摘 要 ：本文介绍了广州明珠C厂在发电机组锅炉给水泵应用高压变频系统的技术和经济分析。指出高压变频调速在电厂风机、泵类的应用具有明显的社会效益和经济效益。
1 引言
广州明珠电力（集团）有限公司发电C厂现有#5、#6两台51.2MW燃油机组，#7一台36MW汽轮机组。#5、#6两台燃机的余热分别提供#1、#2锅炉，驱动#7汽轮发电机。#1、#2锅炉的#1、#2汽包的给水由#1、#2、#3三台给水泵母管方式供水。
三台给水泵的参数相同，水泵为沈阳水泵厂生产DG80-120x9，额定转速2980r/min，效率82％，供水80m3/h，改造为120m3/h，扬程1080m。拖动给水泵的三台6kV电动机为Y4002-1型电机，额定参数500kW，6kV/57.2A，cos=0.87，转速2972r/min，F级绝缘，绕组Y接，1998年8月南洋防爆电机厂生产。
2 广州明珠C厂机组给水系统工况简介
如图1所示为明珠C厂#7汽轮发电机给水泵回路原理示意图，该设计最初的设计思想是“两工作一备用”，当任意一台出现故障时随即启动备用电动机，保证机组的正常运行。给水母管到两个锅炉汽包都分别有主路、中路、旁路三个阀门控制给水流量，其中主路为调节阀最大流量100％，中路调节阀最大流量约70％，旁路电动阀流量约50％。
图1 明珠C厂锅炉给水回路图
但水泵经过叶片技术改造，现在的实际运行工况是:在目前负荷情况下，一台泵的出水量已够两台锅炉的运行使用，在两台燃机运行，#1与#2两个汽包供汽（二拖一工况）、总负荷为67MVA左右时，汽包压力6.4Mpa左右，额定蒸发量64t/h，运行1#泵，此时电机电流为51A左右，功率因数为0.86，实际给水量约125t/h，泵头出口压力为8.3～8.9MPa左右，根据泵的性能曲线，此时泵已工作到极限，该运行情况下泵的效率较低，如果负荷进一步增加时必须启动第二台泵。在谷期负荷较低时，只运行其中一台燃机，一个汽包供汽（一拖一工况），汽包压力3.5Mpa左右，此时保持运行#2泵，电机电流为41A左右，电机功率因数为0.86，泵头出口压力为9.2～9.8Mpa左右，实际给水量约63t/h。
3 广州明珠C厂#1给水泵改造前的运行情况
3.1 改造前的给水泵的系统运行数据
明珠C厂锅炉给水泵变频改造前系统运行数据如表1所示。
表1 明珠C厂锅炉给水泵变频改造前系统运行数据
在水泵性能曲线上绘出二拖一工况及一拖一工况的等效率曲线。如绘出一拖一时的管网特性曲线，如图2中曲线2（此曲线对应回流循环阀开度一定时），二拖一时的管网特性曲线，如图3中曲线2所示（此曲线对应回流循环阀开度全开时）;两图中的曲线1均为水泵工频运行H-Q特性曲线。 
图2 工频一拖一供水Q-H曲线及管网特性曲线
在进行变频改造前，峰期运行工况点为图3的A点，谷期为图2的B点。通过上述数据可得出如下结论:
（1）日间二拖一时，一台泵运行时，水泵给水量约120m3/h，从水泵的性能曲线可知，在该点运行时水泵效率较低，为53％，而该水泵最佳效率点为62％（对应额定流量为80m3/h）。
图3 工频二拖一供水Q-H曲线及管网特性曲线
（2）日间二拖一时，电机消耗总功率为P= UI=1.732×6000×51=530kVA，其中有功功率为Pcosφ=530×0.86=455.8kW，在该运行情况下电机已基本满负荷运行，但是电机无功电流为[512-（51×0.86）2]0.5=26A。
（3）峰期一拖一时，电机消耗总功率为1.732×6000×41=426kVA，其中有功功率为426×0.85=360kW。
