《自动化博览》

     活动链接：2012年控制网技术专题---变频器之变

    摘要：经过多年运行发现，电厂中给水泵电机容量一般较大，实际运行时间长，且起动后一直以工频状态运行，电机均处于满负荷状态，其能耗指标直接影响着电厂的经济效益。正是在这种情况下，设计一套符合宁波枫林电厂实际的“二用一备”的运行模式，经实施半年以来，节电率38.75%，取得预期效果。

    关键词：节能改造；变频器；锅炉给水

    1 前言

    在发电厂中给水泵电机容量一般较大，实际运行时间长，且起动后一直以工频状态运行，电机均处于满负荷状态，因此属于耗电量较大的电气设备，它的能耗指标直接影响着发电厂的经济效益，而给水自动化控制是整个自动化系统的重要组成部分。

   众所周知，对于风机、水泵类平方转矩负载，可以通过改变电机转速来满足生产对给水流量变化的控制要求，而当其转速下降时，所消耗的功率也大大下降。因此，节能潜力非常大，既能达到节能降耗的显著效果，又能满足锅炉给水恒压控制的工艺要求，还能降低对系统的冲击，减少机械的磨损。

   因此，可以认为给水泵引入交流调速能够实现较大幅度地降低能耗指标，通过准确、合理的测量、监控，以负反馈形式实现控制。它既保留了常规设计的设备操作简单、耐用，而又增加了新系统的准确性、先进性，系统可操作性强，节能且安全的效果，完全符合了设备改造要求，是较为理想基础控制模块。

   本文以宁波枫林绿能有限公司的锅炉给水泵改造为例进行说明。

   2 电厂给水泵节能改造控制系统方案

   锅炉给水电气控制系统主要是控制给水流量（ 如图1 所示），使其与锅炉蒸汽量保持动态平衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，保证锅炉安全、可靠、经济地运行。
       
                  
                                         图1   工艺简图

    本系统所涉及一次主设备主要是五台给水泵和三台变频器（如图2所示），在日常工作中一般采用“二用一备”的运行模式，所谓“二用”是指二台给水泵以变频方式在锅炉日常运行过程中提供稳定的给水量。而“一备”是第三台给水泵也以变频“明备”在线方式，当系统上水需求量超过“二用”给水泵所能提供的最大流量时即两台变频器输出频率均升至50Hz时，“一备”以自动或手动的方式并入系统提供足够大的给水流量，满足锅炉的安全、可靠运行，而当系统上水量需求量下降时，又可以按需退出运行，恢复“一备”状态。而剩余的二台给水泵则以工频“暗备”方式待用，可以在变频系统故障下，替代故障设备恢复设备供水，保证系统安全运行。
  
                    
                                          图2 电气简图

    该电厂给水改造的方案为“二用一备”的运行模式，也就是说：二台给水泵以变频方式在锅炉日常运行过程中提供稳定的给水量，第三台给水泵也以变频“明备”在线方式，当系统上水需求量超过“二用”给水泵所能提供的最大流量时即两台变频器输出频率均升至50Hz时，“一备”以自动或手动的方式并入系统提供足够大的给水流量，满足锅炉的安全、可靠运行，而当系统上水量需求量下降时，又可以按需退出运行，恢复“一备”状态。而剩余的二台给水泵则以工频“暗备”方式待用，可以在变频系统故障下，替代故障设备恢复设备供水，保证系统安全运行。

    3 电厂锅炉给水的典型工艺控制模式

   根据该电厂整个系统所涉主设备分布情况，以及在实际应用过程中运行要求，主要采用了两个典型工艺控制模式：

    （1）以各台给水泵及其附属设施组成压力控制块，即#1~#5给水泵M13~M53、出口阀门M12~M52及相应的控制元器件组成压力控制的基本单元（如图3所示）。
  
                 
                                           图3 压力控制块
                

                                       图4 流量控制块

    （2）以给水调节阀J14~J34及其附属设施为主的控制单元组成流量控制块（如图4所示）。

    由此形成了二个不同的给水模式，即单元制给水和母管制给水方式。

   4 改造效果

    本次改造是由给水泵、变频器、可编程控制器、各类远传压力流量传感器、电动阀门、电动执行机构等相关电气控制部件组成的电气控制系统，是一套具有变频调速、全自动闭环控制功能的机电一体化控制系统，可以保证锅炉给水系统安全、准确、可靠、稳定地运行。

