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高压变频器在龙煤热电企业给水泵上的应用 The Application of High Voltage Inverter in Water Pump of Longmei Thermal Power
发布日期:2016-01-22  来源:新风光电子  浏览次数:317
                                      龙口矿业集团热电企业  刘洪伟

                               山东新风光电子科技发展有限企业  徐长海 郭宗侦

                                         Liu Hongwei  Xu Changhai  Guo Zongzhen

摘  要:本文先容了风光牌高压变频器在龙煤热电企业锅炉给水泵变频系统中的应用情况,阐述了变频调速系统的实现机理、功能及特点,对节能效果进行了分析。从全新的角度,诠释了高压变频调速系统与现场DCS系统的高效对接,增强了锅炉给水系统的自动化性能。

Abstract: The article introduces the application instances of FengGuang high voltage inverter in Longmei Thermal power company boiler water supply systems,with a description of the frequency control system implementation mechanism、 function and features,and the energy savings is analyzed.From a new perspective,interpretation of the high-voltage frequency control system and DCS systems in efficient docking site, and enhance the automation of the boiler Boiler water supply system performance quoted.

1引言  

龙口矿业集团热电企业位于龙口市境内,在龙口市北郊,距龙口市区约4公里处。热电企业在进行锅炉技术改造后,引进一台JG140-9.8/540-M型循环流化床,配备了2台专供此锅炉给水系统的给水泵及电机,并一次投运成功。工程采用了空冷、烟气脱硫、等离子点火、中水回收利用、静电高效除尘等先进技术。该工程的建设不仅解决了原有发电机组的满负荷发电问题,同时还可满足附近几个区域的用户取暖。

图片1 

                     图1 龙矿热电企业6号炉

 

2变频改造项目工况先容

我企业6#锅炉配有两台给水泵,企业6号炉现场如图1所示。以往水量调节依靠阀门开度来控制。在机组运行中,给水泵的出口阀门调节复杂。由于这样的调节方法仅仅是改变通道的流通阻力,而驱动源的输出功率并没有改变,节流损失相当大,浪费了大量电能。其主要弊端主要表现为:

    (1)调节阀前后压差增加,工作安全特性变坏,压力损失严重,造成能耗增加;

    (2)给水泵电机定速运行,阀门调整节流损失大,出口压力高,系统效率低,造成能源的浪费;

    (3)管道压力过高,威胁系统设备密封性能;

    (4)长期的阀门开度,加速阀门自身磨损,导致阀门控制特性变差;

    (5)设备起动冲击电流大,需增加配电设备容量而增加投资。

    为了解决上述问题,经过了大量的技术论证,龙口矿业集团热电企业决定用高压变频器替代传统的阀门调节给水量的方法。电机的稳定运转对正常生产至关重要,对设备要求特别苛刻,因此在高压变频器的选用上非常谨慎。为了克服以上种种弊端,热电企业选用山东新风光电子科技发展有限企业生产的高压变频器对2台给水泵同时进行变频改造。选用一台高压变频器,采用一拖二方式,一台给水泵运行,另外一台给水泵备用。2台给水泵电机和变频器的技术参数如表1和表2:

 

表1    三相异步电机技术参数

型号

YKK5005-2

额定电压

10000V

额定电流

69.6A

额定功率

1000kW

额定频率

50Hz

额定转速

2985r/min

功率因数

0.88

接法

Y

 

 

生产厂家

西安西玛电机股份有限企业

 

表2 JD-BP38-1000F 高压变频器技术参数

变频器容量(kW)

1000

模拟量输入

0~5V/4~20mA,任意设定

适配电机功率(kW)

1000

模拟量输出

两路0~5V/4~20mA可选

额定输出电流(A)

70

加减速时间

1~32000s,对加速,减速时间可以单独设定

输入频率(Hz)

50

控制开关量输入输出

可按用户要求扩展

额定输入电压(V)

10000V(-20%~+15%)

