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1 用戶現場工況介紹

濟南熱電有限公司某熱電廠裝機容量為3×70MW鏈條式熱水鍋爐，擔負著供熱面積350萬平方米的任務。熱力網的穩定主要取決于鍋爐、熱網循環系統和管線。鍋爐安全、穩定的經濟運行一般遵循“一守，三動”的控制原則，即主要是以風、灰、煤相互配比來完成鍋爐的經濟性燃燒。而熱網循環系統主要保證水循環穩定和壓力恒定，即控制好水位達到安全運行的目的。供熱負荷變化時需要調節水量，如果通過調節泵的出口門的開度來實現，實際上是靠壓損來減少給水流量，而電機的出力卻沒有變化。所以熱網循環泵最佳方案就是采用變頻器進行調速，這樣就可以將出口門全部打開，通過調節轉速來控制流量，可以方便的調整機組的供熱量，從而最大程度地降低熱電廠供熱成本。2017年7月濟南熱電有限公司領導經過多方考察，決定對下屬某熱電廠#5熱網循環泵電動機實施變頻改造，采用新風光電子科技股份有限公司生產的JD-BP38系列高壓變頻器。

#5熱網循環泵的具體參數如表1所示。

表1 水泵節能原理

2 循環水泵節能原理

根據水泵的壓力-流量特性曲線按照工藝要求實現變速變流量控制，是節電的有效方法。

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一般情況下比較小（0～0.05），電機的實際轉速約等于電機的同步轉速。所以調節了電機的供電頻率，就改變了電機的轉速，進而控制水泵流量的大小。

水泵功率與轉速有下列三次方關系：

　　(2)

其中P為水泵消耗功率，KP為功率常數，n為電動機拖動水泵的轉速。

由式(1)和式(2)，得式(3)：

　　(3)

圖1 手動旁路柜

表2 JD-BP38-2000F高壓變頻器主要技術參數

圖2 手動旁路柜

根據式(3)可以計算出：當頻率從50Hz降至45Hz時，可節約水泵能耗27%左右。

更直觀的水泵工作曲線圖如圖1所示，泵的軸功率與流量和揚程有以下關系，P∝KQH，Q為流量，H為泵出口壓力。由于循環水泵受管道阻力影響較小，在出口壓力基本恒定的情況下，轉速降低，流量降低，使泵的輸出功率減小。這種情況下節能效益比恒壓供水要顯著得多。圖1中陰影部分為節能功率。

3 風光JD-BP38系列高壓變頻系統技術參數

新風光電子公司生產的風光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。2007年9月，風光牌JD-BP38系列高壓變頻器榮獲“中國名牌”稱號。JD-BP38-2000F高壓變頻器技術參數如表2所示。

4 高壓變頻器技術要求及改造方案

4.1改造邏輯設計

由于熱網熱負荷調節以調節汽輪機抽汽量為調節方式，所以熱網循環泵主要以穩定供熱管網壓力為調節方式。熱網循環泵變頻調節以熱網供水壓力為被調量，通過DCS系統調節熱網循環泵轉速來調節供水壓力。

4.2高壓變頻器改造旁路設計

該熱電廠#5循環泵高壓變頻器改造采用“一拖一”控制方式，配備手動切換控制柜。變頻器改造旁路如圖2所示：

圖2旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構，實現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。

旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。

故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態下，當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態下，變頻器故障分閘無效。

保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。

4.3控制回路設計

如圖3所示，DCS系統輸出4～20mA電流信號（壓力信號）控制JD-BP38高壓變頻調速系統的運行頻率，來控制電機的運行轉速。JD-BP38高壓變頻調速系統反饋4～20mA電流信號指示JD-BP38高壓變頻調速系統的輸出頻率、輸出電流。JD-BP38高壓變頻調速系統同時接收DCS控制系統的啟動、停止、急停、復位控制信號，調整運行狀態。

當JD-BP38高壓變頻調速系統故障時，系統輸出故障停機和報警信息，用于提示用戶啟動故障處理措施，同時JD-BP38高壓變頻調速系統將信號發送給DCS，在DCS系統上顯示故障，以便于及時的排除故障。如果系統出現緊急情況，DCS監視人員立即點擊變頻器緊急停止按鈕，此時變頻器立即封鎖輸出，并及時跳開現場高壓斷路器。

4.4恒壓工作原理、PID設定

由于供熱公司需要控制熱網循環水的壓力穩定，因此變頻器采用恒壓控制方式，其工作原理如圖4所示，將壓力傳感器設在水泵機組母管網出水口，Vi為恒定壓力設定值，管網壓力V作為輸出量，構成閉環控制系統。變頻器內部的PLC采集管網壓力值V與用戶給定值Vi進行比較和運算，通過PID進行調整，將結果轉換為頻率調節信號送至變頻器，直至達到管網壓力的給定值Vi。管網壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。

（1）在PID控制中，P系數加大，可以加快調節速度。但如果過大，系統容易因超調而震蕩。若P太小，又會使系統的動作緩慢。P可正可負。如果比例系數為正，那么該回路為正作用回路；如果比例系數為負，那么該回路為反作用回路。本變頻器P設定為0.40。

（2）積分I的作用主要是消除系統的靜態誤差。但過強的積分作用使供水系統超調加大。所以在調節過程初期，應減弱積分作用，防止產生積分飽和現象；而到過程后期，應適當增強積分作用，以提高控制精度。本變頻器I設定為12.0。

風光高壓變頻器內置PID功能，其中PID結構參數具有以下選擇方式：

0：比例PID控制只比例增益起作用

圖3 高壓變頻器控制外圍控制回路

圖4 恒壓供水系統工作原理框圖

表3#5循環水泵耗功計量表

1：積分PID控制只積分增益起作用

2：比例+積分PID控制比例增益和積分增益同時起作用

3：比例+積分+微分PID控制比例增益、積分增益和微分增益同時起作用

本變頻器PID參數PID結構選擇2，比例+積分PID控制比例增益和積分增益同時起作用，完全可以滿足供水系統的供水壓力恒定要求，不需要設定微分參數。

5 改造后的節能效果以及效益分析

該#5熱網循環泵改造前根據供熱要求，調節水泵出口閥門開度來調整供熱，熱網泵的起停根據供熱要求手動操作，既不能及時調整目管壓力滿足系統穩定的要求，又操作麻煩增加維護費用。

改造后系統實現了遠程DCS集中監控，并且具備自動調節功能，根據實際供熱需要系統自動調節變頻器運行頻率，以達到改變電機轉速，進而實現滿足工藝的要求。不僅節省了大量的電能量浪費，而且實現了熱網循環系統的穩定，在系統維護和操作方面極大的減少了運行成本。

為了對比改造前后的節能效果，在供熱負荷基本相同的條件下，對比#5循環泵分別在工頻、變頻狀態下。抄錄循環水耗電計量表數據如表3所示。

節電率=節電量/原工頻耗電=（1-1501.16/1824.01）*100%=17.70%。

另外#5熱網循環泵變頻改造后，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；便于實現廠循環水泵機組控制系統自動化管理。

6 結束語

新風光電子科技股份有限公司生產的JD-BP38系列高壓變頻器性能穩定、節能效果明顯。熱電廠由于天氣溫度變化，所以每個月的供熱量是不同的，這樣就可以通過調節變頻器的頻率來調節供熱量，大大降低了運行成本。基于新風光公司JD-BP38系列高壓變頻器優異的性價比和可靠性，濟南熱電有限公司在下屬多家熱電廠鍋爐風機水泵均采用了新風光公司的高壓產品，取得了顯著的經濟效益和社會效益。