（4）谷期运行时，在水压为9.8Mpa的情况下，水泵给水为105m3/h，锅炉供水为633/h，回流循环阀回流42m3/h，存在很大的节能空间。
3.2 广州明珠C厂#1给水泵变频改造方案
3.2.1设计要求及目标
（1）向变频系统提供两台锅炉汽包独立汽包水位反馈信号（4～20mA信号），做为控制目标，实现自动控制;
（2）变频改造后的控制系统独立于现有的DCS系统，本系统有独立的检测、控制、显示、数据处理系统，在中控室也能监视供水系统状态、实时监视系统运行状态，可记录系统运行数据;
（3）实现远程控制性能，能够实现在中控室进行远程命令控制及系统控制目标参数修改;
（4）能实现与其他水泵的切换互补运行，并实现完善的故障处理功能，故障停机后自动启动其他水泵，保障供水系统安全运行。
3.2.2设计方案
经过调研与比较，广州明珠电力（集团）有限公司C厂给水泵变频改造选用了广州智光电力电子有限公司生产的Zinvert智能高压变频调速系统，取得了满意的运行效果。
（1）系统介绍
Zinvert智能高压变频调速系统具有强大的自动控制和通信功能，为方便运行人员控制，在中控室安装有监控PC计算机，由其与N（N=1-31）台ZINVERT变频调速系统进行通信，Zinvert智能高压变频调速系统具有RS-485通信接口，采用标准MODBUS通讯协议。允许系统连接1-31个Zinvert高压变频调速系统，最大1200m的通讯距离。系统总体框图如图4所示。
图4 系统控制总体框图
在广州明珠电力（集团）有限公司C厂给水泵的变频改造系统中，初期选用一台500kW/6kV高压变频调速装置，远期规划有两台。在改造后系统中上位PC机作为主机，高压变频调速装置作为从机。该系统特点是成本较低、信号传输距离远、抗干扰能力强，尤其适合中远距离控制系统。采用该方案，可直接在中控室调节与控制高压变频调速系统的运行。
上位机采用PC计算机，在Windows图形化系统平台上实现友好的人机界面，用文字、表格、图象等显示的运行状态、报警、事件记录及其它信息，可实现数据查看、运行控制、目标参数调节等功能，操作方便、显示直观，方便现场运行和维护。
（2）控制系统构成
针对用户要求，变频改造时所有的信号检测、驱动机构要完全独立于现有的DCS控制系统，调节可采用定频运行阀门控制，也可采用阀门定开度变频，满足运行需要的汽包蒸发量、给水流量及汽包液位要求。
（3）可靠性措施方案
由于发电机组运行可靠性的要求，系统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，结合实际运行状况设计二种故障处理方案，当变频调速系统出现故障时，可将电机投切到工频下运行，恢复到原有系统运行方式。
高压变频系统配备旁路柜，当高压变频调速系统出现故障后，高压变频调速系统控制器跳开DL1，连锁关闭出水阀门，同时连锁启动备用水泵。可将电机转切至工频运行，进行检修原理如图5所示。
图5 变频调速系统带旁路系统的接线图
图5中DL1为现有电机用高压断路器，K1、K2、K3为高压隔离刀闸，当变频调速系统故障时，自动断开DL1，操作切换打开K1、K2，闭合K3将电机转为工频。此时变频调速系统从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。
3.2.3 ZINVERT系列智能高压变频调速系统的优势
（1）采用先进的多级H桥单元模块结构，通过高速光纤数字通信技术，实现高压主回路与控制系统的隔离，抗电磁干扰，可靠性高，为直接高压输出型变频调速系统。
