摘要:文章通过变频调速技术在给水泵节能改造项目中的应用案例,阐述了变频调速节能的原理、中压变频器的系统原理和性能特点,以及所取得的良好经济效益和社会效益。中压变频调速系统的使用大大降低了用电率,为电力企业节能降耗做出了贡献。
关键词:给水泵;变频调速;节能改造;中压变频器;电力企业
中图分类号:TP276文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)09-0029-02
鞍钢发电厂北区是鞍钢北部区域供汽、供热、供水单位。作为发电厂的关键设备,三台给水泵采取两工一备运行方式,为两台220t/h锅炉供水。给水泵电动机单机容量2300kW,额定电压6kV,额定电流260A。原三台给水泵电动机恒速运行,利用出口阀门开度大小来控制水流量和管网压力。这种节流运行方式使得部分能量用来克服“阀阻”,这样电动机从电网中摄取的电能有相当一部分浪费在节流阀上。造成了电动机的运行效率低,电能浪费大的现象。由电厂统计资料表明,给水泵耗电量占发电总量的2.5%,占生产厂用电率的30%,如此大的耗电量,直接影响了发电成本。为降低企业生产成本,降低耗电量,经过调研比较、反复论证后,决定对三台给水泵进行变频调速节能改造。随着电气传动领域中的变频调速技术的成熟,工艺参数的调节可以通过给水泵的调速运行来获得,从而节约了电能。我厂在以原有断路器、电动机为依托的情况下,选用了西门子的SIMOVERT-MV空气冷却中压变频器调速系统。
一、变频调速节能分析
变频调速装置具有高效、精确地调节交流电动机转速的功能,还可使流量、压力、等工艺参数的控制由低效的阀门节流控制跃变为高效的转速控制。
给水泵采用调速节能的理论根据是基于流量、压力、转速、转矩、功率之间的关系。
Q∝n;p∝T∝n2;P∝Tn∝n3
式中:Q——流量;p——压力;n——转速;T——转矩;P——轴功率。
图1为用不同的调节方式时,电动机的功率P与流量Q之间的关系曲线。
改造前,给水泵采用的是控制阀门开度的方法来改变流量等参数,也就是用人为增减阻力的方法来实现调节。根据生产状况对负荷进行调整时,流量通过阀门开度的控制与负荷的变化相适应。而电机的输出功率基本没有改变,系统从电网所耗能量也没有减少。尽管阀门调整达到了工况要求,也只是能量的有效应用比例减少了,而能量却大量的损失在阀门档板的阻力上。改造后,使用变频调速装置就可完全避免以上问题。
根据生产负荷的变化来调整(降低或提高)电机的转速,流量就不再用阀门来控制,阀门始终处于全开状态,避免了由于关小阀门引起的压力,也避免了总效率的下降,从而节省大量的能源。
二、变频调速系统及特点
(一)中压变频调速系统介绍
中压变频调速系统的主体结构“一”字布置。每台由开关柜2面、整流柜1面、功率逆变柜2面、滤波器柜1面和控制柜1面、变压器柜2面等组成。开关柜:根据运行方式需要选用开关位置。变压器柜:输入变压器柜装有三绕组变压器,为各个功率单元提供交流输入电压;升压变压器柜装有两绕组变压器,将功率单元输出的交流电压提升到电机所需的电压等级。功率柜:装有模块化设计的多个功率单元联成的逆变主回路,向电机提供输出电压,功率单元使用光纤来接受和传递信息。控制柜:可以实现变频器的紧急停车,具有运行、停止、故障、等待指示;OP7面板用于变频器的本地操作,它具有操作控制和监控功能,电机电流、电机转速显示以及故障时变频器的故障代码显示及存储功能;主控部件SIMADYN-D全数字化闭环控制系统的ITSP信号处理器模块,控制逆变器和监控直流母线电压、输出电流、和输出电压并处理通过采集获得的数据。
给水系统要求系统具有较高的运行可靠性,为了充分保证系统的可靠性,考虑到变频调速系统退出运行后不影响生产,确保给水系统正常运行,结合实际运行状况,为变频器加装了工频旁路装置,当变频器发生故障时,变频器退出运行,可将电机直接手动切换到电源工频情况下运行,恢复到原有系统运行方式。
安装接线见图2:改造后给水泵运行方式仍采用两工一备运行方式。
