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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，把節能減排、低碳發(fā)展作為企業(yè)核心工作之一，大力實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟，應用低碳技術(shù)，強力推進(jìn)節能減排，努力打造資源節約型、環(huán)境友好型、集約效益型的現代化鋼鐵工業(yè)園區。

早在2010年邯鋼建設投運了一個(gè)覆蓋整個(gè)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(shí)現了物流、能源流及信息流的三流合一。管控中心自投運以來(lái)，有效地提高了能源系統安全穩定運行水平和煤氣、蒸汽等余熱余能資源的回收利用水平，煤氣資源實(shí)現了“零”放散，能源消耗持續降低。
2 現場(chǎng)改造設備情況

此次改造的是利用富余煤氣發(fā)電的電廠(chǎng)鍋爐給水泵，給水泵兩臺，一用一備。以往水量調節依靠閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制。在機組運行中，給水泵的出口閥門(mén)調節復雜。由于這樣的調節方法僅僅是改變通道的流通阻力，而驅動(dòng)源的輸出功率并沒(méi)有改變，節流損失相當大，浪費了大量電能。其主要弊端主要表現為：
（1）調節閥前后壓差增加，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(mén)調整節流損失大，出口壓力高，系統效率低，造成能源的浪費；
（3）管道壓力過(guò)高，威脅系統設備密封性能；
（4）長(cháng)期的閥門(mén)開(kāi)度，加速閥門(mén)自身磨損，導致閥門(mén)控制特性變差；
（5）設備起動(dòng)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(wèn)題，經(jīng)過(guò)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的閥門(mén)調節給水量的方法。電機的穩定運轉對正常生產(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(guò)考察對比，通過(guò)招標方式，邯鋼能源中心選用了新風(fēng)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(jìn)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)參數如表1和表2所示。

3給水泵節能原理介紹
3.1給水泵運行的機械特性

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

改變水泵轉速調節方法的基本原理是改變水泵壓頭特性曲線(xiàn)來(lái)改變工況點(diǎn)，由于水泵和風(fēng)機的控制理論相似同是流體力學(xué)，適用于風(fēng)機的節電方法，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?？刂屏髁康姆椒ǎ洪g歇運轉、并聯(lián)臺數控制、串聯(lián)臺數控制、翼角控制、調速控制等，變頻調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(chǎng)合。
3.2給水泵節能原理

直觀(guān)的水泵(或風(fēng)機)工作曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖1：水泵(或風(fēng)機)的正常工作點(diǎn)為A，當水量(或風(fēng)量)需要從Q1調到Q2時(shí)，采用閥門(mén)調節，管網(wǎng)特性曲線(xiàn)由R1（閥門(mén)全開(kāi)）改變?yōu)镽2（閥門(mén)關(guān)?。?，其工作點(diǎn)調至B點(diǎn)，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。當采用變頻調速時(shí)，可以按需要升降電機轉速，改變設備的性能曲線(xiàn)，圖中從n1（額定轉速）到n2（轉速下降）,其工作點(diǎn)調至C點(diǎn)，使其參數滿(mǎn)足工藝要求，其功率為OQ2CH2所圍成的面積，同時(shí)其效率曲線(xiàn)也隨之平移，依然工作在高效區。圖中陰影部分為實(shí)際節約能耗。

圖1 水泵(或風(fēng)機)工作曲線(xiàn)圖

如果在管網(wǎng)特性不變的系統中進(jìn)行水泵調速，并且對水壓沒(méi)有要求，這種情況下節能效益比恒壓供水要顯著(zhù)得多。
4變頻改造方案介紹

變頻調速系統配置目前該廠(chǎng)已有的DCS，通過(guò)DCS對變頻器進(jìn)行啟動(dòng)、停機、調速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運行數據和當前狀態(tài)，實(shí)時(shí)監控系統運行。
為了保證鍋爐給水系統的可靠性，變頻器裝置具有工頻手動(dòng)旁路裝置，當變頻器發(fā)生故障，停止運行時(shí)，電機可以手動(dòng)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(gè)系統的安全穩定性。

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的安全性能。DCS做好閉環(huán)控制，DCS根據機組的負荷情況，按設定程序檢測母管壓力情況，運算后給變頻器一個(gè)合適的頻率值，從而實(shí)現對鍋爐給水泵電機轉速的自動(dòng)控制，保證母管壓力的穩定。

給水泵變頻系統具有如下特點(diǎn)：給水泵變頻系統，既可以變頻調速運行，也可以直接投工頻運行，同時(shí)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(shí)，由于變頻器的控制電源和主電源沒(méi)有相位及同步要求，變頻器可以使用UPS繼續運行，不會(huì )停機；在現場(chǎng)DCS速度給定信號掉線(xiàn)時(shí)，變頻器提供報警的同時(shí)，可按原轉速繼續運行，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(shí)，變頻器可將故障單元旁路，降額繼續運行，減少突然停機造成的損失；保留原電機繼續使用，不改變原有電機設備任何基礎。
5高壓變頻水泵改造方案
5.1 動(dòng)力系統方案

該鍋爐給水系統變頻改造采用一拖二手動(dòng)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(guò)切換高壓隔離開(kāi)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(dòng)1#給水泵電動(dòng)機實(shí)現變頻運行，也可以通過(guò)切換拖動(dòng)2#給水泵電動(dòng)機實(shí)現變頻運行。兩側給水泵電動(dòng)機均具備工頻旁路功能。

