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高壓變頻器在邯鋼集團鍋爐給水泵上的應用

2019-04-18 08:13:05

Application of High-voltage Inverter in Boiler Feedwater Pump of Handan Iron and Steel Group
新風光電子科技股份有限公司  田利潤  丁慶雷  郭培彬
Tian Lirui  Ding Qinglei  Guo Peibin
摘  要:本文介紹了風光牌高壓變頻器在邯鄲鋼鐵集團能源中心鍋爐給水泵中的應用情況,通過對水泵變頻改造方案的介紹及改造后節能效果的計算,表明冶金企業風機水泵變頻改造節能效果顯著,具有較高的經濟效益。
關鍵詞:變頻調速系統  鍋爐給水泵  高壓變頻器  DCS
Abstract:This article introduces the application of Fengguang brand high-voltage frequency converter in the boiler feed pump of the energy center of Handan Iron and Steel Group. Through the introduction of the pump frequency conversion reform program and the calculation of the energy-saving effect after the transformation, it shows that the metallurgical enterprise fan pump frequency conversion reform energy-saving effect is significant , with high economic efficiency.
Key words: Frequency Control System   Boiler feed pump  High-voltage inverter  DCS
1 引言
作為國有特大型鋼鐵企業,邯鋼積極響應國家號召,充分發揮河北鋼鐵集團整合優勢和協同效應,把節能減排、低碳發展作為企業核心工作之一,大力實施循環經濟,應用低碳技術,強力推進節能減排,努力打造資源節約型、環境友好型、集約效益型的現代化鋼鐵工業園區。
早在2010年邯鋼建設投運了一個覆蓋整個邯鋼的、全局性的集生產管控、物流管控、能源管控為一體的能源管控中心,實現了物流、能源流及信息流的三流合一。管控中心自投運以來,有效地提高了能源系統安全穩定運行水平和煤氣、蒸汽等余熱余能資源的回收利用水平,煤氣資源實現了“零”放散,能源消耗持續降低。
2 現場改造設備情況
此次改造的是利用富余煤氣發電的電廠鍋爐給水泵,給水泵兩臺,一用一備。以往水量調節依靠閥門開度來控制。在機組運行中,給水泵的出口閥門調節復雜。由于這樣的調節方法僅僅是改變通道的流通阻力,而驅動源的輸出功率并沒有改變,節流損失相當大,浪費了大量電能。其主要弊端主要表現為:
(1)調節閥前后壓差增加,工作安全特性變壞,壓力損失嚴重,造成能耗增加;
(2)給水泵電機定速運行,閥門調整節流損失大,出口壓力高,系統效率低,造成能源的浪費;
(3)管道壓力過高,威脅系統設備密封性能;
(4)長期的閥門開度,加速閥門自身磨損,導致閥門控制特性變差;
(5)設備起動沖擊電流大,需增加配電設備容量而增加投資。
為了解決上述問題,經過了大量的技術論證,邯鋼能源中心決定用高壓變頻器替代傳統的閥門調節給水量的方法。電機的穩定運轉對正常生產至關重要,對設備要求特別苛刻,因此在高壓變頻器的選用上非常謹慎。經過考察對比,通過招標方式,邯鋼能源中心選用了新風光電子科技股份有限公司生產的高壓變頻器JD-BP38-2000F(2000 kW/10 kV)對2臺給水泵進行變頻改造,采用一拖二方式。2臺給水泵電機和變頻器的技術參數如表1和表2所示。

