合，QS1和QS2斷開(kāi)。

　　為了實(shí)現變頻器故障的保護，變頻器對10KV開(kāi)關(guān)QF進(jìn)行聯(lián)鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開(kāi)QF，工頻旁路時(shí)，變頻器允許QF合閘，撤消對QF的跳閘信號，使電機能正常通過(guò)QF合閘工頻啟動(dòng)。

　　為了保證發(fā)電機組安全運行，在單臺變頻循環(huán)水泵運行工作模式下，變頻器發(fā)生故障跳開(kāi)QF時(shí)，需要將其工頻運行或采用備用的循環(huán)水泵自動(dòng)投入運行;為適應變頻改造后循環(huán)水泵系統自動(dòng)化水平的提高，對出水閥門(mén)也進(jìn)行聯(lián)鎖自動(dòng)控制，其閥門(mén)聯(lián)鎖功能的作用是：在啟動(dòng)水泵升速過(guò)程中，水泵出口水壓逐漸增高，當大于設定的“最小開(kāi)閥出口水壓”時(shí)，閥門(mén)開(kāi)始打開(kāi)，直至開(kāi)全;在停泵時(shí)，閥門(mén)同步關(guān)閉;如果開(kāi)泵時(shí)，閥門(mén)因各種原因未能開(kāi)全，將提示“閥門(mén)沒(méi)有開(kāi)全”，停泵時(shí)，如閥門(mén)未關(guān)嚴，將提示“閥門(mén)沒(méi)有關(guān)嚴”。這樣在開(kāi)泵和停泵過(guò)程中，值班人員無(wú)需再對閥門(mén)執行任何操作，不僅減少了操作的失誤，而且在開(kāi)閥、關(guān)閥過(guò)程中對管網(wǎng)的沖擊也很小。

　　變頻調速系統進(jìn)入發(fā)電機組現有的DCS系統。DCS根據機組的負荷情況，按設定程序實(shí)現對鍋爐循環(huán)水泵電機轉速的自動(dòng)控制。變頻器需要提供給DCS的開(kāi)關(guān)量輸出包括故障報警（變壓器超溫、單元柜風(fēng)機故障、控制電源掉電、控制器故障、單元故障、模擬信號斷線(xiàn)等）、待命指示、運行指示、高壓合閘允許、高壓緊急分斷、開(kāi)閥門(mén)（變頻器控制閥門(mén)聯(lián)動(dòng)時(shí)使用，即打開(kāi)出口碟閥）、關(guān)閥門(mén)（變頻器控制閥門(mén)聯(lián)動(dòng)時(shí)使用，即關(guān)閉出口碟閥）;DCS需要提供給變頻器的開(kāi)關(guān)量包括：?jiǎn)?dòng)變頻（干節點(diǎn)，閉合時(shí)有效，使變頻器開(kāi)始運行）、停運變頻器（干節點(diǎn)，閉合時(shí)有效，使變頻器正常停機）、閥門(mén)關(guān)嚴（干節點(diǎn)，開(kāi)點(diǎn)有效，表示變頻器所控制的水泵出口碟閥的閥門(mén)已關(guān)嚴）、閥門(mén)開(kāi)全（干節點(diǎn)，開(kāi)點(diǎn)有效表示變頻器所控制的水泵出口碟閥的閥門(mén)已全開(kāi)）;DCS需要提供給變頻器的模擬量有：1路4～20mA的電流源輸出，作為變頻器的轉速給定值，即變頻器需要運行的轉速;變頻器需要提供給DCS的模擬量有：2路4～20mA的電流源輸出，模擬輸出對應的物理量為輸出頻率和輸出電流;現場(chǎng)提供給變頻器的模擬量有：1路4～20mA的電流源輸出，表示變頻泵的出口壓力，閥門(mén)聯(lián)動(dòng)時(shí)備用;高壓開(kāi)關(guān)柜提供給變頻器的開(kāi)關(guān)量有：1個(gè)，工頻高壓開(kāi)關(guān)已分閘。節點(diǎn)閉合時(shí)表示高壓在分閘位置，高壓開(kāi)關(guān)合閘，該節點(diǎn)斷開(kāi)。

　　循環(huán)水泵調速由操作人員通過(guò)DCS系統的CRT上的模擬操作器，參照凝汽器的真空度和外界氣溫，對DCS的輸出值進(jìn)行調節，此輸出值為反饋給變頻器的4-20mA標準信號，對應不同的頻率（速度）給定值，變頻器通過(guò)比較轉速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動(dòng)調節電動(dòng)機的轉速，實(shí)現的循環(huán)水泵轉速控制，從而達到調節水量的目的。

　　在此基礎上，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的積累，可將不同負荷和溫度下的給定值繪制成曲線(xiàn)，定出安全的上下限，制成循環(huán)水泵調速專(zhuān)用算法，同時(shí)利用熱工一次測量元件，將采集的負荷和溫度參數的變化值送到機組DCS系統中，在機組DCS系統中，進(jìn)行控制運算，將計算結果形成4-20mA的速度給定指令信號，反饋給變頻器，變頻器通過(guò)比較轉速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動(dòng)調節電動(dòng)機的轉速，實(shí)現循環(huán)水泵的轉速自動(dòng)控制。

