熱電高壓鍋爐給水泵變頻器電氣節(jié)能改造可行性分析

陳慶波 ，周 斌

(1.云南天安化工有限公司，云南 安寧 650106；2.云南云聚能新材料有限公司，云南 安寧 650106)

1 概述

云南天安化工有限公司熱電鍋爐裝置共有4臺 1250 kW 高壓鍋爐給水泵電機(P30301A/B/C/D)，采用 6 kV 電源直接啟動，2開2備。運行水泵的入口閥/出口閥均手動全開，總管流量約 267 m3/h。隨著鍋爐效率的提升，2臺全開水泵的供水量已超過實際需要，造成鍋爐給水泵能耗浪費[1]。本著挖潛增效、節(jié)能降耗的原則，擬計劃采用1臺全壓+1臺變頻的運行方式，通過增加變頻器調(diào)節(jié)鍋爐給水泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)供水流量，既滿足供水需要，又節(jié)約電能，達到節(jié)能增效的目的。

由流體力學可知：

P=Q×p

Q1/Q2∝n1/n2

p1/p2∝(n1/n2)2

P1/P2∝(n1/n2)3

式中：P為輸出軸功率，Q為流量，p為壓力，n為轉(zhuǎn)速。

流量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，壓力p與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比(風機水泵相似性定律)。

如果水泵的效率一定，當要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉(zhuǎn)速n可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降，即水泵電機的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關系。所以，當所要求的流量Q減少時，可調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率使電動機轉(zhuǎn)速n按比例降低。轉(zhuǎn)速控制方式在低速小流量時，仍可使機泵高效率運行。這時，電動機的功率P將按三次方關系大幅度地降低，比調(diào)節(jié)擋板、閥門節(jié)能40%～50%，從而達到節(jié)電的目的。

在高壓鍋爐給水泵運行中，若流量有較大的空間調(diào)節(jié)，則給水泵電機的耗電量可大幅降低，因此確保供水的同時實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。

2 節(jié)能改造原則

利用熱電閑置的高壓變頻器(原一次風機使用，現(xiàn)已退出運行)，調(diào)節(jié)高壓鍋爐給水泵電機的轉(zhuǎn)速，從而達到調(diào)節(jié)流量、節(jié)能降耗的效果。先試改1臺，若效果明顯，則再改1臺。

(考慮到變頻器故障停運時對供水流量的影響)當變頻器停運后，總管流量或壓力降低，則通過DCS聯(lián)鎖自動啟動備用水泵(不帶變頻器的)。需對全壓、變頻水泵進行定義，并修改確認聯(lián)鎖邏輯，見表1。

表1 水泵運行方式定義

3 電機基本情況

裝置正常生產(chǎn)時2臺運行，2臺在線備用，總管流量 267 m3/h，單臺分支管路因無流量計無法測量單臺水泵出口流量。水泵電機為YKK5002-2、Y接、F級絕緣、滑動軸瓦。銘牌見圖1，參數(shù)表見表2。

圖1 電機銘牌

表2 水泵電機銘牌參數(shù)及運行參數(shù)

P30301A/D高壓電機全壓運行時，電機運行數(shù)據(jù)測量值如表3。

表3 電機運行數(shù)據(jù)表

查閱近年各月的歷史記錄，基本與目前運行數(shù)據(jù)吻合，運行功率基本保持在950～1000 kW。因電機Y接額定電壓為 6 kV，而閑置變頻器出口電壓為 3.3 kV，故需將電機繞組更改為△接法后方能適用。

4 備用變頻器基本情況

熱電裝置3臺一次風機于2014年5月全部改造完成，3臺由北京ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的ABB ACS1000變頻器全部閑置。為避免長期停電導致變頻器損壞，故二次電源一直未中斷，有效保護了板卡及電子元件[3]。但由于閑置已有5年，需對變頻器進行全面檢查維護、更換損壞元器件后方能試車投運。變頻器的銘牌見圖2，基本參數(shù)見表4。

圖2 電機銘牌參數(shù)

表4 1350 kVA備用變頻器參數(shù)表

備用變頻器A/B/C共計3臺，于2007年投用，2013年12月C臺變頻器停用，2014年5月A、B臺變頻器停用，停用前3臺變頻器正常運行。目前3臺變頻器均有故障需處理，A臺報TrippLoop跳閘回路監(jiān)視故障，B臺報Fan1/2風機故障。

根據(jù)節(jié)能改造計劃，先對A臺進行改造與水泵匹配使用，成功后再對B臺進行改造與水泵匹配使用，C臺元器件作為改造或運行備件使用。配對情況如表5。

表5 改造配對計劃

與變頻器配套使用的干式整流變壓器為ZTSFGN-1400/6，額定容量 1400 kVA，連接組別為D/d0/y11，一次側(cè)額定電流 134.7 A，二次d/y側(cè)均為 1903 V/212.4 A，由北京新華都特種變壓器有限公司生產(chǎn)，見表6。

表6 整流變壓器銘牌參數(shù)