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3給水泵節能原理介紹
3.1給水泵運行的機械特性
給水泵的任務是傳送液體,向鍋爐連續供給具有足夠壓力,流量和相當溫度的水,軸流給水泵是因為液體按軸向流動而得名,它是靠葉輪的推力,給液體以一定的壓力和動能,推動液體而流動。電動機的機械特性是指電機的轉矩與轉速的關系,通常機械特性可劃分為轉矩與轉速的平方成正比 ,恒轉矩M-CONSTANT,恒功率P-CONSTANT,不同負載有不同的機械特性,像水泵、風機這樣的負載工作在管路靜揚程或靜壓為零的情況下,它的轉矩與轉速的平方成正比,所以它的機械特性屬于是 。
改變水泵轉速調節方法的基本原理是改變水泵壓頭特性曲線來改變工況點,由于水泵和風機的控制理論相似同是流體力學,適用于風機的節電方法,也基本適用于水泵上,但是液體的密度明顯的比氣體大,因而具有很高的壓力;管路阻力中的液位差較大。其節電的基本方法有三大要素:
(1)減少不必要的流量
(2)減少管路的阻力
(3)用高效的方法控制流量
其具體的改變流量的方法有很多,但它們都是以可能降低不必要的流量和壓頭為前提的??刂屏髁康姆椒ǎ洪g歇運轉、并聯臺數控制、串聯臺數控制、翼角控制、調速控制等,變頻調速控制初期投資高些,但是運行中的電耗可以大量減少,適用于流量變化大,揚程變化范圍較大的場合。
3.2給水泵節能原理
按照電機學的基本原理,電機的轉速滿足如下的關系式:
    (1)
其中p為電機極對數,f為電機運行頻率,s為滑差。
從式(1)看出,電機的同步轉速正比于電機的運行頻率( ),由于滑差s一般情況下比較?。?~0.05),電機的實際轉速約等于電機的同步轉速。從所以調節了電機的供電頻率,就能改變電機的實際轉速。
功率與轉速有下列三次方關系:
   (2)
 其中P為負載功率,KP為功率常數,n為電動機拖動負載的轉速。
由式(1)和式(2),得式(3):
   (3)
根據式(3)可以計算出:當頻率從50Hz降至40Hz時,可節約能耗近一半。
更直觀的水泵(或風機)工作曲線圖見圖1:水泵(或風機)的正常工作點為A,當水量(或風量)需要從Q1調到Q2時,采用閥門調節,管網特性曲線由R1(閥門全開)改變為R2(閥門關?。?,其工作點調至B點,其功率為OQ2BH2’所圍成的面積,其功率變化很小,而其效率卻隨之降低。當采用變頻調速時,可以按需要升降電機轉速,改變設備的性能曲線,圖中從n1(額定轉速)到n2(轉速下降),其工作點調至C點,使其參數滿足工藝要求,其功率為OQ2CH2所圍成的面積,同時其效率曲線也隨之平移,依然工作在高效區。圖中陰影部分為實際節約能耗。

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圖1 水泵(或風機)工作曲線圖

如果在管網特性不變的系統中進行水泵調速,并且對水壓沒有要求,這種情況下節能效益比恒壓供水要顯著得多。
4變頻改造方案介紹
變頻調速系統配置目前該廠已有的DCS,通過DCS對變頻器進行啟動、停機、調速等控制,并可在DCS上顯示變頻器的運行數據和當前狀態,實時監控系統運行。
為了保證鍋爐給水系統的可靠性,變頻器裝置具有工頻手動旁路裝置,當變頻器發生故障,停止運行時,電機可以手動切換到工頻下運行,這樣可以保證鍋爐的供水要求,提高了整個系統的安全穩定性。
操作方面,有遠程控制和本地控制兩種控制的方式,這兩種控制方式可提高系統的安全性能。DCS做好閉環控制,DCS根據機組的負荷情況,按設定程序檢測母管壓力情況,運算后給變頻器一個合適的頻率值,從而實現對鍋爐給水泵電機轉速的自動控制,保證母管壓力的穩定。
給水泵變頻系統具有如下特點:給水泵變頻系統,既可以變頻調速運行,也可以直接投工頻運行,同時增加可靠的閉鎖回路;為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時,由于變頻器的控制電源和主電源沒有相位及同步要求,變頻器可以使用UPS繼續運行,不會停機;在現場DCS速度給定信號掉線時,變頻器提供報警的同時,可按原轉速繼續運行,維持機組的工況不變;變頻器配置單元旁路功能,在局部故障時,變頻器可將故障單元旁路,降額繼續運行,減少突然停機造成的損失;保留原電機繼續使用,不改變原有電機設備任何基礎。
5高壓變頻水泵改造方案
5.1 動力系統方案
該鍋爐給水系統變頻改造采用一拖二手動旁路方案。其一次電路如圖2所示,即配備一臺高壓變頻器,通過切換高壓隔離開關把高壓變頻器切換到要運行的給水泵上去。高壓變頻器可以拖動1#給水泵電動機實現變頻運行,也可以通過切換拖動2#給水泵電動機實現變頻運行。兩側給水泵電動機均具備工頻旁路功能。

