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1 引言

作為國有特大型鋼鐵企業(yè)，邯鋼積極響應國家號召，充分發(fā)揮河北鋼鐵集團整合優(yōu)勢和協(xié)同效應，把節(jié)能減排、低碳發(fā)展作為企業(yè)核心工作之一，大力實施循環(huán)經(jīng)濟，應用低碳技術(shù)，強力推進節(jié)能減排，努力打造資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、集約效益型的現(xiàn)代化鋼鐵工業(yè)園區(qū)。

早在2010年邯鋼建設投運了一個覆蓋整個邯鋼的、全局性的集生產(chǎn)管控、物流管控、能源管控為一體的能源管控中心，實現(xiàn)了物流、能源流及信息流的三流合一。管控中心自投運以來，有效地提高了能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行水平和煤氣、蒸汽等余熱余能資源的回收利用水平，煤氣資源實現(xiàn)了“零”放散，能源消耗持續(xù)降低。
2 現(xiàn)場改造設備情況

此次改造的是利用富余煤氣發(fā)電的電廠鍋爐給水泵，給水泵兩臺，一用一備。以往水量調(diào)節(jié)依靠閥門開度來控制。在機組運行中，給水泵的出口閥門調(diào)節(jié)復雜。由于這樣的調(diào)節(jié)方法僅僅是改變通道的流通阻力，而驅(qū)動源的輸出功率并沒有改變，節(jié)流損失相當大，浪費了大量電能。其主要弊端主要表現(xiàn)為：
（1）調(diào)節(jié)閥前后壓差增加，工作安全特性變壞，壓力損失嚴重，造成能耗增加；
（2）給水泵電機定速運行，閥門調(diào)整節(jié)流損失大，出口壓力高，系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費；
（3）管道壓力過高，威脅系統(tǒng)設備密封性能；
（4）長期的閥門開度，加速閥門自身磨損，導致閥門控制特性變差；
（5）設備起動沖擊電流大，需增加配電設備容量而增加投資。

為了解決上述問題，經(jīng)過了大量的技術(shù)論證，邯鋼能源中心決定用高壓變頻器替代傳統(tǒng)的閥門調(diào)節(jié)給水量的方法。電機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)對正常生產(chǎn)至關(guān)重要，對設備要求特別苛刻，因此在高壓變頻器的選用上非常謹慎。經(jīng)過考察對比，通過招標方式，邯鋼能源中心選用了新風光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器JD-BP38-2000F（2000 kW/10 kV）對2臺給水泵進行變頻改造，采用一拖二方式。2臺給水泵電機和變頻器的技術(shù)參數(shù)如表1和表2所示。

3給水泵節(jié)能原理介紹
3.1給水泵運行的機械特性

給水泵的任務是傳送液體，向鍋爐連續(xù)供給具有足夠壓力，流量和相當溫度的水，軸流給水泵是因為液體按軸向流動而得名，它是靠葉輪的推力，給液體以一定的壓力和動能，推動液體而流動。電動機的機械特性是指電機的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，通常機械特性可劃分為轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比 ，恒轉(zhuǎn)矩M-CONSTANT，恒功率P-CONSTANT，不同負載有不同的機械特性，像水泵、風機這樣的負載工作在管路靜揚程或靜壓為零的情況下，它的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以它的機械特性屬于是 。

改變水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法的基本原理是改變水泵壓頭特性曲線來改變工況點，由于水泵和風機的控制理論相似同是流體力學，適用于風機的節(jié)電方法，也基本適用于水泵上，但是液體的密度明顯的比氣體大，因而具有很高的壓力；管路阻力中的液位差較大。其節(jié)電的基本方法有三大要素：
（1）減少不必要的流量
（2）減少管路的阻力
（3）用有效的方法控制流量

其具體的改變流量的方法有很多，但它們都是以可能降低不必要的流量和壓頭為前提的。控制流量的方法：間歇運轉(zhuǎn)、并聯(lián)臺數(shù)控制、串聯(lián)臺數(shù)控制、翼角控制、調(diào)速控制等，變頻調(diào)速控制初期投資高些，但是運行中的電耗可以大量減少，適用于流量變化大，揚程變化范圍較大的場合。
3.2給水泵節(jié)能原理

