郑州热力总公司南郊热源厂  史永旗  刘庆庆  

                           山东新风光电子科技发展有限公司  丁庆雷 刘殿珍 郭培彬

                Shi Yongqi  Liu Qingqing   Ding Qinglei    Liu Dianzhen  Guo Peibin

摘  要：为解决郑州热力公司热网循环泵工频运行时浪费严重这一问题，采用高压变频器对热网循环泵进行改造。对比分析改造前后的运行数据，得出对热网循环泵进行高压变频改造后的节电效益。

Abstract: In order to solve time Zhengzhou Heating Company hot net circulating pump power frequency movement wastes this question, it uses the high-voltage frequency conversion, carries on the transformation to the hot net circulating pump. Around the contrast analysis transformation performance data, it obtains the electricity saving benefit on the high-voltage frequency conversion transformation after the hot net circulating pump. 

1前言

郑州热力公司承担着郑州市集中供热的开发、建设、运行、经营、维护管理任务。下属南郊热源厂目前装机容量为2×116MW，选用900kW热网循环水泵3台，两用一备。管网覆盖供暖面积达到500万平米，目前全市居民用户已享受集中供暖，形成了较为完善的热力设施配套网络。 

由于供热系统自身的特点，热网循环系统在运行中主要保证水循环稳定和压力恒定，即控制好水位、水压达到安全运行的目的。机组在供热期间，供热负荷变化时需要调节水量，而电机的出力并没有变化，其消耗的厂用电率是相当可观的。所以降低厂用电率，合理调配设备运行方式是供热公司急需解决的问题。

因此，厂领导对热网循环泵进行节能改造，最佳方案就是采用高压变频器进行调速，这样就可以通过调节压力、改变电机转速来控制流量，可以方便地调整机组的供热量，不但具有非常大的节能潜力，而且达到管道稳压的最佳效果。

2改造项目设备介绍

    南郊热源厂目前有两台116MW机组，配套900kW热网循环水泵3台。循环水泵型号相同，循环泵具体参数如表1所示，设备如图1所示。

图1 设备现场图

3水泵类负载节能分析

按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：

   (1)

其中p为电机极对数，f为电机运行频率，s为滑差。

　　从式(1)看出，电机的同步转速正比于电机的运行频率()，由于滑差s一般情况下比较小（0～0.05），电机的实际转速约等于电机的同步转速。从所以调节了电机的供电频率，就能改变电机的实际转速。
　　功率与转速有下列三次方关系：

      (2) 

　  其中P为负载功率，KP为功率常数，n为电动机拖动负载的转速。
　　由式(1)和式(2)，得式(3)：

　      (3)

　　根据式(3)可以计算出：当频率从50Hz降至40Hz时，可节约能耗近一半。
　　更直观的水泵工作曲线图见图2：水泵的正常工作点为A，当水量需要从Q1调到Q2时，采用阀门调节，管网特性曲线由R1（阀门全开）改变为R2（阀门关小），其工作点调至B点，其功率为OQ2BH2’所围成的面积，其功率变化很小，而其效率却随之降低。当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变设备的性能曲线，图中从n1（额定转速）到n2（转速下降）,其工作点调至C点，使其参数满足工艺要求，其功率为OQ2CH2所围成的面积，同时其效率曲线也随之平移，依然工作在高效区。图中阴影部分为实际节约能耗。

图2 水泵工作曲线图

如果在管网特性不变的系统中进行水泵调速，并且对水压没有要求，这种情况下节能效益要更明显。

4高压变频器技术要求及改造方案

经过了大量的技术论证，并且对目前高压变频器市场充分考查后，郑州热力公司决定选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的“风光牌”高压变频器对3台热网循环泵进行变频改造，共选用3台JD-BP38-900F（适配900kW/10kV电机）型高压变频器。

4.1 改造控制要求

    郑州热力公司有3台热网循环泵，正常运行时，投运1#热网循环泵，当管网压力不足或者供热量不足时，投入运行2#热网循环泵，其中，3#泵为备用。运行人员可根据供热量的大小投入一台或两台热网循环泵变频运行。当运行的变频器发生故障时，自动切换到工频运行，确保供热系统运行稳定。

