1 引言
北京京豐熱電有限公司100mw機(jī)組鍋爐給水系統(tǒng)主要由三臺(tái)6kv/1600kw給水泵和給水泵母管高、低負(fù)荷調(diào)節(jié)閥門、高壓加熱器等設(shè)備組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，給水泵采用兩用一備方式運(yùn)行。給水泵將除氧器的水通過高壓加熱器后輸送至高加、省煤器二次加熱最終進(jìn)入汽包，參與汽機(jī)、鍋爐的運(yùn)行循環(huán)。通常，系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組負(fù)荷高低，控制主給水調(diào)整門和低負(fù)荷調(diào)整門的開度，調(diào)節(jié)主給水流量，從而達(dá)到穩(wěn)定汽包水位的目的。在這種調(diào)節(jié)方式下，系統(tǒng)主要存在以下幾個(gè)問題。

圖1 100mw機(jī)組鍋爐給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）采用給水泵定速運(yùn)行，閥門調(diào)整節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費(fèi)；
（2）當(dāng)流量降低閥位開度減小時(shí)，調(diào)整閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴(yán)重，造成能耗增加；
（3）長(zhǎng)期的40～70％閥門開度，加速閥體自身磨損，導(dǎo)致閥門控制特性變差；
（4）管網(wǎng)壓力過高威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致閥門泄漏，不能關(guān)嚴(yán)等情況發(fā)生；
（5）設(shè)備使用壽命短、日常維護(hù)量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費(fèi)。
解決上述問題的重要手段之一是采用變頻調(diào)速控制技術(shù)。利用高壓變頻器對(duì)給水泵電機(jī)進(jìn)行變頻控制，實(shí)現(xiàn)給水流量的變負(fù)荷調(diào)節(jié)。這樣，不僅解決了控制閥調(diào)節(jié)線性度差、純滯延大等難以控制的缺點(diǎn)，而且提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；更重要的是減小了因調(diào)節(jié)閥門孔口變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了系統(tǒng)對(duì)管路密封性能的破壞，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，維護(hù)量減小，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約能源，為降低電廠廠用電率提供了良好的途徑。

2 系統(tǒng)方案的選擇
由于系統(tǒng)采用兩用一備方式運(yùn)行，因此考慮采用一工一變運(yùn)行方案或兩變運(yùn)行方案。原給水系統(tǒng)采用閥門調(diào)整的h-q特性曲線如圖2所示，兩臺(tái)工頻泵的特性曲線合成為n。在100mw負(fù)荷時(shí)，管網(wǎng)特性為ra’，閥門全開情況下的泵工作點(diǎn)為a，采用閥門調(diào)節(jié)，開度減小后系統(tǒng)的有效工作點(diǎn)為a’。也就是說，100mw負(fù)荷情況下鍋爐系統(tǒng)只需要的壓力11.0mpa,流量385m3/h的給水工況。兩臺(tái)泵的有效功率pa’是與“a’-385-0-11.0”圍成的面積相對(duì)應(yīng)部分，而“a-a’-11.0-14.0”圍成的面積對(duì)應(yīng)的功率paa’被閥門節(jié)流消耗掉了。90mw負(fù)荷，70mw負(fù)荷的工況與100mw相類似。從圖2中可以看出，機(jī)組負(fù)荷對(duì)流量的需求越低，截流功耗也越大、系統(tǒng)效率降低越多。

圖2 給水系統(tǒng)采用閥門調(diào)整的h-q特性曲線

系統(tǒng)如果采用一工一變運(yùn)行方案，此時(shí)管網(wǎng)閥門全開、一臺(tái)變頻泵調(diào)速運(yùn)行時(shí)的給水系統(tǒng)h-q特性曲線如圖3所示的n0。在100mw負(fù)荷時(shí)，管網(wǎng)特性為ra’，工頻泵的特性曲線為n0，實(shí)際所需壓力為11.0mpa，工頻泵的有效排量為270m3/h與o點(diǎn)對(duì)應(yīng)。另一臺(tái)泵變頻運(yùn)行后，泵轉(zhuǎn)速降低，其特性曲線為由額定曲線降為na’，其有效工作點(diǎn)即為a’，泵有效功率pa’為“a’-385-0-11.0”圍成的面積對(duì)應(yīng)功率值，系統(tǒng)不再有截流損耗。但是系統(tǒng)在機(jī)組負(fù)荷70mw時(shí)，給水流量260m3/h小于單臺(tái)泵的額定排量270m3/h。變頻泵的調(diào)節(jié)已無(wú)法滿足系統(tǒng)控制的需要，此時(shí)可以停止工頻泵運(yùn)行由變頻泵滿足系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)要求，但是一臺(tái)變頻泵的運(yùn)行將大大降低系統(tǒng)運(yùn)行安全性能，是不可取的。
如果在變頻泵和工頻泵同時(shí)運(yùn)行的情況下，滿足系統(tǒng)負(fù)荷要求，則必須在負(fù)荷降低后采用閥門調(diào)節(jié)流量。而此時(shí)，變頻泵需維持泵出口壓力與管網(wǎng)壓力相等，輸出流量降為“零”(實(shí)際上是出口流量接近于零)，運(yùn)行特性曲線為nc’。變頻泵在零排量功耗增加了系統(tǒng)低負(fù)荷下的給水泵系統(tǒng)功耗，整體效率降低；而且一工一變運(yùn)行方式下的給水系統(tǒng)控制方案的復(fù)雜性提高，不利于調(diào)峰機(jī)組的頻繁調(diào)節(jié)工況。一臺(tái)泵長(zhǎng)期運(yùn)行于滿負(fù)荷狀態(tài)將影響設(shè)備的使用壽命。