    目前，该系统建造完成并投入运行，经过一段时间运行后相对于一般常规的设计具有以下几个特点：

   4.1 节能效益高

    由于采用了高效变频驱动，因此具有很高的节能空间，其节能效益主要来自于两个方面：（1）由流体力学可知，电机功率与转速的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速可成比例下降，而此时轴输出功率成立方关系下降，即水泵电机的耗电功率与转速近拟成立方比的关系下降，此为节能的第一部分。（2）使用变频调速后，由于变频器内部滤波电容的作用，功率因数接近于1，从而大大减少了无功损耗，工作电流比电机额定电流值要低许多，降低了消耗的有功功率。

    经过实测系统改造前锅炉给水吨水耗电能5.567度，改造后吨耗电能3.410度，单位节电率达38.75%。

    如果按日均锅炉上水1500吨计算，则：

    日均节电(度)＝1500*(5.567-3.41)＝3235.5度；

    年均节电(度)＝330*3235.5=1067715度。

    4.2 主设备完好率提高，生产成本降低，使用寿命增加

    电动机实现了真正的软启动、软停运。变频器提供给电机的峰值电流和峰值时间大为减少，可消除对负载的冲击、减少对电机绝缘的损伤，延长了电动机、水泵的使用寿命，同时变频器设置的共振点跳转频率，避免了水泵处于共振点运行的可能性，使水泵工作平稳、轴承磨损减少、启动平滑、消除了机械的冲击力，提高了设备的使用寿命，此为主设备完好率提高、生产成本降低、使用寿命增加原因之一。

    变频器其自身完善的保护功能，相对于一般电气保护，保护功能更多、更灵敏，特别是过载、过流及短路保护等，其动作值准确、动作时间短，大大加强了对电气设备特别是对电机、电缆的保护，此为主设备完好率提高、生产成本降低、使用寿命增加原因之二。

    低负荷下，转速主动降低，减少了机械部分的磨损和振动，延长了设备大修周期，可节省大量的检修人力和物力，同时变频调节实现了阀门全开，减少了阀门节流损失。此为主设备完好率提高、生产成本降低、使用寿命增加原因之三。

    4.3 一键化操作、控制界面友好、可控性好

    由于系统采用DCS给合PLC技术，有效地提高系统运算速度，以负反馈闭环形式优化控制过程，使控制更加准确可靠，并最大程度地减少人为干扰，以触摸屏实时监控设备运行参数及状态，运行过程透明，直观，可控性好。

    4.4 群控联锁

   系统对所有在线单机均能以群控联锁方式工作，在全自动、半自动状态下，实现给水母管低水压自起动、自动并列平稳运行。并能对各种极限条件予以确认、报警，并按程序要求自主处理。

    4.5 后备保护完善

    系统所有单机均能实现工/变频联锁、故障报警、自动切换、失压自起动、失电恒速保护、输出频率超高、过低保护等一系列运行过程中各极限状态下的后备保护。

    4.6 系统的传承性、一致性好

    系统的升级改造均建立在保持常规设计所应具有的优点基础上，给合了小型化、高速化、精确化、模块化特点进行了优化。因此系统具有常规操作系统的优点及相关保护功能：如系统相应的过载、失电、欠压、过流、在线/非在线互锁等功能。

    4.7 无缝对接

    系统能够与上位集控中心实现无缝对接，将给水电气系统纳入整个锅炉控制范畴，并将各类运行参数实时上传至集控画面，轻松实现远程启停，参数显示/调整，故障报警处理，复归等。

    本系统在设计和运行过程中，充分体现了闭环控制理论的先进性、变频调速的节能性，并理论与实际充分给合，不但免去了许多繁琐分步操作，降低了故障隐患，而且使系统始终处于节能状态运行，延长了设备的使用寿命，减少了维修工作量和维修成本，更好地适应了生产的需要。

    摘自《自动化博览》2012年第四期