直觀的水泵(或風機)工作曲線圖見圖1：水泵(或風機)的正常工作點為A，當水量(或風量)需要從Q1調(diào)到Q2時，采用閥門調(diào)節(jié)，管網(wǎng)特性曲線由R1（閥門全開）改變?yōu)镽2（閥門關(guān)?。涔ぷ鼽c調(diào)至B點，其功率為OQ2BH2’所圍成的面積，其功率變化很小，而其效率卻隨之降低。當采用變頻調(diào)速時，可以按需要升降電機轉(zhuǎn)速，改變設備的性能曲線，圖中從n1（額定轉(zhuǎn)速）到n2（轉(zhuǎn)速下降）,其工作點調(diào)至C點，使其參數(shù)滿足工藝要求，其功率為OQ2CH2所圍成的面積，同時其效率曲線也隨之平移，依然工作在高效區(qū)。圖中陰影部分為實際節(jié)約能耗。

圖1 水泵(或風機)工作曲線圖

如果在管網(wǎng)特性不變的系統(tǒng)中進行水泵調(diào)速，并且對水壓沒有要求，這種情況下節(jié)能效益比恒壓供水要顯著得多。
4變頻改造方案介紹

變頻調(diào)速系統(tǒng)配置目前該廠已有的DCS，通過DCS對變頻器進行啟動、停機、調(diào)速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運行數(shù)據(jù)和當前狀態(tài)，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行。
為了保證鍋爐給水系統(tǒng)的可靠性，變頻器裝置具有工頻手動旁路裝置，當變頻器發(fā)生故障，停止運行時，電機可以手動切換到工頻下運行，這樣可以保證鍋爐的供水要求，提高了整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

操作方面，有遠程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統(tǒng)的安全性能。DCS做好閉環(huán)控制，DCS根據(jù)機組的負荷情況，按設定程序檢測母管壓力情況，運算后給變頻器一個合適的頻率值，從而實現(xiàn)對鍋爐給水泵電機轉(zhuǎn)速的自動控制，保證母管壓力的穩(wěn)定。

給水泵變頻系統(tǒng)具有如下特點：給水泵變頻系統(tǒng)，既可以變頻調(diào)速運行，也可以直接投工頻運行，同時增加可靠的閉鎖回路；為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時，由于變頻器的控制電源和主電源沒有相位及同步要求，變頻器可以使用UPS繼續(xù)運行，不會停機；在現(xiàn)場DCS速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運行，維持機組的工況不變；變頻器配置單元旁路功能，在局部故障時，變頻器可將故障單元旁路，降額繼續(xù)運行，減少突然停機造成的損失；保留原電機繼續(xù)使用，不改變原有電機設備任何基礎(chǔ)。
5高壓變頻水泵改造方案
5.1 動力系統(tǒng)方案

該鍋爐給水系統(tǒng)變頻改造采用一拖二手動旁路方案。其一次電路如圖2所示，即配備一臺高壓變頻器，通過切換高壓隔離開關(guān)把高壓變頻器切換到要運行的給水泵上去。高壓變頻器可以拖動1#給水泵電動機實現(xiàn)變頻運行，也可以通過切換拖動2#給水泵電動機實現(xiàn)變頻運行。兩側(cè)給水泵電動機均具備工頻旁路功能。

圖2 高壓變頻一次系統(tǒng)接線圖

k1和k2為變頻器旁路開關(guān)柜高壓隔離開關(guān)；
QF4和QF5為變頻器旁路開關(guān)柜高壓斷路器；
QF1和QF3分別為現(xiàn)場1#和2#給水泵工頻電源高壓斷路器；
QF2為現(xiàn)場變頻電源高壓斷路器；
變頻器為風光JD-BP38系列高壓變頻器；
1#、2#給水泵受變頻器控制。

變頻器控制電機為一拖二控制，旁路開關(guān)柜用于工/變頻切換。K1和K2為2個高壓隔離開關(guān)，變頻器運行時，要求K1和K2同時閉合。QF4閉合，QF5斷開，QF1斷開，1#給水泵變頻運行；QF4斷開，QF1閉合1#給水泵工頻運行；QF5閉合，QF4斷開，QF3斷開，2#給水泵變頻運行；QF5斷開，QF3閉合，2#給水泵工頻運行；其中，QF4與QF1、QF5實現(xiàn)電氣互鎖，QF5與QF3、QF4實現(xiàn)電氣互鎖；將控制柜“遠控/本控”開關(guān)打至“遠控”位置，將斷路器QF2“就地/遠方”開關(guān)打至“遠方”位置，可實現(xiàn)給水泵的遠控操作。
5.2控制系統(tǒng)方案