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圖2 高壓變頻一次系統接線圖

k1和k2為變頻器旁路開關柜高壓隔離開關;
QF4和QF5為變頻器旁路開關柜高壓斷路器;
QF1和QF3分別為現場1#和2#給水泵工頻電源高壓斷路器;
QF2為現場變頻電源高壓斷路器;
變頻器為風光JD-BP38系列高壓變頻器;
1#、2#給水泵受變頻器控制。
變頻器控制電機為一拖二控制,旁路開關柜用于工/變頻切換。K1和K2為2個高壓隔離開關,變頻器運行時,要求K1和K2同時閉合。QF4閉合,QF5斷開,QF1斷開,1#給水泵變頻運行;QF4斷開,QF1閉合1#給水泵工頻運行;QF5閉合,QF4斷開,QF3斷開,2#給水泵變頻運行;QF5斷開,QF3閉合,2#給水泵工頻運行;其中,QF4與QF1、QF5實現電氣互鎖,QF5與QF3、QF4實現電氣互鎖;將控制柜“遠控/本控”開關打至“遠控”位置,將斷路器QF2“就地/遠方”開關打至“遠方”位置,可實現給水泵的遠控操作。
5.2控制系統方案
該廠給水系統主要采用的是“差壓供水”方案,信號分別取自鍋爐汽包及水泵的出口壓力傳感器的壓力值,送入差壓變送器,與DCS輸出給水量調節信號進行比較,構成閉環控制系統,此信號再由DCS送至變頻器作為變頻器的給定頻率,當系統負荷變化時,鍋爐內的汽包壓力不斷的變化,變頻器的輸出頻率再接到調節信號后也自動變化。水泵的出口轉速也相應的改變,始終保持水泵的出口壓力跟隨汽包壓的變化而變化,變頻器主要通過電機即泵的轉速來調節給水量,以保證鍋爐汽包水位。這種系統反應快,穩定性好,抗干擾能力強。另外,靠轉速調節流量的應用中,水泵的消耗功率將以轉速三次方的關系大為減小,系統節能明顯。
給水泵變頻啟動時先操作對應QF2高壓斷路器,給變頻器充電,再按變頻器啟動按鈕啟動變頻器,在變頻啟動時為了不使給水泵發生“汽濁”現象,給水泵以最小流量控制方式啟動,打開給水泵再循環閥門,滿足給水泵的最小流量,在啟動過程中當出口流量大于最小流量時將延時打開出口閥門,出口閥門全開后關閉再循環閥門,隨著流量的增大,進入母管的主調節閥門也將隨著流量的變化開啟到最大,在運行中主要通過轉速來調節管道中的流量,滿足汽包中水位的變化需要。
由于該變頻器不能夠聯啟,所以1#與2#給水泵只能選擇一臺變頻運行,另外一臺工頻運行,兩臺泵的連鎖投入方法與改造前一致。
5.3給水泵的啟動條件
(1)給水泵的入口和出口管道要充滿水;
(2) 給水泵入口閥門全開;
(3)給水泵出口閥門全關;
(4)給水泵再循環閥門打開;
(5)冷卻系統正常;
(6)機械密封水正常;
(7)油面正常;
(8)電氣聯鎖,進線斷路器QF2合閘,變頻接觸器KM1,KM2合閘;
(9)變頻器帶電,系統自檢正常,收到變頻器發出的“就緒”信號。
6 現場設備改造測試節能效果
循環水泵變頻改造后,2017年3月,高壓變頻器一次性投入生產,至今運行正常。經過廠節能服務中心測試,系統達到了預期的效果。水泵變頻改造后,循環水泵輸入電流有明顯下降,設備實現了軟起動,改善了設備的運行工況,極大地減輕了設備起動時對供配電系統的沖擊。改造前后1#給水泵工變頻運行正常統計數據如表3所示。
表3  改造后的實際測量數據

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1#泵變頻運行 1#泵工頻運行
運行頻率 45.3Hz 電壓 10.4 kV
輸入電流 68.9A 電流 94.1A
輸出電流 85.9A cosФ 0.9
輸入電壓 10.4kV 出口壓力 0.8 MPa
輸出電壓 9.4kV 耗電 1506.9kWh
為了對比改造前后的節能效果,在生產負荷基本相同的條件下,統計一周的耗電數據。當工頻運行時,原系統為1#給水泵投入運行,經統計該泵工頻一周的耗電量統計為211526 kWh,平均每小時耗電約為1510.9kWh。當變頻運行時,該水泵變頻一周的耗電量統計為169400 kWh,平均每小時耗電約為1210.0 kWh。
節電量=原工頻耗電-變頻耗電=1510.9-1210.0=300.9kWh。
節電率=節電量/原工頻耗電=300.9/1510.9=19.9%。
另外給水泵變頻改造后,具有軟啟動、軟停止;提高了機組水泵的運行效率;現場噪音大大降低,有效改善現場的運行環境,操作人員反映良好;便于實現在鍋爐水泵機組控制系統自動化管理。
7結束語
在河北邯鄲鋼鐵集團能源中心熱電車間鍋爐給水泵采用JD-BP38-2000F高壓變頻器,不但操作方便、容易、維護量小,而且可以根據鍋爐汽包水位情況進行電機調節,大大提高鍋爐的穩定性,并且節電效果顯著,提高了運行的經濟性。


 

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