　　由于這次改造只針對兩臺并聯(lián)水泵中的一臺，正常運行工況為一臺工頻、一臺變頻，由于季節及晝夜溫度的差別使得變頻系統的運行有著(zhù)特殊性，管網(wǎng)總出口的壓力取決于兩臺并聯(lián)水泵各自的出口壓力，從而決定了變頻泵不可能在太低的頻率下運行，否則會(huì )引起倒流或不出水的情況，另一方面，太低的頻率會(huì )導致整體壓力下降，達不到循環(huán)系統總體的揚程要求，處于工頻定速運行的水泵也易導致過(guò)流發(fā)生，根據以往的運行實(shí)踐經(jīng)驗，在工頻泵與變頻泵同時(shí)運行的情況下，使變頻泵最低的頻率保持在38Hz以上，在變頻泵單獨運行時(shí)，變頻泵可以根據需要在5-45Hz范圍調節，（變頻泵調節的頻率必須滿(mǎn)足水泵出口壓力最低要求），這樣可以滿(mǎn)足運行需要，同時(shí)可對出水量進(jìn)行連續的調節。

    七、變頻改造后的效益計算

　　我們從水泵調速節能原理得知，當水泵拖動(dòng)電機工頻運行時(shí)，出力為額定值，轉速及功耗為額定值，當采用變頻調速時(shí)，可以按需要升降電機轉速，改變水泵的性能曲線(xiàn)，使水泵的額定參數滿(mǎn)足工藝要求，根據水泵的相似定律，變速前后流量、揚程、功率與轉速之間關(guān)系為：

　　Q1/Q2=n1/n2

　　H1/H2=（n1/n2）2

　　P1/P2=（n1/n2）3

　　Q1 、H1、P1—水泵在n1轉速時(shí)的流量、揚程、功率;

　　Q2、H2、P2—水泵在n2轉速時(shí)相似工況條件下的流量、揚程、功率。

           

                                   變頻調速工作點(diǎn)示意圖

　　假如轉速降低一半，即：n2/n1=1/2，則P2/P1=1/8，可見(jiàn)降低轉速能大大降低軸功率達到節能的目的。從上圖中可以看出：當轉速由n1降為n2時(shí)，水泵的額定工作參數Q、H、P都降低了。但從效率曲線(xiàn)η-Q看，Q2點(diǎn)的效率值與Q1點(diǎn)的效率值基本是一樣的。也就是說(shuō)當轉速降低時(shí)，額定工作參數相應降低，但效率不會(huì )降低，有時(shí)甚至會(huì )提高。因此在滿(mǎn)足操作要求的前提下，水泵仍能在同樣甚至更高的效率下工作。

　　節能效益計算如下：

　?。?）.設備參數

       

　?。?）.實(shí)測節能比較

      

　　2008年12月26日在哈爾濱捷能熱力電站有限公司鍋爐循環(huán)水泵現場(chǎng)通過(guò)測量?jì)x表進(jìn)行測量數據如下表:

　　測試結果表明,

　　500KW/10KV鍋爐循環(huán)水泵在閥門(mén)調節和變頻調節的節能比較如下表:

                     

　　可見(jiàn)，投入一臺深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器后，該項公司全年節約電費均可達55.26萬(wàn)元左右。另外，由于深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器功率因數可達0.95以上，大于電機功率因數0.82，減少大量無(wú)功。并且實(shí)現電機軟啟動(dòng)，可避免因大電流啟動(dòng)沖擊造成對電機絕緣的影響，減少電機維護量，節約檢修維護費用，同時(shí)電機壽命大幅度延長(cháng)。

　　八、結束語(yǔ)

　　高壓變頻裝置節能效果明顯，采用變頻調速后，實(shí)現了電機的軟啟動(dòng)，延長(cháng)電機的壽命，也減少了管道的振動(dòng)與磨損;總之，采用了一套深圳英威騰電氣股份有限公司的自主研發(fā)、生產(chǎn)的多單元串聯(lián)的高─高形式的CHH100系列10kV/500 kW高壓變頻器調速裝置在哈爾濱捷能熱力電站有限公司3號機組循環(huán)水泵系統的調速改造中應用是相當成功的。該系列變頻器的先進(jìn)性、可靠性已得到許多工業(yè)應用的證實(shí)。在電力行業(yè)，對于許多高壓大功率的輔機設備推廣和采用高壓變頻調速技術(shù)，不僅可以取得相當顯著(zhù)的節能效果，是電廠(chǎng)節能降耗的一個(gè)有效的途徑，而且也得到國家產(chǎn)業(yè)政策的支持，代表了今后電力行業(yè)節能技改的方向，目前電力行業(yè)越來(lái)越多的人員對此都已形成廣泛共識。

　　參考文獻：

　　1.《CHH100系列使用說(shuō)明書(shū)》