該廠給水系統(tǒng)主要采用的是“差壓供水”方案，信號分別取自鍋爐汽包及水泵的出口壓力傳感器的壓力值，送入差壓變送器，與DCS輸出給水量調(diào)節(jié)信號進行比較，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，此信號再由DCS送至變頻器作為變頻器的給定頻率，當系統(tǒng)負荷變化時，鍋爐內(nèi)的汽包壓力不斷的變化，變頻器的輸出頻率再接到調(diào)節(jié)信號后也自動變化。水泵的出口轉(zhuǎn)速也相應的改變，始終保持水泵的出口壓力跟隨汽包壓的變化而變化，變頻器主要通過電機即泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)給水量，以保證鍋爐汽包水位。這種系統(tǒng)反應快,穩(wěn)定性好,抗干擾能力強。另外，靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量的應用中，水泵的消耗功率將以轉(zhuǎn)速三次方的關(guān)系大為減小，系統(tǒng)節(jié)能明顯。

給水泵變頻啟動時先操作對應QF2高壓斷路器，給變頻器充電，再按變頻器啟動按鈕啟動變頻器，在變頻啟動時為了不使給水泵發(fā)生“汽濁”現(xiàn)象，給水泵以最小流量控制方式啟動，打開給水泵再循環(huán)閥門，滿足給水泵的最小流量，在啟動過程中當出口流量大于最小流量時將延時打開出口閥門，出口閥門全開后關(guān)閉再循環(huán)閥門，隨著流量的增大，進入母管的主調(diào)節(jié)閥門也將隨著流量的變化開啟到最大，在運行中主要通過轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)管道中的流量，滿足汽包中水位的變化需要。

由于該變頻器不能夠聯(lián)啟，所以1#與2#給水泵只能選擇一臺變頻運行，另外一臺工頻運行，兩臺泵的連鎖投入方法與改造前一致。
5.3給水泵的啟動條件
（1）給水泵的入口和出口管道要充滿水；
（2） 給水泵入口閥門全開；
（3）給水泵出口閥門全關(guān)；
（4）給水泵再循環(huán)閥門打開；
（5）冷卻系統(tǒng)正常；
（6）機械密封水正常；
（7）油面正常；
（8）電氣聯(lián)鎖，進線斷路器QF2合閘，變頻接觸器KM1，KM2合閘；
（9）變頻器帶電，系統(tǒng)自檢正常，收到變頻器發(fā)出的“就緒”信號。
6 現(xiàn)場設備改造測試節(jié)能效果

循環(huán)水泵變頻改造后，2017年3月，高壓變頻器一次性投入生產(chǎn)，至今運行正常。經(jīng)過廠節(jié)能服務中心測試，系統(tǒng)達到了預期的效果。水泵變頻改造后，循環(huán)水泵輸入電流有明顯下降，設備實現(xiàn)了軟起動，改善了設備的運行工況，極大地減輕了設備起動時對供配電系統(tǒng)的沖擊。改造前后1#給水泵工變頻運行正常統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示。
表3  改造后的實際測量數(shù)據(jù)

1#泵變頻運行 1#泵工頻運行
運行頻率 45.3Hz 電壓 10.4 kV
輸入電流 68.9A 電流 94.1A
輸出電流 85.9A cosФ 0.9
輸入電壓 10.4kV 出口壓力 0.8 MPa
輸出電壓 9.4kV 耗電 1506.9kWh

為了對比改造前后的節(jié)能效果，在生產(chǎn)負荷基本相同的條件下，統(tǒng)計一周的耗電數(shù)據(jù)。當工頻運行時，原系統(tǒng)為1#給水泵投入運行，經(jīng)統(tǒng)計該泵工頻一周的耗電量統(tǒng)計為211526 kWh，平均每小時耗電約為1510.9kWh。當變頻運行時，該水泵變頻一周的耗電量統(tǒng)計為169400 kWh，平均每小時耗電約為1210.0 kWh。
節(jié)電量=原工頻耗電-變頻耗電=1510.9-1210.0=300.9kWh。
節(jié)電率=節(jié)電量/原工頻耗電=300.9/1510.9=19.9%。

另外給水泵變頻改造后，具有軟啟動、軟停止；提高了機組水泵的運行效率；現(xiàn)場噪音大大降低，有效改善現(xiàn)場的運行環(huán)境，操作人員反映良好；便于實現(xiàn)在鍋爐水泵機組控制系統(tǒng)自動化管理。
7結(jié)束語

在河北邯鄲鋼鐵集團能源中心熱電車間鍋爐給水泵采用JD-BP38-2000F高壓變頻器，不但操作方便、容易、維護量小，而且可以根據(jù)鍋爐汽包水位情況進行電機調(diào)節(jié)，大大提高鍋爐的穩(wěn)定性，并且節(jié)電效果顯著，提高了運行的經(jīng)濟性。