干式變壓器停運前運行正常，停運后溫控儀的二次電源未中斷，顯示及冷卻風機啟動正常，但風道末端的墻體抽風機因設備停運拆除，改造時需恢復。

5 電機改造的可行性分析

目前電機為Y接，P=957 kW，U線=6.27 kV，I相=99 A，cosφ=0.89。若實行變頻器節(jié)能改造，必須將繞組改成△接法，使U變線=3.3 kV 才能與變頻器匹配。

電機銘牌參數(shù)：Y接，UN=6000 V，IN=143 A。在系統(tǒng)外接電源(U線=6.27 kV)不變的情況下，兩種接法下的電流計算為Y、△接法簡圖如圖3所示：

(1)Y型接法 (2)△型接法

設P總=P測=957 kW，計算得：IA=I測A=99 A(計算與測量吻合)。

P總=PA+PB+PC
=UAIAcosφA+UBIBcosφB+UCICcosφC
=3UAIAcosφA
=3×6.27×IA×0.89

設P總=P測=957 kW，計算得IA=57.16 A。

UA=U線=6.27 kV

3) 通過上述計算分析，在相同外施電壓 6.27 kV 的情況下，Y、△接時電壓電流計算值如表7。

表7 Y、△接時電壓電流計算值

4)若改為△接，繞組承受變頻器出口電壓時，UA=U線=3.3 kV，要達到相同功率，則IA計算為：

P總=957 kW=3×3.3×IA×0.9

IA=107 A

因此，在外施 3.3 kV 電壓下，繞組通過的電流為 107 A(<143 A 額定電流)。

5)小結(jié)：該電機在設計制造時，按Y接考慮，繞組允許通過的電流為 143 A，繞組運行中承受的電壓為 3.62 kV。若改為△接，則繞組通過的電流為 107 A，繞組承受的電壓為 3.3 kV。

因此，將該電機由Y接改為△接，從繞組的耐壓及載流上是滿足要求的，技術(shù)上是可行的(電纜利舊，載流滿足要求，不重復論證)。

6 變頻器改造的可行性分析

該變頻器的額定容量為 1350 kVA，電機的額定功率為 1250 kW。設變頻器的運行功率因數(shù)為0.9，則變頻器的最大輸出功率為：

P=1350×0.9=1215 kW (略小于電機的標稱額定功率，但一般情況下功率因素較高)

以電機 3.3 kV 電壓額定滿載情況下，計算電機運行電流：

P=1250 kW=3×3.3×IA×0.9

IA=140 A

根據(jù)銘牌，變頻器的額定輸出電流為 257 A>243 A。因此變頻器基本滿足電機的額定功率運行。

由于該電機長期處于950～1000 kW 之間，且變頻器已有13年壽命，考慮到高原降容、設備裕量及設備性能老化問題，建議限制變頻器的額定電流上限值到90%(230 A)，即可滿足變頻器及電機的長期安全穩(wěn)定運行功率要求。

因此將變頻器進行改造后應用于高壓鍋爐給水泵電機節(jié)能上[4]，技術(shù)上可行。

7 節(jié)能改造的經(jīng)濟性分析

根據(jù)上述工作內(nèi)容所需的材料、人工、改造等工作，對投入費用的預估(不含內(nèi)部人員施工、試驗以及變頻器檢測等費用)，見表8。

表8 改造價格預估

表8中：電機改造費用約3.2萬元，ABB變頻器的檢測維護調(diào)試(含控制板)費用約23萬元，其余由我公司自行采購的材料費用約8.8萬元，共計約35萬元?？紤]到維護保養(yǎng)檢測過程中變頻器的備件損壞(如電容器、空開、接觸器等)因素，不計內(nèi)部施工、試驗、調(diào)試、DCS點位等費用的情況下，綜合預估單臺高壓鍋爐給水泵節(jié)能改造費用約40萬元。

按改造后設備正常運行、長期變頻器水泵功率在 800 kW(比目前降低約 150 kW，即可滿足流量要求)、年平均運行330天、電費單價0.37元/kW·h計，則每年節(jié)約電費為：

W=(950-800)×24×330×0.37=44萬元

即1年便可收回改造成本(本條計算僅為粗略計算，以實際運行數(shù)據(jù)為準)。

由以上計算可知，對給水泵實行變頻器節(jié)能改造是經(jīng)濟的。

8 結(jié)語

本文對高壓鍋爐給水泵節(jié)能改造涉及的電機、變頻器、電纜等進行了充分的計算和論證，有效證明了節(jié)能改造在電氣設備方面的可行性及經(jīng)濟性，為節(jié)能改造提供了直接的電氣技術(shù)依據(jù)。

節(jié)能改造需從整個系統(tǒng)角度出發(fā)，包括基本的可調(diào)速運行、工藝管道/官網(wǎng)的壓力流量可調(diào)整等方面，并符合實際生產(chǎn)后，方能開展改造工作。

就電氣設備專業(yè)的技術(shù)來說，采用目前的電機、利舊變頻器實施節(jié)能改造完全可行，而且是經(jīng)濟的。