运行环境温度

0~40℃

输入功率因数

>0.95(>20%负载)

贮存/运输温度

-20~70℃

变频器效率

额定负载下>0.98

冷却方式

强迫风冷

输出频率范围(Hz)

0~50

环境湿度

<90%,无凝结

输出变频分辨率(Hz)

0.01

安装海拔高度

<1000m

过载能力

105%连续,120% 每10分钟允许1分钟,150%允许1分钟。

防护等级

IP20

 

3给水泵节能原理先容

3.1给水泵运行的机械特性

给水泵的任务是传送液体,向锅炉连续供给具有足够压力,流量和相当温度的水,轴流给水泵是因为液体按轴向流动而得名,它是靠叶轮的推力,给液体以一定的压力和动能,推动液体而流动。电动机的机械特性是指电机的转矩与转速的关系,通常机械特性可划分为转矩与转速的平方成正比
图片2,恒转矩M-CONSTANT,恒功率P-CONSTANT,不同负载有不同的机械特性,像水泵、风机这样的负载工作在管路静扬程或静压为零的情况下,它的转矩与转速的平方成正比,所以它的机械特性属于是
图片3。 
  改变水泵转速调节方法的基本原理是改变水泵压头特性曲线来改变工况点,由于水泵和风机的控制理论相似同是流体力学,适用于风机的节电方法,也基本适用于水泵上,但是液体的密度明显的比气体大,因而具有很高的压力;管路阻力中的液位差较大。其节电的基本方法有三大要素: 
    (1)减少不必要的流量 
    (2)减少管路的阻力 
    (3)用高效的方法控制流量 
  其具体的改变流量的方法有很多,但它们都是以可能降低不必要的流量和压头为前提的。控制流量的方法:间歇运转、并联台数控制、串联台数控制、翼角控制、调速控制等,变频调速控制初期投资高些,但是运行中的电耗可以大量减少,适用于流量变化大,扬程变化范围较大的场合。

3.2给水泵节能原理

按照电机学的基本原理,电机的转速满足如下的关系式:

图片4   (1)

其中p为电机极对数,f为电机运行频率,s为滑差。

  从式(1)看出,电机的同步转速正比于电机的运行频率(、),由于滑差s一般情况下比较小(0~0.05),电机的实际转速约等于电机的同步转速。从所以调节了电机的供电频率,就能改变电机的实际转速。
  功率与转速有下列三次方关系:

    图片5  (2) 

   其中P为负载功率,KP为功率常数,n为电动机拖动负载的转速。
  由式(1)和式(2),得式(3):

   
图片6    (3)

  根据式(3)可以计算出:当频率从50Hz降至40Hz时,可节约能耗近一半。
  更直观的水泵(或风机)工作曲线图见图2:水泵(或风机)的正常工作点为A,当水量(或风量)需要从Q1调到Q2时,采用阀门调节,管网特性曲线由R1(阀门全开)改变为R2(阀门关小),其工作点调至B点,其功率为OQ2BH2’所围成的面积,其功率变化很小,而其效率却随之降低。当采用变频调速时,可以按需要升降电机转速,改变设备的性能曲线,图中从n1(额定转速)到n2(转速下降),其工作点调至C点,使其参数满足工艺要求,其功率为OQ2CH2所围成的面积,同时其效率曲线也随之平移,依然工作在高效区。图中阴影部分为实际节约能耗。

 图片7

 

图2 水泵(或风机)工作曲线图

如果在管网特性不变的系统中进行水泵调速,并且对水压没有要求,这种情况下节能效益比恒压供水要显著得多。

4变频改造方案先容

变频调速系统配置目前我厂已有的DCS,通过DCS对变频器进行启动、停机、调速等控制,并可在DCS上显示变频器的运行数据和当前状态,实时监控系统运行。
      为了保证锅炉给水系统的可靠性,变频器装置具有工频手动旁路装置,当变频器发生故障,停止运行时,电机可以手动切换到工频下运行,这样可以保证锅炉的供水要求,提高了整个系统的安全稳定性。
      操作方面,有远程控制和本地控制两种控制的方式,这两种控制方式可提高系统的安全性能。DCS做好闭环控制,DCS根据机组的负荷情况,按设定程序检测母管压力情况,运算后给变频器一个合适的频率值,从而实现对锅炉给水泵电机转速的自动控制,保证母管压力的稳定。