由图2可见:6kV电压经高压断路器送至输入变压器,根据电网对谐波的要求,采用12脉波整流,经直流母线送至逆变器变频、变压。为了获得更接近于正弦波的输出电压,系统增加了正弦波滤波器,经滤波器输出的接近于正弦波的电压,由双绕组的升压变压器升压,供电给高压异步电动机。
变频器输入电源电压是2×3-ph.1.7kV交流电压;输出电压是3-ph.3.3kV交流电压;变频器效率是96.5%;变频器功率因数是0.96;控制方式采用的是矢量控制。
(二)变频调速系统的特点
1.采用12脉波整流变压器,以减少谐波对电网的污染。整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形联结,构成相位差30°、大小相等的两组电压,加到两组高压二极管整流桥上。12脉波整流变压器作为输入变压器,采用三绕组是为了满足12脉波整流的要求,采用分裂式结构形式,变压器一次绕组和两组二次绕组的匝数比为1:1:,其联结方式为Dy11d0,这种结构可有效地消除了对电网污染最严重、危害最大的5次、7次谐波。此外由于采用高压二极管整流,其导通波形畸变率较低,二极管的换相是在对应线电压最小时才发生,所以di/dt非常小,使得高次谐波分量也减少了。二极管整流的电压源型变频器在采用12脉波结构后,谐波标准满足国际IEEE-519对应的5%的谐波电流失真的要求,其输入功率因数较高,因此不必采用功率因数补偿装置。
2.变频器采用三电平设计技术方案。变频器输出与二电平变频器相比较,由于输出电压的电平数增加,输出波形有很大改善,谐波失真在2%以下,并且每一个开关器件只承受直流母线电压的1/2电压,逆变器的输出电压的跳变小,即du/dt小,减少了对电动机绝缘的损害。
3.逆变器采用脉冲宽调制技术。依照电机所需转速提供频率控制.采用最新开关器件IGBT,可以提高PWM调制频率,输出波形更接近正弦波,大大地减轻对电动机的影响。
4.系统采用的是德国西门子公司的SIMOVERT–MV6SE8031-1BA柜装变频器。逆变器主要由IGBT逆变桥、触发单元、控制单元组成,直流滤波后送入逆变器,根据所输入的控制参数,由控制单元、触发单元等控制逆变器输出。
中压变频装置本身具有功能完善的各项保护,电源断路器控制回路引入中压变频装置的保护连锁,在变频装置不具备运行条件时电源断路器不能合闸,同时在中压变频装置故障跳闸后联跳电源断路器。
三、改造后的运行效果
节能运行后给水泵电机电流由原来的220～230A左右降至160～170A左右,产生25%左右的节电率。以2009年为例:
(一)节能效果
改造前单台月耗电量约为1399178kWh,改造后单台月耗电量约为1081183kWh(月运行时间均为720小时),每月可节约电量317995kWh。
(二)经济效益
按电价0.4元/kWh计算,按全年电动机运行5个月计算。当年节省电费为:5×317995×0.4=63.56万元。
(三)其它效益分析
首先,电源侧功率因数提高。原电机直接由工频驱动时,功率因数为0.8～0.86。采用中压变频调速系统后,电源侧的功率因数可提高到0.96以上,可减少大量无功,进一步节约了上游设备的运行费用。其次,给水泵采用变频调速后,使得电机、水泵的转速降低,管网的压力降低;辅助设备如轴承、阀门等磨损大大减轻;另外,采用中压变频调速后,电机实现了软启动,启动电流不超过电机额定电流的1.2倍,避免了全压启动对电网和电动机的冲击,从而减轻对供电系统的影响,降低了电动机和高压开关的故障率,延长了电动机和高压开关的使用寿命,因此也降低了设备运行与维护的费用。
四、结语
设备改造于2008年11月完成,变频器一次试车成功,运行正常,保证了锅炉的正常供水。通过此次改造,改变了给水泵高电耗的节流运行方式,取得了明显的节能效果,并获得很好的经济效益,为节能改造积累了丰富的经验。中压变频调速系统的使用大大降低了用电率,为电力企业节能降耗做出了贡献。随着我国工业的快速发展,变频器的使用越来越广泛,这也为将来在节能改造中推广变频调速技术总结了经验。
参考文献
韩安荣.通用变频器及其应用.北京:机械工业出版社,2003.
曾允许.变频调速技术基础教程.北京:机械工业出版社,2009.
SIMOVERT.MV空气冷却中压变频器安装使用说明.