高压变频装置的应用分析

时间：2024-07-28

张洪霞

山东电力工程咨询院山东济南 250013

0 前言

目前，全世界正在为能源紧缺而困扰，我国的能源形势尤其严峻，随着经济的快速发展，节能降耗也就成为国家和企业严重关切的问题。在电力系统中，电机传动约消耗70%电力，改变电机拖动方式无疑是潜力最大的节电措施。在大量的电厂设备中，仍采用交流电动机恒速传动的方案运行，例如风机最主要的调节手段靠调节风门、挡板开度的大小来调整控制对象，不论生产的需要大小，风机都要全速运转，不能随工况的变化进行相应的调节；泵类设备采用调整阀、回流阀、截止阀等进行流量、压力、水位等信号的控制，白白浪费了能量。为达到节能降耗、减排的目的，很多火力发电厂积极采用变频装置进行辅机调速。通过在某电厂工程设计过程中，对凝结水泵、一次风机节能降耗作了充分的研究分析，证明了该方案不但节能效果明显，而且投资回收周期短。

1 变频装置调速节能原理

1.1 交流电动机的转速

交流电动机分为同步电动机和异步电动机两大类型，其转速表达式分别为：

式中：n0-同步电动机转速；n-异步电动机转速；f-电源频率；p-定子绕组极对数；s-转差率。

根据公式（3）可看出，交流电动机的转速与电源的频率成正比，通过变频装置将电网50赫兹的固定频率转变成为可调频率，即可实现交流电动机无级调速。

1.2 变频装置技术特点分析

高压变频装置按中间环节有无直流部分，可分为交-交变频装置和交-直-交变频装置；按着直流部分的性质，可分为电流型和电压型变频装置；按着有无中间低压回路，可分为高-高和高-低-高变频装置。

1.3 高压设备配置变频装置的节能原理

如果用阀门控制量时，有ΔP功率是被浪费掉了。并且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。由流体动力学可知：流量Q、扬程H、轴功率P和转速n之间的关系可写为：

即流量Q和转速n的一次方成正比；扬程H和转速n的二次方成正比；轴功率P和转速n的三次方成正比。当转速下降50%时，流量下降50%；扬程下降75%，功率下降87.5%，即功率与转速成3次方的关系降低。如果不用减小出口阀开度的方法控制流量，而是将泵的转速降低，随着泵输出压头的降低，消耗在阀门上的功率减小，实现水泵变速运行的节能。

2 以凝结水泵为例分析技术特点

通常300 MW机组设计时均选用定速立式凝结水泵，所配电动机为6kV，每台机组配置两台100%容量的凝结水泵，额定容量：1400kVA。该型式的凝结水泵实际运行点常远离设计点，主要原因有：

1）凝结水泵的设计容量比机组最大凝结水量大10%。在10%的流量裕量中，其中大约一半是考虑了在凝结水系统中不存在的流量—凝结水泵老化裕量；

2）凝结水泵的设计扬程裕量较大。如按最大凝结水量计算凝结水系统阻力时加10%~20%的裕量，在不存在凝结水泵老化裕量的凝结水流量的情况下，考虑这么大的扬程裕量显然偏大；除氧器的计算压力按最大工作压力加15%的裕量也加大了扬程裕量；

3）凝结水调节阀的选型压降一般占凝结水系统总压降的30%~60%。实际上机组极少带最大负荷，使凝结水的流量低于最大凝结水流量，凝结水系统阻力小，凝结水泵扬程高，凝结水调节阀承受更大的压降。

综上所述，凝结水泵不在设计点运行时，泵的效率低、电耗多，机组带部分负荷时问题更突出。凝结水泵流量裕度大，变工况频繁，具有很大的节能潜力。

由于电网调峰的需要，2台发电机组夜间低负荷运行时间长，白天负荷变化频繁，凝结水泵大部分时间在中、低负荷状态运转。而凝结水泵采用定速方式运行，出口流量只能依靠控制阀门调节，节流损失大、出口压力高、系统效率低。同时由于控制阀门频繁的开关调节，容易引发各种故障，使现场维护量增加，造成各种资源的浪费。