  给水泵变频系统具有如下特点:给水泵变频系统,既可以变频调速运行,也可以直接投工频运行,同时增加可靠的闭锁回路;为变频器提供的交流220V控制电源掉电时,由于变频器的控制电源和主电源没有相位及同步要求,变频器可以使用UPS继续运行,不会停机;在现场DCS速度给定信号掉线时,变频器提供报警的同时,可按原转速继续运行,维持机组的工况不变;变频器配置单元旁路功能,在局部故障时,变频器可将故障单元旁路,降额继续运行,减少突然停机造成的损失;保留原电机继续使用,不改变原有电机设备任何基础。

5高压凝泵变频方案

5.1  动力系统方案

我厂给水系统变频改造采用一拖二手动旁路方案。其一次电路如图3所示,即配备一台高压变频器,通过切换高压隔离开关把高压变频器切换到要运行的给水泵上去。高压变频器可以拖动7#给水泵电动机实现变频运行,也可以通过切换拖动9#给水泵电动机实现变频运行。两侧给水泵电动机均具备工频旁路功能。

图片8 

图3 高压变频一次系统接线图

k1和k2为变频器旁路开关柜高压隔离开关;

QF4和QF5为变频器旁路开关柜高压断路器;

QF1和QF3分别为现场9#和7#给水泵工频电源高压断路器;

QF2为现场变频电源高压断路器;

    变频器为风光JD-BP38系列高压变频器;

    7#、9#给水泵受变频器控制。

变频器控制电机为一拖二控制,旁路开关柜用于工/变频切换。K1和K2为2个高压隔离开关,变频器运行时,要求K1和K2同时闭合。QF4闭合,QF5断开,QF1断开,9#给水泵变频运行;QF4断开,QF1闭合9#给水泵工频运行;QF5闭合,QF4断开,QF3断开,7#给水泵变频运行;QF5断开,QF3闭合,7#给水泵工频运行;其中,QF4与QF1、QF5实现电气互锁,QF5与QF3、QF4实现电气互锁;将控制柜“远控/本控”开关打至“远控”位置,将断路器QF2“就地/远方”开关打至“远方”位置,可实现给水泵的远控操作。

5.2控制系统方案

我厂给水系统主要采用的是“差压供水”方案,信号分别取自锅炉汽包及水泵的出口压力传感器的压力值,送入差压变送器,与DCS输出给水量调节信号进行比较,构成闭环控制系统,此信号再由DCS送至变频器作为变频器的给定频率,当系统负荷变化时,锅炉内的汽包压力不断的变化,变频器的输出频率再接到调节信号后也自动变化。水泵的出口转速也相应的改变,始终保持水泵的出口压力跟随汽包压的变化而变化,变频器主要通过电机即泵的转速来调节给水量,以保证锅炉汽包水位。这种系统反应快,稳定性好,抗干扰能力强。另外,靠转速调节流量的应用中,水泵的消耗功率将以转速三次方的关系大为减小,系统节能明显。

    本系统DCS监控画面如图4所示:

图片9 

                        图4   6#炉给水泵DCS监控图

给水泵变频启动时先操作对应QF2高压断路器,给变频器充电,再按变频器启动按钮启动变频器,在变频启动时为了不使给水泵发生“汽浊”现象 ,给水泵以最小流量控制方式启动,打开给水泵再循环阀门,满足给水泵的最小流量,在启动过程中当出口流量大于最小流量时将延时打开出口阀门,出口阀门全开后关闭再循环阀门,随着流量的增大,进入母管的主调节阀门也将随着流量的变化开启到最大,在运行中主要通过转速来调节管道中的流量,满足汽包中水位的变化需要。

