凝结水泵电动机节能改造分析

2015-06-05赵智龙

综合智慧能源 2015年3期

关键词：叶轮变频变频器

赵智龙

凝结水泵电动机节能改造分析

赵智龙

（中国华电集团公司望亭发电厂，江苏苏州 215155）

通过对更换电动机、减少凝结水泵的叶轮级数以及加装变频器3种方案进行分析，最终得出加装变频器为电动机运行的最佳节能方案，论述了变频技术指标以及变频技术在电动机节能中的实际效果和经济效益。

节能；变频器；电动机；技术改造

0 引言

随着科技的不断进步，越来越多的大容量、高参数机组被投放到电网中，导致电量的消耗随之提升。我国针对节能减排出台了一系列措施，规定在保证电网安全的前提下，按照上网机组能耗指标的高低对电厂进行排序，能耗低的电厂优先发电。因此，电厂必须降低辅机能耗来适应电力市场的激烈竞争。电厂厂用电中，泵消耗电量约占厂用电量的50%，如何降低各类泵的电能消耗成为首要问题。

1 机组情况概述

中国华电集团公司望亭发电厂（以下简称望亭电厂）现有装机容量2740MW，共有2台300MW级亚临界燃煤机组（＃11机组容量为310MW，＃14机组容量为330MW），2台390MW燃气-蒸汽联合循环发电机组（＃1，＃2机组）和2台660MW超超临界燃煤机组（＃3，＃4机组）。

2 节能方案分析

在望亭电厂＃1，＃2机组的6 kV辅机中，凝结水泵存在较大的节能空间，其额定参数为：流量，525 t／h；出口压力，2.49MPa；电动机功率，630 kW；电流，71.5A。机组运行时凝结水系统参数见表1。

表1 望亭电厂＃1，＃2机组凝结水系统参数

从表1数据分析得出，凝结水系统存在2个问题：一是电动机额定功率高出实际需求量20%左右，造成使用效率降低，能源被无故浪费；二是凝结水泵出口压力偏高，低压给水调门长期节流运行，损失较大。低压省煤器在运行中温度不得超过160℃，该温度对应压力为0.618MPa，而目前低压给水调门前压力最低为1.800MPa，尚有较大节能空间。

针对该凝结水泵的现状，经研究初步确定3个方案：一是更换凝结水泵电动机；二是通过减少凝结水泵叶轮级数来降低凝结水泵出力，减少节流损失；三是加装变频器降低凝结水泵出力，减少节流损失。下文对3种方案分别进行分析。

2.1 更换凝结水泵电动机

更换凝结水泵电动机可以直接降低电动机功率，提高电动机效率。张家港电厂同类型机组凝结水泵额定参数为：流量，524 t／h；出口压力，2.47 MPa；电动机功率，500 kW；电流，56.2 A。机组运行中凝结水泵部分参数见表2。

表2 张家港电厂同类型机组凝结水系统参数

对比表1与表2可以看出，在凝结水泵电动机功率较匹配的情况下，更换凝结水泵电动机可提高整体效率，相同工况下功率可下降约10%。表3为张家港电厂近2年凝结水泵用电使用情况统计。

通过同类型机组运行情况可看出，电动机功率为500 kW时已完全能满足各种工况的需求。直接更换1台电动机，费用约60万元，2台机组共需240万元。按2011年凝结水泵用电量计算，在平均功率下降10%的情况下，可节约厂用电59万kW·h，以目前上网电价计算，1年节约费用为59×0.581＝34.3（万元）。维护费用与原来一样，不会增加，则240÷34.3＝7（年）可以收回成本。

表3 张家港电厂近2年凝结水泵用电情况

2.2 减少凝结水泵叶轮级数

江苏华电戚墅堰发电有限公司（以下简称戚墅堰公司）同类型凝结水泵已拆除一级叶轮，取得了明显效果。表4为戚墅堰公司凝结水泵减少叶轮后的运行工况。

表4 戚墅堰公司凝结水泵减少叶轮后运行工况

对比表1和表4可以看出，在相同工况下，减少叶轮后凝结水泵电耗下降了约20%。

减少凝结水泵叶轮后，戚墅堰公司凝结水泵运行工况良好，符合安全运行条件下降低能耗的既定目标。但望亭电厂凝结水泵的原始状态与其有一定差异，之前尝试拆除一级叶轮，但泵的出力仍大于其他电厂。

要想达到戚墅堰公司凝结水泵的节能效果，望亭电厂至少需要拆除一级叶轮及小车一级叶轮，但该措施是否会影响凝结水泵的运行尚未可知，还需要相关专家进行评测。

由于基础出力高，望亭电厂凝结水泵功率下降到350 kW的可能性不大。因此，在计算经济性时以戚墅堰公司的凝结水泵电耗下降幅度计算。以2012年基础数据来看，1年可以节约电量约100万kW·h，折合58.1万元。

2.3 凝结水泵加装变频器

2.3.1 变频节能技术优势

（1）控制启动电流。在电动机刚启动时，从电动机或感性负载通电的瞬间到运行平稳的短暂时间内会产生电流波动，这个电流一般是额定电流的4～7倍。这个冲击电流将大大增加电动机绕组的电应力，并产生热量，从而降低电动机的寿命。变频调速在适当增加转矩后，可以零速、零电压启动电动机，能充分降低启动电流，从而降低电动机的维护成本，并延长电动机的使用寿命。

