呼和浩特金桥热电厂热网循环泵高压变频改造应用与分析

1 前言
   呼和浩特金桥热电厂现装机容量为2×300MW，选用5台1000KW的热网循环水泵，通过18km的无补偿管道，向热力用户提供六个月的供热量。由于供热系统自身的特点，热网循环系统在运行中主要保证水循环稳定和压力恒定，即控制好水位、水压达到安全运行的目的。机组在供热期间，供热负荷变化时需要调节水量，而电机的出力并没有变化，其消耗的厂用电率是相当可观的。当前节能环保已成为各发电企业必须完成的硬指标,所以降低厂用电率,合理调配设备运行方式是我厂急需解决的问题。因此对热网循环泵进行节能改造，最佳方案就是采用高压变频器进行调速，这样就可以通过调节压力、改变电机转速来控制流量，可以方便地调整机组的供热量，不但具有非常大的节能潜力，而且达到了管道稳压的最佳效果。
2 水泵变频改造节能原理
   异步感应电动机的转速n与电源频率f、转差率s、电机极对数p这三个参数有如下关系: n=60f（1-s）/p
   改变其中任何一个参数都可以实现转速的改变。变频器是通过改变电源频率f的方式来改变电动机转速的。
   水泵的流量与压力的富裕度以及设备的非满负荷运行导致水泵的运行工况点与设计高效点相偏离，从而使水泵的运行效率大幅度下降。一般情况下，如采用阀门调节的水泵，在两者偏离10％时，效率下降8％左右；偏离20％时，效率下降20％左右；而偏离30％时，效率则下降30％以上。如对于采用阀门调节流量的水泵，这是一个固有的不可避免的问题。可见，在水泵的用电量中，很大一部分是因其型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当而被调节门消耗掉的。因此，改进泵的调节方式是提高运行效率，降低耗电量的最有效途径。图1给出了离心式水泵不同调节方式耗电特性比较曲线，图2给出了阀门调节和变速调节方式时，泵的效率－流量曲线。

图1离心式泵不同调节方式耗电特性比较

图2不同调节方式下的泵效率

   由图2可知：在泵的流量由100％下降到50％时，变速调节与阀门调节方式相比，泵的效率平均高出30％以上。因而，从节能的观点来看，变速调节方式为最佳调节方式。当采用定速驱动时，水泵靠阀门开度来调节流量，除产生大量的节流损耗外，调节反应速度也慢。采用调速驱动后，系统的可控性提高了，响应速度加快了，控制精度也提高了。从而使整个系统的控制性能大大改善，进一步节约能源。同时，采用变速调节以后，可以有效地减轻叶轮和轴承的磨损，延长设备使用寿命，降低噪声，大大改善起动性能。工艺条件的改善也能够产生巨大的经济效益。
3 热网循环泵变频改造方案
3.1  改造对象
   金桥热电厂有五台热网循环水泵，故我们选用两套北京合康亿盛科技有限公司生产的 “一拖二”高压变频装置，分别带#1、#2与#3、#4热网循环泵电机，#5热网循环水泵暂不改造。运行人员可根据供热量的大小投入一台或两台热网循环泵变频运行。当#1、#3热网循环泵变频运行时，#2、#4热网循环泵工频旁路，反之当#2、#4热网循环泵变频运行时，#1、#3热网循环泵工频旁路。当运行的变频泵发生故障时，备用工频泵连锁启动，确保供热系统运行稳定。
3.2 改造逻辑设计
   由于热网热负荷调节以调节汽轮机抽汽量为调节方式，所以热网循环泵主要以稳定供热管网压力为调节方式。热网循环泵变频调节以热网供水压力为被调量，通过变频调节热网循环泵转速来调节供水压力。为防止泵组在低转速时出现共振的现象，将泵的最低转速设定为900r/min（电机工频额定转速为1489r/min）。
3.3 改造后的画面操作
   由于采用“一拖二”配置，#1、#2泵共用一号变频器调节器，3、4#泵共用二号变频调节器。泵变频启动时先操作对应6KV开关，给变频器充电，再按变频器启动按钮启动变频器，再操作相应调节器调节供水压力。当投入自动调节时，在设定块上设定所需的供水压力，并设有偏置块设定两台变频泵的转速偏置，偏置数值为一号变频器转速减二号变频器转速的差值。当启动第二台变频泵后，手动调节使两台变频泵转速调至一致，再投入自动调节。
   由于该变频器不能够联启，所以变频泵不能作为备用泵运行，只能选择工频泵作为备泵使用，泵的连锁投入方法与改造前一致。
3.4 改造后高压变频器运行方式
   两套“一拖二”高压变频装置，分别带#1、#2与#3、#4热网循环泵电机，手动切换方式（虚线部分为新增加部分），如图：

   高压变频器运行方式控制分为就地控制及远程控制两种。远程控制状态时，DCS输出的转速命令信号跟踪高压变频器转速反馈。就地控制时，对高压变频器远方操作无效。　　
   高压变频器受DCS控制时分自动和手动两种方式。手动状态时，运行人员通过改变DCS操作画面转速控制块控制高压变频器转速，实现对热网的调节。
4 改造后的节能效果对比
   根据现有供热面积，单台热网循环泵运行即可满足热用户要求。现将#3热网循环泵变频改造前后电流的变化及消耗的电量进行比较（以2008年10月20日改造前与2008年11月8日改造后全天运行数据统计值进行比较）。
   运行方式：10月20日单台#3热网循环泵工频运行，11月8日单台#3热网循环泵变频运行。
   电流变化及消耗的电量如下表所示（热网循环泵电机功率因数按0.83）

5 变频改造后经济效益分析
5.1  按电流差值计算
   经运行比较发现热网循环泵在满足现有供热面积的情况下，改造后平均每小时节约电量419.6度。
   电力上网电价按0.285元/度计算，每年热网循环泵变频运行按六个月计算，则每台热网循环泵变频运行节电效益约为：
0.285×419.6×24×180＝51.7（万元）
5.2  按供电单耗计算：
供电单耗=电机功率/流量
改造前平均供电单耗：1003.216/2358.6=0.425（度/吨）
改造后平均供电单耗：563.4075/2071.53=0.272（度/吨）
改造后平均供电单耗降低值：0.425-0.272=0.153（度/吨）
供水量按工频平均每小时2358吨计算，可节约电量：
0.153×2358=360.77（度）
   电力上网电价按0.285元/度计算，每年热网循环泵变频运行按六个月计算，则每台热网循环泵变频运行节电效益约为：
360.77×0.285×24×180=44.42（万元）
经两种计算比较，节电效益相差不大。
6 结语
   经过分析比较，金桥热电厂热网循环泵电机增设两套变频装置后，每年因单台变频运行节能带来的直接经济效益最少约为45万元。若供热面积增加，两台热网循环泵变频同时运行，每年因变频运行节能带来的直接经济效益最少约为90万元。