由于该变频器不能够联启,所以7#与9#给水泵只能选择一台变频运行,另外一台工频运行,两台泵的连锁投入方法与改造前一致。

5.3给水泵的启动条件
(1)给水泵的入口和出口管道要充满水;
(2) 给水泵入口阀门全开; 
(3)给水泵出口阀门全关; 
(4)给水泵再循环阀门打开; 
(5)冷却系统正常;
(6)机械密封水正常;
(7)油面正常;
(8)电气联锁,进线断路器QF2合闸,变频接触器KM1,KM2合闸; 
(9)变频器带电,系统自检正常,收到变频器发出的“就绪”信号。 

6 运行情况及效益

 图片10

                       图5高压变频器现场应用

2010年3月2日,本台变频器一次性投运成功。该变频器自运行以来运行基本良好。高压变频器现场应用如图5所示。

6.1直接效益

表3 电机变频运行时参数表

运行频率

35Hz

40Hz

45Hz

输入电流

30A

45A

50A

输入电压

10.3kV

10.3kV

10.3kV

输入功率

471kW

706kW

785kW

 

电机变频运行参数记录如表3所示。根据工况要求,电机运行在40~45Hz之间,并且长时间运行在45Hz左右,此时,变频器的输入功率在785kW左右,节能效果相当明显。

以往,我企业没有使用变频设备时,在工频情况下运行的给水泵,电机电压为10.3kV,电流为60A,功率为942kW。改造以后,给水泵一般在45.6Hz下运行,其变频输出电压为9.7kV,输出电流为57A,功率为842kW,每天可节省2400kW·h。

在使用变频以来,改变了以往运行人员经常操作泵出口阀门的方式,缓解了水流对阀门内部的冲击,延长了阀门的更换周期。以前1~2年更换一次,但现在自2009年投运以来,至今未更换过,不但节约了材料费用,而且减少了对设备的维护量。

6.2间接效益

(1)变频控制后,实现电机软启动,启动电流小于额定电流值,启动更平滑。 

(2)电机以及负载转速下降,系统效率得到提高,取得节能效果。大大减少了对设备的维护量,节约了人力物力资源。 

(3)由于电机以及负载采用转速调节后,工作特性改变,设备工况得到改善,延长设备使用寿命。 

(4)使用变频调节,可实现参数的实时恒定运行,提高了系统运行的安全稳定性。 

(5)由于采用自动控制,进一步提高了设备运行控制和系统运行管理的自动化水平,从而真正实现自动调节,大大增强了运行的安全可靠性。

6.3运行情况

JD-BP38-1000F高压变频器监控画面内故障类型共分为主控板故障、保护板故障、外部故障、停机故障、掉电三秒故障、频率给定故障几种。在运行过程中曾出现过两个方面的问题。

(1)由于受到本企业运行环境的制约和影响,灰尘多将滤网堵死,造成内部干式变压器温度升高而报警的情况时有发生,但将滤网及时除垢后,保证了变频器的正常通风,设备即可正常运行,所以应及时定期清扫滤网。

(2)在2010年11月份,变频器监控画面出现过C相单元故障,经检查发现柜内一个整流单元损坏,更换后投入运行,设备均运行正常。

除了以上两种故障外,风光牌高压变频器在我企业运行一切良好。 

7结束语

在龙口矿业集团热电企业锅炉给水系统采用JD-BP38-1000F高压变频器,不但操作方便、容易、维护量小,而且有明显的节能效果。通过高压变频器在龙口矿业集团热电企业锅炉给水系统的应用,可以根据锅炉汽包水位情况进行电机调节,大大提高锅炉的稳定性,并且节煤效果很好,提高了运行的经济性。通过在给水泵上的应用经验,企业领导争取在厂区其他设备上大力推广。

 

参考文献

山东新风光电子使用手册[Z] 山东新风光电子科技发展有限企业。

 

 
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