4.2循环泵变频控制方案

由于热网热负荷调节以调节汽轮机抽汽量为调节方式，所以热网循环泵主要以稳定供热管网压力为调节方式。热网循环泵变频调节以热网供水压力为被调量，通过目前热力公司已有的DCS系统调节热网循环泵转速来调节供水压力。利用DCS对变频器进行启动、停机、调速等控制，并可在DCS上显示变频器的运行数据和当前状态，实时监控系统运行。
      为了保证供热系统的可靠性，变频器装置具有工频自动旁路装置，当变频器发生故障停止运行时，电机自动切换到工频下运行，这样可以保证供热要求，提高了整个系统的安全稳定性。
       操作方面，有远程控制和本地控制两种控制的方式，这两种控制方式可提高系统的安全性能。DCS根据供热的负荷情况，经运算后给变频器一个合适的频率值，从而实现对循环水泵的自动控制，保证供热的稳定。

变频方式下循环水泵的控制方式具体如下：

（1）保留原来的阀门调节方式，循环水泵在变频方式运行时，阀门全开，通过变频器改变电机转速以供热需求。

（2）循环水泵在工频方式运行时，利用原有的阀门调节系统。

4.3 系统主回路设计

     郑州热力公司2×160t循环流化床热水锅炉循环泵采用3套JD-BP38-900F高压变频调速系统进行调速控制。系统主回路如图3所示：

图3  循环泵自动旁路柜

原来3台循环泵全部采用工频运行，对3台循环泵增设变频调速装置改造，采用一拖一加自动旁路的方式。当循环泵变频运行时，在DCS界面上可调节频率去调整水泵转速，从而达到调节循环泵流量扬程的目的；当变频器故障或检修，可自动切至工频运行，同时保留原阀门调节方式。

旁路柜在变频器进、出线端增加了两个隔离刀闸，以便在变频器退出而电机运行于旁路时，能安全地进行变频器的故障处理或维护工作。

旁路柜主要配置：三个真空断路器（QF1、QF2、QF3）和两个刀闸隔离开关K1、K2。QF2与QF3实现电气互锁，当QF1、QF2闭合，QF3断开时，电机变频运行；当QF1、QF2断开，QF3闭合时，电机工频运行。另外，QF1闭合时，K1操作手柄被锁死，不能操作；QF2闭合时，K2操作手柄被锁死，不能操作。

电机工频运行时，若需对变频器进行故障处理或维护，切记在QF1、QF2分闸状态下，将隔离刀闸K1和K2断开。

合闸闭锁：将变频器“合闸允许”信号串联于QF1、QF2合闸回路。在变频器故障或不就绪时，真空断路器QF1、QF2合闸不允许；在QF1、QF2合闸状态下，若变频器出现故障，则“合闸允许”断开，QF1、QF2跳闸，分断变频器高压输入电源。

旁路投入：将变频器“旁路投入”信号并联于QF3合闸回路。变频运行状态下，若变频器出现故障且自动投入允许，系统将首先分断变频器高压输入、输出开关QF1和QF2，经过一定延时后，“旁路投入”闭合，即工频旁路开关QF3合闸，电机投入电网工频运行，并把旁路状态信号发送给DCS。同时DCS逻辑自动将阀门迅速关到工频相应开度，此时运行人员参与调节，控制循环泵正常工作，确保供热管网压力稳定。

如变频器发生隐患，变频器发送“变频器报警”信号至DCS，此时变频器继续运行，检修人员可到本地根据变频器报警信号的信息排除隐患。

5风光JD-BP38系列高压变频调速系统介绍

5.1总体结构

采用直接高压变频电路结构，功率单元多重化连接，直接输出到高压电机，提供驱动电压。从物理结构上分为控制柜，功率柜，变压器柜三大部分，根据现场工艺要求还可选配旁路柜，上位机，远控盒，结构如图4所示。

图4 高压变频器外形

5.2控制柜

变频控制柜主要有主控(CPU)、UPS、PLC、人机界面、控制电源开关、开关电源、继电器、避雷器、信号隔离器、接线端子，柜门操作按钮等部分构成，控制柜主要构成部分介绍如下。

（1）主控系统

主控系统为变频器的核心，它接收和处理来自上位控制及PLC的控制命令，产生每相各级功率单元的控制信号，同时采集和处理所有故障单元反馈回来的故障信息。新风光JD-BP38系列变频器采用高性能的主控系统，控制器采用32位DSP，运行速度可以达到150MIPS，足够完成一些较复杂的控制算法。同时其有6路独立的PWM输出、2个异步串行通讯口、16通道12位AD输入，内置了36k的RAM和256k的Flash存储器，可以存放较大规模的程序。线路板采用大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。     