3 凝结水泵接线方案分析

3.1 凝结水泵接线方案选择

该厂每台机组配置两台100%容量的凝结水泵，每台水泵配备一台6kV、1400kVA的电动机，一台工作一台备用。为使变频装置与凝结水泵电机的连接充分发挥设备的潜力，得到最大的节能效益，保证凝结水泵工作可靠，提出了以下方案：

方案一，两台凝结水泵全部加装变频装置，一台泵变频运行，一台泵变频备用，该方案运行方式统一，设计控制逻辑简单，但成本约180万较高、占地面积大。

方案二，一台凝结水泵加装变频装置并保留工频旁路备用，另一台变频装置只接工频，该方案节约一台变频装置，成本约为90万，节省了投资，但是变频凝结水泵工作频繁，磨损严重，另一台凝结水泵基本处在备用状态，使用率低造成资源闲置。

方案三，一台变频装置带两台凝结水泵，两台凝结水泵都保留工频旁路，优点是节省了一台变频装置，切换灵活，可靠性高，不存在两台凝结水泵磨损不平均问题，但是增加了6kV柜数量，控制复杂。费用约为120万。

经过比较可看出方案三的投资比方案一低，比方案二高，但是在技术上避免了方案一和二的缺陷，对于控制复杂的问题可以通过采用DCS进行控制来解决。因此，综合技术和经济比较，确定选用方案三，即：用单台变频装置带两台凝结水泵电机运行的方案。

3.2 凝结水泵接线原理分析

凝结水泵（1400kW）变频装置（一拖二自动切换），用1台变频装置连接2台电机，正常时变频装置拖动1台凝结水泵变频调速运行，另一台凝结水泵备用；当运行的凝结水泵发生故障时，备用凝结水泵可以经切换变为变频调速运行，而当变频装置发生故障时，备用凝结水泵可以工频定速运行，使用工频的调节方式，保证机组运行。

4 使用变频装置后的效益分析

4.1 凝结水泵实际工作数据记录

从电厂提供的凝结水泵部分实际运行数据来看，机组负荷从160MW～300MW变化，凝结水泵工频运行电流均在118A左右，而变频运行电流则对应从45.77A～66.01A变化，可以发现变频电流比工频电流减小许多。因此得出，工频运行的凝结水泵电流较变频运行时要高很多，当机组发电量下降时，工频运行的凝结水泵电流下降不多。而当凝结水泵变频运行时，随着机组负荷的降低，凝结水泵电流下降非常迅速。实测的数据也印证了机组带部分负荷时变频装置具有更好的节能效果。

4.2 经济分析

根据业主提供的凝结水泵工频运行电流：平均118A，变频运行电流：平均54.918A，工频改变频前后电流差：ΔI=118－54.918＝63.08A。变频前后运行耗电差值：P=1.732×6×63.08×0.8=524kWh，上网电价0.42元/kWh。

年节约资金：524kWh×0.42元/kWh×5500h=121万元/年。

以前国产高压变频器生产不过关，只有国外进口品牌，因此价格较高。大约在200万以上，一般回收期要两年以上，但现在国内大部分厂家产品已经过关，运行的业绩也很多，同时价格也下降了，目前1000kw电动机所配的变频器大约50万元（包括两台隔离开关柜）就可以订货，因此回收期将进一步缩短。按费用为50万元计算，另外加上空调等费用，估算一年可收回投资。

工频运行：耗电量＝1.732×6×118×0.8＝747kWh。

变频运行：耗电量＝1.732×6×63.08×0.8＝530kWh。

节电率＝（747－530）/747=30%。

通过以上分析可看出，凝结水泵采用了变频调节后，节流损失减小，经济效益显著。