圖3 一臺(tái)變頻泵調(diào)速運(yùn)行時(shí)的給水系統(tǒng)h-q特性曲線

因此，采用一工一變的運(yùn)行方案不適合于調(diào)峰機(jī)組的鍋爐給水泵系統(tǒng)。
鑒于上述情況，提出系統(tǒng)采用兩臺(tái)給水泵同時(shí)變頻調(diào)節(jié)的控制方案。該方案可以保證兩臺(tái)泵的工作點(diǎn)一致，系統(tǒng)響應(yīng)范圍寬可以滿足機(jī)組負(fù)荷變化的不同需求。采用兩臺(tái)變頻運(yùn)行的方案，管網(wǎng)閥門全開，兩臺(tái)變頻泵調(diào)速運(yùn)行時(shí)的給水系統(tǒng)h-q特性曲線如圖4所示。兩臺(tái)變頻泵的特性曲線合成為n，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，給水泵轉(zhuǎn)速降低，其工作點(diǎn)與系統(tǒng)有效工作點(diǎn)一致，大大提高了系統(tǒng)效率，而且采用變頻調(diào)節(jié)后系統(tǒng)響應(yīng)快、線性度好、易于汽包水位自動(dòng)投入。在100mw負(fù)荷時(shí)，管網(wǎng)特性為ra’，實(shí)際所需壓力為11.0mpa工況下，兩臺(tái)變頻泵的合成特性曲線為na’。兩臺(tái)變頻泵的有效功率pa’與“a’-385-0-11.0”圍成的面積對(duì)應(yīng)，而“a-a’-11.0-14.0”圍成的面積對(duì)應(yīng)的功率paa’，則是系統(tǒng)采用變頻泵調(diào)節(jié)較工頻泵閥門調(diào)節(jié)時(shí)節(jié)約的功率部分。在70mw負(fù)荷時(shí)，管網(wǎng)特性為rc’，實(shí)際所需壓力為11.0mpa工況下，兩臺(tái)變頻泵的合成特性曲線為nc’。兩臺(tái)變頻泵的有效功率pc’與“c’-260-0-11.0”圍成的面積對(duì)應(yīng)，而“c- c’-11.0-15.2”圍成的面積對(duì)應(yīng)的功率pcc’，則是系統(tǒng)采用變頻泵調(diào)節(jié)較工頻泵閥門調(diào)節(jié)時(shí)節(jié)約的功率部分。給水系統(tǒng)采用兩臺(tái)變頻泵調(diào)節(jié)，可以完全響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷的變化。
因此，100mw調(diào)峰機(jī)組的給水系統(tǒng)宜采用兩臺(tái)變頻泵的運(yùn)行方案。

圖4 兩臺(tái)變頻泵調(diào)速運(yùn)行時(shí)的給水系統(tǒng)h-q特性曲線

3 系統(tǒng)方案
通過對(duì)原系統(tǒng)的研究、分析，綜合其中存在的問題，以“先保證系統(tǒng)安全可靠，結(jié)構(gòu)合理，然后提供最佳性價(jià)比方案”的原則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造方案設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)采用一拖一工／變頻方案，3＃、4＃給水泵分別安裝一套高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，5＃給水泵工頻備用。系統(tǒng)主電氣原理如圖5所示，其中qf表示高壓開關(guān)、qs表示隔離開關(guān)、u表示高壓變頻器、m表示給水泵電動(dòng)機(jī)；qf為現(xiàn)場(chǎng)原有設(shè)備，qs32和qs33之間、qs42和qs43之間均存在機(jī)械互鎖關(guān)系，防止變頻器輸出與6kv電源側(cè)短路。正常運(yùn)行時(shí)，斷開qs33、閉合qs32、qs31隔離開關(guān)，3＃泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)；斷開qs43、閉合qs42、qs41隔離開關(guān)，4＃泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)3＃（或4＃）變頻器故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)鎖啟動(dòng)5＃給水泵運(yùn)行。斷開qs32、qs31 (或qs42、qs41)、閉合qs33(或qs43)，3＃（或4＃）給水泵可以恢復(fù)原工頻系統(tǒng)備用，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全。