（2）高功效，无电网污染，电网侧功率因数高达0.96以上，谐波失真度小于3％，优于国际IEC有关公用电网谐波水平的最严格要求。无需功率因数补偿及谐波抑制装置。
（3）Zinvert系列高压变频调速系统解决了电机未停车即可直接启动ZINVERT系列智能高压变频调速系统的瓶颈问题，无需任何电机测速装置，启动时无电流冲击，确保电机持续运行可靠性,此为高压变频领域的独特性能。
（4）Zinvert系列高压变频调速系统采用该公司自有专利技术，主回路设计中充分考虑了电机或是连接电机的高压电缆可能发生的相间短路而设计了三重短路保护，可有效保护变频调速系统免受巨大相间短路故障电流而造成的损坏，从而进一步延长产品寿命和提升产品运行可靠性。该产品已通过输出相间短路功能的测试。
（5）输入高压瞬时掉电后系统不停机，当高压掉电或者高压输入跌落至65％以下时间较长导致系统停机时，若在设定时间内（最长可至60s）高压恢复则可自行无冲击启动高压电机。装置使用此功能后，可有效避免传统高压变频调速系统因母线切换或大负荷启动时母线电压跌落时间较长情况下所导致的不必要停机现象，实现全智能自动搜索、无冲击自动启动功能，保证生产持续进行。装置由于自身故障导致停机，在设定时间内若故障恢复亦可自动无冲击再启动电机（可通过软件设定是否应用）。
（6）系统升降速时间整定不合理时，控制系统自动进行调整，保证电机平稳加速或减速而不停机。
（7）耐电网波动能力强:网侧电压在65％额定值至120％额定值内不停机，保证电机持续运行。电网输入侧电压在+15%～-15%范围内波动时，通过电压波动补偿算法来自动补偿输出，可维持输出电压和带载能力保持不变。控制电源采用交、直流输入，多达3路供电，各控制电源互为备用，确保控制器工作的可靠性。
（8）系统提供给用户的数字量输入、输出，模拟量输入、输出，通信等接口类型与数量丰富，内置工业PLC控制器，满足现场各种运行与控制需求。
（9）生产厂家具备6kV高压电机和780kW风机实际负载，具有完善的研究、开发、生产、试验条件，可严格保证产品质量。
由于高压变频调速系统对环境（温度、灰尘）要求较高，一般现有进口、国产高压变频调速装置都要求建造专用房间或利用室内闲置位置用于安装高压变频调速系统，并要作外围空气冷却与防尘处理，这使得现场工作量较大，且要求有相应专业技术。明珠C厂#1给水泵变频改造选用的Zinvert系列高压变频调速系统生产厂家已充分考虑了防尘与冷却问题，在现场只建设一简单的基础即可一体化箱式安装方式，使现场的改造基建投资大大削减，且整个系统的箱式外壳在完全满足防护和抗干扰要求前提下，兼顾了美观性和实用性，直接安装在机组0m层给水泵现场附近。
图6 一台变频改造后一拖一变频运行H-Q曲线
4 广州明珠电力（集团）有限公司C厂#1给水泵高压变频改造后的运行情况
4.1 经过高压变频改造后的给水泵的系统运行数据
明珠C厂锅炉给水泵变频改造后系统运行数据如表2所示。
表2 明珠C 厂锅炉给水泵变频改造后系统运行数据
进行变频改造后，按锅炉需水量供水，一拖一工况给水压力平均4.8MPa变频运行供水63m3/h，根据等效率曲线，绘出一拖一变频运行H-Q曲线如图6。进行变频改造后，按锅炉需水量供水，二拖一工况给水压力平均7.2MPa变频运行供水125m3/h，根据等效率曲线，绘出二拖一变频运行H-Q曲线如图7。
图7 一台变频改造后变频运行H-Q曲线
4.2 高压变频改造前后给水泵运行数据比较
明珠C厂锅炉给水泵变频改造前后系统运行数据比较如表3所示。
表3 明珠C 厂锅炉给水泵变频改造前后系统运行数据比较