（2）不间断电源UPS

UPS不间断电源，安装在控制柜的底部，属于纯在线式，当外部提供的控制电源220VAC正常时，UPS提供给控制系统稳定的220V电源，当外部电源掉电时，利用设计的电源冗余系统，相应的控制电继电器动作，转到变压器的二次绕组220V继续提供控制电源，UPS不间断工作，提供稳定的电源。只有当控制电和高压电同时掉电后，UPS利用自身的电池可继续给系统供电30min，同时变频器给出报警信号，用户应尽快恢复控制电源。

（3）内置PLC

变频器通过内置PLC实现内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强了变频器现场应用的灵活性。对开关量的数量不能满足要求时，可以用数字量扩展模块来实现。PLC作为一种技术成熟的工业控制元件，为变频器的现场应用提供灵活的接口和可靠性保证。

高压变频器的控制系统标准接口如图5所示：

图5 高压变频器的控制系统标准接口图

5.3 功率柜

     功率柜主要用于安装功率单元，实现单元的串联叠加三相输出。功率单元是使用功率电力电子器件进行整流、滤波、逆变的高压变频器部件，也是构成高压变频器主回路的主要部分。每个功率单元都相当于一台交-直-交电压型单相低压变频器。每个功率单元由H桥构成，输出一组SPWM波，每相8个单元，通过叠加输出一组17个电平的正弦波；同一相中的每个功率单元的采样频率一致，用同一个载波进行调制，载波相差1/N个采样周期。

当功率单元出现过流、过压故障时，变频器立即封锁该单元的输出，通过软件控制，使功率单元输出电流可以经全桥逆变电路上桥臂，或者下桥臂形成电流回路实现将该单元旁路。

功率柜顶部配置冷却风机，选择德国EBM的风机，由移相变压器二次检测绕组220V供电，通过断路器由PLC控制功率柜风机的启动，当变频器启动频率运行时，风机启动。

5.4 变压器柜

变压器柜主要由移相变压器、温控仪、冷却风机等部件构成。

    移相变压器的原理：将高压电源变换为副边相互绝缘的多组低压，各副边绕组在绕制时采用延边三角形的接法，相互之间有一定的相位差。移相变压器示意图如图6所示。

图6  移相变压器示意图

6循环水泵变频改造后运行情况

郑州热力公司热网循环泵变频改造后，运行基本良好。热网泵为两用一备，正常一般运行1#、2#循环泵，3#泵作为备用。1#、2#循环泵运行工况基本相同，以1#循环泵为例，记录运行数据如表2所示。

6.1直接效益

根据工况要求，电机运行在40～45Hz之间，并且长时间运行在41Hz左右，此时，变频器的输入功率在534kW左右，节能效果相当明显。

以往，在工频情况下运行时循环泵，电机电压为10.1kV，电流为60A，功率为850.1kW。改造以后，循环泵一般在41.2Hz下运行，其变频输出电压为8.68kV，输出电流为53.7A，功率为534kW，每天可节省7586.4kW·h。一个供暖周期按120天计算，每度电按0.65元，一台循环泵每年可节省电费：

7586.4kW·h×120天×0.65元/ kW·h =591739元。

6.2间接效益

（1）实现电机软启动。变频控制后，启动电流小于额定电流值，启动更平滑。 

（2）减少了对设备的维护量，节约了维护费用。电机以及水泵转速下降，系统效率得到提高。缓解了水流对阀门的冲击，延长了阀门的更换周期。 

（3）改善了现场工作环境，由于降低了水泵的转速，设备噪声大大降低，深受现场工作人员的欢迎。

（4）使用变频调节，可实现参数的实时调节，提高了系统运行的安全稳定性。

（5）由于采用自动控制，进一步提高了设备运行控制和系统运行管理的自动化水平，从而真正实现自动调节，大大增强了运行的安全可靠性。

7结束语

山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-900F高压变频器在热网循环泵投运以来，其性能稳定、节能效果明显。由于天气温度变化，所以每个月的供热量是不同的，这样就可以通过调节变频器的频率来调节供热量，在提高工作效率的同时又得到极大的经济效益，具有广阔的推广意义。

参考文献

山东新风光电子使用手册[Z] 山东新风光电子科技发展有限公司。