圖5 兩臺(tái)變頻泵調(diào)速運(yùn)行的系統(tǒng)主電氣原理

給水泵變頻運(yùn)行方式分為手動(dòng)控制及汽包水位pid調(diào)節(jié)自動(dòng)控制兩種。正常情況下，3＃、4＃變頻泵作為運(yùn)行泵長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)器發(fā)出調(diào)整門全開指令，主給水調(diào)整門和低負(fù)荷調(diào)整門處于100％全開狀態(tài)；由變頻器接受遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)器的自動(dòng)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)調(diào)節(jié)給水泵流量滿足不同負(fù)荷的需求。當(dāng)單臺(tái)變頻器故障跳閘時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)鎖啟動(dòng)5＃給水泵工頻運(yùn)行。由于工頻泵的啟動(dòng)時(shí)間＜10s，而且在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后處于滿載運(yùn)行狀態(tài)，其工作點(diǎn)高于變頻泵運(yùn)行的工作點(diǎn)，同時(shí)會(huì)減低變頻運(yùn)行泵的排量，系統(tǒng)給水量偏于正?？刂泣c(diǎn)。因此，在不同的機(jī)組負(fù)荷情況下，其擾動(dòng)量會(huì)對(duì)汽包水位產(chǎn)生影響。為降低工／變頻切換過程中給水量對(duì)負(fù)荷的影響，調(diào)節(jié)器內(nèi)置機(jī)組負(fù)荷——調(diào)整閥位特性表，系統(tǒng)將在一臺(tái)變頻故障情況下關(guān)小主給水調(diào)整門至50～70％，同時(shí)提升變頻器的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。從而降低汽包給水系統(tǒng)對(duì)變頻調(diào)節(jié)的依賴作用，防止事故情況下變頻跳閘、工頻泵聯(lián)起后閥門響應(yīng)速度慢汽包水位變化大危及系統(tǒng)安全的情況發(fā)生。在減低節(jié)能空間的情況下保證機(jī)組安全，提高一工一變運(yùn)行方式下的系統(tǒng)安全可靠性，加快變頻完全掉失情況下的系統(tǒng)反映能力是系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)當(dāng)中的一個(gè)重要問題。
當(dāng)給水泵變頻器跳閘后，可以通過旁路柜將變頻器完全退出主電氣回路，給水泵切換至工頻備用狀態(tài)，系統(tǒng)仍然處于兩用一備運(yùn)行狀態(tài)。在變頻器維修完畢可以投入時(shí)，系統(tǒng)將變頻器直接啟動(dòng)至50hz工頻運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，強(qiáng)制開閥指令，調(diào)節(jié)器自動(dòng)降低變頻轉(zhuǎn)速。從而，完成工頻至變頻運(yùn)行方式的投入。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析
4.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)
（1）發(fā)電機(jī)組容量:100mw;
（2）配置給水泵數(shù)量:3臺(tái)（兩用一備）;
（3）給水泵參數(shù):如表1所示;

表1 給水泵參數(shù)

（4）配套電機(jī)參數(shù):如表2所示;

表2 配套電機(jī)參數(shù)

（5）發(fā)電機(jī)組不同負(fù)荷下給水泵運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表3所示;

表3 發(fā)電機(jī)組不同負(fù)荷下給水泵運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)

（6）成本電價(jià):0.232元/kw·h;
（7）發(fā)電機(jī)全年工作時(shí)間:8061h(2004年運(yùn)行統(tǒng)計(jì))。
4.2 工頻狀態(tài)下的年耗電量計(jì)算
設(shè):pd:電動(dòng)機(jī)功率;ηd:電動(dòng)機(jī)效率;u:電動(dòng)機(jī)輸入電壓;i:電動(dòng)機(jī)電流；cosφ:功率因數(shù)。
計(jì)算公式:pd= ×u×i×cosφ （1）
將電動(dòng)機(jī)銘牌參數(shù)帶入公式（1）可得，cosφ=0.87。
平均運(yùn)行時(shí)間百分比＝平均運(yùn)行時(shí)間／24
由于兩臺(tái)給水泵的運(yùn)行工況一致，因此電動(dòng)機(jī)在工頻狀態(tài)下，可以將兩臺(tái)泵的電流之和帶入公式（1）進(jìn)行計(jì)算。各負(fù)荷電動(dòng)機(jī)實(shí)際功耗計(jì)算值見表4。