圖2 高壓變頻一次系統接線(xiàn)圖

k1和k2為變頻器旁路開(kāi)關(guān)柜高壓隔離開(kāi)關(guān)；
QF4和QF5為變頻器旁路開(kāi)關(guān)柜高壓斷路器；
QF1和QF3分別為現場(chǎng)1#和2#給水泵工頻電源高壓斷路器；
QF2為現場(chǎng)變頻電源高壓斷路器；
變頻器為風(fēng)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(kāi)關(guān)柜用于工/變頻切換。K1和K2為2個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，變頻器運行時(shí)，要求K1和K2同時(shí)閉合。QF4閉合，QF5斷開(kāi)，QF1斷開(kāi)，1#給水泵變頻運行；QF4斷開(kāi)，QF1閉合1#給水泵工頻運行；QF5閉合，QF4斷開(kāi)，QF3斷開(kāi)，2#給水泵變頻運行；QF5斷開(kāi)，QF3閉合，2#給水泵工頻運行；其中，QF4與QF1、QF5實(shí)現電氣互鎖，QF5與QF3、QF4實(shí)現電氣互鎖；將控制柜“遠控/本控”開(kāi)關(guān)打至“遠控”位置，將斷路器QF2“就地/遠方”開(kāi)關(guān)打至“遠方”位置，可實(shí)現給水泵的遠控操作。
5.2控制系統方案

該廠(chǎng)給水系統主要采用的是“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輸出給水量調節信號進(jìn)行比較，構成閉環(huán)控制系統，此信號再由DCS送至變頻器作為變頻器的給定頻率，當系統負荷變化時(shí)，鍋爐內的汽包壓力不斷的變化，變頻器的輸出頻率再接到調節信號后也自動(dòng)變化。水泵的出口轉速也相應的改變，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(guò)電機即泵的轉速來(lái)調節給水量，以保證鍋爐汽包水位。這種系統反應快,穩定性好,抗干擾能力強。另外，靠轉速調節流量的應用中，水泵的消耗功率將以轉速三次方的關(guān)系大為減小，系統節能明顯。

給水泵變頻啟動(dòng)時(shí)先操作對應QF2高壓斷路器，給變頻器充電，再按變頻器啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)變頻器，在變頻啟動(dòng)時(shí)為了不使給水泵發(fā)生“汽濁”現象，給水泵以最小流量控制方式啟動(dòng)，打開(kāi)給水泵再循環(huán)閥門(mén)，滿(mǎn)足給水泵的最小流量，在啟動(dòng)過(guò)程中當出口流量大于最小流量時(shí)將延時(shí)打開(kāi)出口閥門(mén)，出口閥門(mén)全開(kāi)后關(guān)閉再循環(huán)閥門(mén)，隨著(zhù)流量的增大，進(jìn)入母管的主調節閥門(mén)也將隨著(zhù)流量的變化開(kāi)啟到最大，在運行中主要通過(guò)轉速來(lái)調節管道中的流量，滿(mǎn)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(dòng)條件
（1）給水泵的入口和出口管道要充滿(mǎn)水；
（2） 給水泵入口閥門(mén)全開(kāi)；
（3）給水泵出口閥門(mén)全關(guān)；
（4）給水泵再循環(huán)閥門(mén)打開(kāi)；
（5）冷卻系統正常；
（6）機械密封水正常；
（7）油面正常；
（8）電氣聯(lián)鎖，進(jìn)線(xiàn)斷路器QF2合閘，變頻接觸器KM1，KM2合閘；
（9）變頻器帶電，系統自檢正常，收到變頻器發(fā)出的“就緒”信號。
6 現場(chǎng)設備改造測試節能效果

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(guò)廠(chǎng)節能服務(wù)中心測試，系統達到了預期的效果。水泵變頻改造后，循環(huán)水泵輸入電流有明顯下降，設備實(shí)現了軟起動(dòng)，改善了設備的運行工況，極大地減輕了設備起動(dòng)時(shí)對供配電系統的沖擊。改造前后1#給水泵工變頻運行正常統計數據如表3所示。
表3  改造后的實(shí)際測量數據

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能效果，在生產(chǎn)負荷基本相同的條件下，統計一周的耗電數據。當工頻運行時(shí)，原系統為1#給水泵投入運行，經(jīng)統計該泵工頻一周的耗電量統計為211526 kWh，平均每小時(shí)耗電約為1510.9kWh。當變頻運行時(shí)，該水泵變頻一周的耗電量統計為169400 kWh，平均每小時(shí)耗電約為1210.0 kWh。
節電量=原工頻耗電-變頻耗電=1510.9-1210.0=300.9kWh。
節電率=節電量/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(dòng)、軟停止；提高了機組水泵的運行效率；現場(chǎng)噪音大大降低，有效改善現場(chǎng)的運行環(huán)境，操作人員反映良好；便于實(shí)現在鍋爐水泵機組控制系統自動(dòng)化管理。
7結束語(yǔ)

在河北邯鄲鋼鐵集團能源中心熱電車(chē)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，而且可以根據鍋爐汽包水位情況進(jìn)行電機調節，大大提高鍋爐的穩定性，并且節電效果顯著(zhù)，提高了運行的經(jīng)濟性。