（2）降低线路电压波动。电压波动是指电压均方根值发生一系列相对快速变动或连续改变的现象。在电动机工频启动、电流剧增的同时也会产生大幅的电压波动。电压下降的幅度取决于启动电动机的功率大小和配电网的容量。电压下降会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，如PC机传感器接近开关和接触器等均会动作出错。采用变频调速后，能最大限度地消除电压下降。

（3）启动功率低。电动机的功率是电流和电压的乘积，即电动机启动时损耗的电流或电压越大，损耗的功率就越大，那么电动机通过变频启动消耗的功率将远远小于通过工频直接启动所消耗的功率。

（4）加速可控。电动机通过工频启动时，自身和相连机械部分的轴、齿轮等都会产生剧烈振动，这种振动将进一步加剧机械磨损并降低电动机和机械部件的使用寿命。而变频调速可以做到零速启动，并按照用户的需要进行较为平稳的加速，而且有多种加速曲线，如直线加速、S形加速和自动加速等。

（5）运行速度可调。运用变频调速能优化运行过程，并能根据运行工况迅速改变运行转速，还能通过远控可编程逻辑控制器（PLC）或其他控制器来实现速度变化。由于最终的能耗与电动机转速的立方成正比，所以加装变频器后凝结水泵有很高的节能效益。

（6）短时失电保护。当电网出现重合闸等短时失电时，工频运行的泵会随之停止运行，但变频运行的泵会因变频器内部的储能元件短时维持失电前的转速运行，保证了设备运行的不间断性。例如，望亭电厂在＃11，＃14机组一次风机变频器上增加的失电跨越功能，较好地解决了短时失电运行问题。

2.3.2 变频器的2种布置方式

变频改造主流措施主要有“一拖一加旁路”或“一拖二加旁路”2种方式。“一拖一”方式优点为运行方式比较灵活，缺点为投资较大；“一拖二”方式相对“一拖一”方式的优点是可以节约一部分成本，但是运行方式较为单一。结合望亭电厂实际情况，参考年使用小时数，凝结水系统变频改造应采用“一拖二加电动旁路”的方案，即单机配备1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凝结水泵上去。该方案一次回路接线如图1所示。高压变频器可以拖动甲凝结水泵电动机实现变频运行，也可以通过切换拖动乙凝结水泵电动机实现变频运行。2台凝结水泵电动机均具备工频旁路功能，可实现任意一台电动机变频运行，另外一台处于工频备用的工况。当高压变频器故障时，系统可联锁启动另一台工频电动机及时投运，并可按照原正常倒泵时间切换。

图1 凝结水泵变频器“一拖二”系统原理

同类型机组已采取过此方案，每台机组安装1台变频器，采用“一拖二加电动旁路”的方案，运行情况良好。正常工况下安排1台凝结水泵变频运行，1台凝结水泵工频备用。加装变频器后的节能效果见表5。

表5 加装变频器后凝给水系统参数

由表2、表5可以看出，节能效果良好，400，350和280MW负荷下，凝结水泵功率分别下降了25%，33%和42%。

从已加装凝结水泵变频器的同类型机组运行情况看，凝结水泵运行情况良好。低压给水调门前压力为1MPa左右，对应饱和温度约为180℃，满足低压省煤器的运行要求，尚有20℃以上的裕量。

2.3.3 节能效益分析

如果采取每台机组加装1台变频器（一拖二）的方案，加上材料、调试、人工等费用，总费用为245万元左右。从节能效果看，总体负荷越低，凝结水泵加装变频器后节能效果越明显，凝结水泵功率下降幅度在33%以上。初步估算可以节约厂用电量220万kW·h，按当前上网电价折合128万元，预计2年可以收回成本。

以2012年为例，＃1，＃2机组共启、停133次，其中11次冷态启动，冷态启、停1次时间约为5 h，热态启、停1次时间约为2 h，则启、停总时间约为300 h，占机组总运行时间的3%。在计算经济效益时，按照节能33%估算，如果每天使用变频凝结水泵，按照平均功率计算。

根据统计，工频运行时凝结水泵电能表常数为5.70 r／（kW·h），变频运行时为3.47 r／（kW·h）。

2012年，＃1，＃2机组凝泵电耗分别为332和259万kW·h，则每年可以节约电量＝（332+ 259）×（1-3%）×（5.70-3.47）÷5.70＝224.3（万kW·h）。

变频装置冷却系统使用单台3匹空调冷却，该空调单匹每小时耗电量约为0.7457 kW·h，按机组1年运行300 d统计，则总耗电量为0.745 7×3× 24×300≈16107（kW·h）。则2台机组合计净节能2 243 000-2×16 107＝2 210 786（kW·h），约221万kW·h。

按照目前上网电价计算，可节约资金221× 0.58＝128（万元），回收资金时间约为245÷128＝1.91（年）。

综上所述，加装变频器应为最佳方案，虽然投资较大，但按照近2年机组发电量来看，2年即可收回成本，且有利于供电气耗、厂用电率等指标的完成，提高电厂机组的综合竞争力。