表4 各負(fù)荷電動(dòng)機(jī)實(shí)際功耗計(jì)算值

設(shè):cd:年耗電量值;t:年運(yùn)行時(shí)間;δ:單負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間百分比。
累計(jì)年耗電量公式:cd=t×∑(pd×δ) （2）
cd=8061×(2712.31×25%＋2531.49×41.7%＋2441.08×33.3%)=20527817kw·h
因此，采用工頻運(yùn)行時(shí)，每年兩臺(tái)給水泵的耗電總量約為2052.8萬(wàn)kw·h。
4.3 變頻狀態(tài)下的年耗電量計(jì)算
（1）給水泵在變頻情況下的壓力計(jì)算:
管網(wǎng)阻力＝給水泵出口壓力-調(diào)整門入口壓力;
閥門全開所需泵口壓力＝調(diào)整門出口壓力＋管網(wǎng)阻力;
給水泵工作壓力=閥門全開所需泵口壓力-給水泵入口壓力;
根據(jù)上述公式，將各負(fù)荷情況下的數(shù)據(jù)帶入后可依次求得給水泵工作壓力值，如表5所示。

表5 各負(fù)荷情況下的數(shù)據(jù)帶入后求得的給水泵工作壓力值

（2）給水泵在不同負(fù)荷下的泵特性系數(shù)計(jì)算：
由于給水泵系統(tǒng)在不同負(fù)荷下的管網(wǎng)特性不同，因此，必須將負(fù)荷對(duì)應(yīng)的h、q值帶入公式（4）求得λ，如表6所示。

表6 不同負(fù)荷下求得的λ值

（3）給水泵在變頻情況下的功耗計(jì)算:
設(shè):pd’:電動(dòng)機(jī)軸功率;p:泵軸功率;ηd:電動(dòng)機(jī)效率;ηf:變頻器實(shí)際效率;η:泵效率;q:泵出口流量;h:泵壓力;λ:泵特性系數(shù)。
由于泵與電動(dòng)機(jī)軸直接連接，則傳動(dòng)效率為1;
pd’=p （3）
電動(dòng)機(jī)效率ηd與電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率β之間的關(guān)系如圖6所示。典型的系統(tǒng)效率如圖7所示。

圖6 ηd與β之間的關(guān)系

泵軸功率: （4）
電動(dòng)機(jī)功率: （5）
由上述公式（3）、（4）、（5）可推理得出:
; （6）
將各負(fù)荷情況下求得的h、λ’以及q帶入公式（6）計(jì)算變頻狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)總功耗數(shù)值見表7。
網(wǎng)側(cè)功耗。ηf由圖7查得。

表7 變頻狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)總功耗計(jì)算數(shù)值

cb=8061×（2340.38×25%+2097.76×41.7%+1938.78×33.3%）=16972241kw·h
因此，采用變頻運(yùn)行時(shí)，每年泵耗電量約為1697.2萬(wàn)kw·h。
（4）節(jié)能計(jì)算
年節(jié)電量:δc=cd-cb=2052.8-1697.2=355.6萬(wàn)kw·h
節(jié)電率:(δc/cd)×100%=(355.6/2052.8)×100% =17.3%
節(jié)約電量若以發(fā)電成本計(jì)算，則每年可節(jié)約發(fā)電成本:355.6×0.232=82.50萬(wàn)元。
經(jīng)改造后的給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與改造前的控制閥門開度調(diào)節(jié)相比，除了上述直接經(jīng)濟(jì)效益外，還有許多間接經(jīng)濟(jì)效益:
● 采用變頻調(diào)速，消除了大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)影響;
● 采用變頻調(diào)速，消除了大電動(dòng)機(jī)大電流啟動(dòng)時(shí)的沖擊力矩對(duì)電機(jī)損壞;
● 采用變頻調(diào)速，延長(zhǎng)了電機(jī)、管網(wǎng)和閥門的使用壽命，減輕了維修人員的工作量，降低了維修費(fèi)用;
● 提高了系統(tǒng)自動(dòng)裝置的穩(wěn)定性，為系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行提供了可靠保證，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)得到改善，提高系統(tǒng)效率。

5 結(jié)束語(yǔ)
通過對(duì)北京京豐熱電有限公司100mw機(jī)組給水泵系統(tǒng)的分析論證：采用高壓變頻器對(duì)兩臺(tái)給水泵進(jìn)行變頻改造，改閥門開度為水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是切實(shí)可行的；能夠達(dá)到降低廠用電率的目的。而且，在系統(tǒng)的安全可靠性、設(shè)備維護(hù)量等方面具有良好的收益。