高压变频调速在火力发电厂取水系统中的应用引言
以往西南电力设计院设计的火力发电厂取水系统的取水泵均采用工频定速运行方式，取水后管道流量的调节靠调节水阀调控，属节流调节。在西南电力设计院设计的重庆合川发电有限责任公司双槐电厂的2×300MW工程中水源取至渠江，该江水位变化较大，枯水期与洪水期的水位变幅达30m左右。取水口水压因水位落差的变化也随之发生较大改变，取水量也相应发生变化。为了保证取水管道的流量处在一个比较稳定的范围值内，取水泵则需随着取水口水位的变化频繁起停，造成取水管道压力变化较大，而且电机运行效率极低。当取水口水位越高时，管道压力也越高，调节阀门开度越小，节流损失越严重。
针对上述情况为了降低取水泵的单耗，节约运行成本，西南电力设计院对重庆合川发电有限责任公司双槐电厂2×300MW工程2台江边取水泵（功率400kW，电压等级6kV，运行方式一运一备）采用了高压变频调速控制。经过甲方组织的招投标，最后确定采用东方日立（成都）电控设备有限公司的DHVECTOL-DI00500/06B变频器产品。
2 DHVECTOL-DI00500/06B变频器产品功能及技术特点
2.1 主要功能
作为电机的调速设备，拖动异步电机。
（1）输入参数
额定电压：三相交流6kV±10％;
频率：50Hz;
输入侧电流畸变率:＜4%（20%负载以上）;
输入侧功率因数：＞0.96（20%负载以上）;
效率：96％。
（2）输出参数
容量：0-500kVA；
额定输出电压：6kV；
额定输出频率：50Hz；
输出频率范围：0.1-50Hz；
频率分辨率：0.01Hz；
升降速时间：1-3600s可调；
电压波形：准正弦波；
电流波形：完全正弦。
（3）其它
具有标准PID控制功能；
具有故障自诊断、自记录功能，支持对故障的查询功能，与上位机联机后可以打印故障；
支持Profibus、Modubus通讯控制方式；
支持远端操作以及远端显示；
输入/输出保护：输入缺相、欠压、过压、过流；输出过流、缺相、短路、不平衡等；
内部保护：过载、过热、通讯故障、自动旁路故障单元等。
2.2 主要技术特点
（1）输入谐波小。符合GB/T14549-2002及IEEE519-1992对电压、电流谐波失真严格的要求。
（2）高功率因数。标准值达到0.96以上。
（3）高效率。效率>95%，比其它调速技术的效率高得多。
（4）输出脉动转矩小。大大降低了输出的谐波电流（低于4%），避免了电机发热和转矩脉动。
（5）电机软起动。保证启动过程对电网不会产生冲击电流，降低电机磨损，延长电机和轴承使用寿命，节省维护费用。
（6）瞬时停电再起动功能。可以根据电源恢复时电动机自由旋转的实际速度计算出对应的输出频率，以此频率为起始频率使电动机重新起动并加速到停电前的运行状态，以适应不允许停电设备的需要。
3 变频节电原理
采用变频器可对水泵进行调速控制，以控制流量的方法来节能。众所周知，水泵负载转矩与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比，因此可以通过调节水泵的转速来节电。
采用变频器可对水泵进行调速控制对于电厂生产运行具有重要的意义。
（1）电动机容量计算
水泵电动机所需的输出轴功率为：
P=QP/(ηTηF)
式中：ηT—水泵的效率；
ηF—传动装置的效率。
异步电机的转速为：
转速n=60f(1-s)/p
（2）水泵流量、压力、功率与转速n关系
流量：Q ∝n
压力：H ∝n2
功率：P ∝n3
假设：额定流量为Q0，额定功耗为P0；所需流量为Q1，功耗为Pg.in；由上述正比关系得出下式：
P0∶n13=Pg.in∶n23
所以采用变频器调速后，变频器的输入功率为:
考虑变频器和电机效率后，输入功率为：
式中：P0 —被拖动的电机的轴功率
η —变频器效率
（3）不同负荷情况下节能效果曲线图
横坐标代表水泵的负荷状态。①为调节水泵转速时电机输入功率的曲线，②为采用变频调速方法时，带来的节能效益曲线。如图1所示。
图1 不同负荷情况下节能效果曲线图
曲线②没有考虑调速装置本身的效率，也忽略调速后水泵本身的效率变化情况，综合考虑这两个因素后，曲线②将略微下降。
4 工程应用
（1）针对本工程的实际情况,2台取水泵每台泵配置1套DHVECTOL-DI00500/06B变频器装置,变频设备布置在取水泵综合楼变频室内。每台泵变频器接线详见下图2。
图2 取水泵变频器接线单元图
（2）根据取水口水位的变幅值30m，将30m水位变幅值等分10格，水位每变幅3m作为一个变频点，最终水泵厂家确定了11条水泵的Q-H性能曲线，并确定了每条曲线的变频参数（频率、电机转速）。水泵各转速下的Q-H性能曲线如图3所示。
图3 水泵各转速下的Q-H性能曲线图
从水泵的Q-H性能曲线图可以看出，采用变频调节后，在确保管道流量一定的要求下，当水位变幅最大时（20m工况点）电机运行效率仍然可以达到80％，在大多数工况下水泵的运行效率均在90％以上，效率的平均值达到了设计的要求（>83％）。未采用变频调节时，如要求管道流量一定并且电机运行效率>83％，则水泵的Q－H性能曲线与流量一定的（1950m3/h）轴线无交点，满足不了设计要求。
5 经济效益
5.1 电机参数
每台电机功率：400kW；
电压等级：6kV；
流量：1950m3/h；
电机数量：2台；
运行方式：一运一备。
根据电机的Q-H性能曲线图及变频器的性能参数可得出下附表。
附表 电机的Q-H性能曲线图及变频器的性能参数
根据公式：
可以算出电机在各种工况下的实际功率Pg.in值以及实际功率Pg.in与额定功率P0的比值。当实际运行转速为870r/min时，负荷率按比值0.752计算，扣除变频器的耗电量4％P（变频器功率），每台电机年运行小时数按5500h考虑，单台电机运行一年可节约的电量为：
（400-4％P）×(1-0.752)×5500
=(400-0.04×500×0.96)×(1-0.752)×5500
=519411.2kW·h
按电费0.50元/kW·h计算，每台泵一年节约电费为：0.50×519411.2=259705.6元，一年可节约运行成本26万元。
从上计算可以看出采用变频调速后具有很好的投资回报率。
6 结束语
采用变频器可带来诸多好处：
（1）实现软起动，无起动大电流冲击。电流从零开始，仅随转速的增加而上升，起动十分平稳，从而消除了对供电电网和机械设备的冲击效应，降低了设备维护保养费用。
（2）降低了噪音：当水泵转速降低时，噪音也随之降低。
（3）延长了设备的使用寿命：降低电机转速的同时，机组的使用寿命也不同程度地延长，如叶轮的寿命可以得到延长，出口闸阀和管道的磨损也可下降。
（4）根据事先设定的流量指标，实现了自动控制水泵出口流量，提高了系统运行的质量，达到了恒流量供水，保证管网安全运行的目的。
从以上的效果分析，采用变频器后具有很好的经济回报，可大幅度降低电耗，降低了设备的运行维护费用，具有良好的社会效益和经济效益。
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