从表3的数据可见，#1给水泵经过高压变频改造后，其给水系统的管网压力、消耗功率都大大减小，尤其在一拖一运行方式下，其管网压力50％左右、消耗功率降低60％;即使在二拖一运行方式下，其管网压力降低9％、消耗功率降低10％，有相当大的经济效益。
5 给水泵高压变频改造的效果评价
5.1 经济效益分析
#1给水泵改造后，在一拖一运行方式下，功率损耗降低60％;在二拖一运行方式下，功率损耗降低10％，具有相当大的经济效益，变频改造前的给水泵运行费用计算:变频改造前假设峰期耗电稳定，电机功率为P11（kW），此功率情况下工作时间为T11（一般16h）;谷期电机功率为P12（kW），工作时间为T12（h，一般8h），则改造前日峰期耗电量为:W1＝P11×T11。谷期耗电量为:W2=P12×T12。假定每度电峰期电价为Y1，谷期电价为Y2，年运行时间为D0天，则年耗电量为:YQ=W1×Y1×D0+W2×Y2×D0;由如数据，P11=460（kW），T11=16（h），T12=8（h），P12=360（kW），年运行时间D0假定为330天，根据本厂的上网电价，可知变频改造前每年消耗电费:YQ=203.7（万元）。
变频改造后的给水泵运行费用计算:变频改造后，假设峰期耗电稳定，电机功率为P21（kW），工作时间为T21（一般16h）;谷期电机功率为P22（kW），工作时长为T22（h，一般8h），改造后日峰期耗电量为:
，谷期耗电量为:
，假定每度电峰期电价为Y1，谷期电价为Y2，年运行时间为D0天，则年耗电量为
此耗电量可由改造后运行情况得出。由如上计算， P21=410（kW），T21=16（h），T22=8（h），P22=140（kW），年运行时间D0假定为330天，根据本厂的上网电价，可知变频改造后则每年消耗电费:
（万元）。变频改造后每年节省消耗电费: 
（万元），给水泵节省厂用电费用可达20％，投资回收期小于两年。
5.2 其它效益分析
（1）用高压变频器后网侧功率因数提高:原电机直接由工频驱动时，功率因数为0.8-0.86之间。采用高压变频调节系统后，电源侧的功率因数可提高到0.97以上，可进一步节约上游设备的运行费用。
（2）给水泵采用变频调节后，由于通过降低电机水泵转速实现节能，电机、水泵转速降低，管网压力降低，辅助设备如轴承、阀门等磨损大大减轻，设备运行与维护费用下降，维护周期可加长，设备运行寿命延长。
（3）采用高压变频调速装置后，可对电机实现软启动，启动时电流不超过电机运行额定电流的1.2倍，避免全压启动对电网和电动机的冲击，降低电动机的故障率延长电动机使用寿命，维护周期增长，电机检修费用可大幅降低。
由于机组运行现状是单泵给水运行模式，考虑到机组改造后锅炉蒸发量会增大，发电量增加时，一台泵已无法满足供水需求，到时必需增开一泵，即用两台泵供水，但两台工频泵供水明显过多，因此届时可以采取一台泵工频运行，而另一台泵变频运行，这种工况下所实现的节能效益将有更大的体现。
6 结束语
明珠C厂#1给水泵在采用广州智光公司的Zinvert智能高压变频调速系统进行变频技术改造实施后，取得了明显的节电效果，并获得很好的经济效益和社会效益，为电厂高压电机的节能改造积累了丰富的经验，高压变频调速在厂用电系统的大面积的采用将大大促进电厂厂用电率的降低，成为电力企业节能降耗的亮点。现阶段，我国电力供应缺口很大，供需矛盾突出，在加快电力建设速度的同时，国家电力价格放开，竞价上网成为各个电厂必需面临的电力市场局面。在这种形势下，各个电厂应该积极依靠科技进步，加大节能降耗工作力度，对于降低厂用电率，增强电厂竞争力具有不可忽视的作用。