关键词：变频调速系统；锅炉给水泵；高压变频器；DCS
Abstract: This article introduces the application of Fengguang brand high-voltage frequency converter in the boiler feed pump of the energy center of Handan Iron and Steel Group. Through the introduction of the pump frequency conversion reform program and the calculation of the energy-saving effect after the transformation, it shows that the metallurgical enterprise fan pump frequency conversion reform energy-saving effect is significant , with high economic efficiency.
Key words: Frequency Control System; Boiler feed pump; High-voltage inverter; DCS
【中图分类号】U262.27 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）04-0000-00
1 引言
作为国有特大型钢铁企业，邯钢积极响应国家号召，充分发挥河北钢铁集团整合优势和协同效应，把节能减排、低碳发展作为企业核心工作之一，大力实施循环经济，应用低碳技术，强力推进节能减排，努力打造资源节约型、环境友好型、集约效益型的现代化钢铁工业园区。
早在2010年邯钢建设投运了一个覆盖整个邯钢的、全局性的集生产管控、物流管控、能源管控为一体的能源管控中心，实现了物流、能源流及信息流的三流合一。管控中心自投运以来，有效地提高了能源系统安全稳定运行水平和煤气、蒸汽等余热余能资源的回收利用水平，煤气资源实现了“零”放散，能源消耗持续降低。
2 现场改造设备情况
此次改造的是利用富余煤气发电的电厂锅炉给水泵，给水泵两台，一用一备。以往水量调节依靠阀门开度来控制。在机组运行中，给水泵的出口阀门调节复杂。由于这样的调节方法仅仅是改变通道的流通阻力，而驱动源的输出功率并没有改变，节流损失相当大，浪费了大量电能。其主要弊端主要表现为：
（1）调节阀前后压差增加，工作安全特性变坏，压力损失严重，造成能耗增加；
（2）给水泵电机定速运行，阀门调整节流损失大，出口压力高，系统效率低，造成能源的浪费；
（3）管道压力过高，威胁系统设备密封性能；
（4）长期的阀门开度，加速阀门自身磨损，导致阀门控制特性变差；
（5）设备起动冲击电流大，需增加配电设备容量而增加投资。
为了解决上述问题，经过了大量的技术论证，邯钢能源中心决定用高压变频器替代传统的阀门调节给水量的方法。电机的稳定运转对正常生产至关重要，对设备要求特别苛刻，因此在高压变频器的选用上非常谨慎。经过考察对比，通过招标方式，邯钢能源中心选用了新风光电子科技股份有限公司生产的高压变频器JD-BP38-2000F（2000 kW/10 kV）对2台给水泵进行变频改造，采用一拖二方式。2台给水泵电机和变频器的技术参数如表1和表2所示。
表1 锅炉给水泵电机参数
3 给水泵节能原理介绍
3.1 给水泵运行的机械特性
给水泵的任务是传送液体，向锅炉连续供给具有足够压力，流量和相当温度的水，轴流给水泵是因为液体按轴向流动而得名，它是靠叶轮的推力，给液体以一定的压力和动能，推动液体而流动。电动机的机械特性是指电机的转矩与转速的关系，通常机械特性可划分为转矩与转速的平方成正比 ，恒转矩M-CONSTANT，恒功率P-CONSTANT，不同负载有不同的机械特性，像水泵、风机这样的负载工作在管路静扬程或静压为零的情况下，它的转矩与转速的平方成正比，所以它的机械特性属于是 。
改变水泵转速调节方法的基本原理是改变水泵压头特性曲线来改变工况点，由于水泵和风机的控制理论相似同是流体力学，适用于风机的节电方法，也基本适用于水泵上，但是液体的密度明显的比气体大，因而具有很高的压力；管路阻力中的液位差较大。其节电的基本方法有三大要素：
（1）减少不必要的流量；
（2）减少管路的阻力；
（3）用高效的方法控制流量。
其具体的改变流量的方法有很多，但它们都是以可能降低不必要的流量和压头为前提的。控制流量的方法：间歇运转、并联台数控制、串联台数控制、翼角控制、调速控制等，变频调速控制初期投资高些，但是运行中的电耗可以大量减少，适用于流量变化大，扬程变化范围较大的场合。
3.2 给水泵节能原理
按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：
   
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（或风机）工作曲线图见图1：水泵（或风机）的正常工作点为A，当水量（或风量）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0Q2BH2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0Q2CH2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。
 
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比恒压供水要显著得多。
4 变频改造方案介绍
变频调速系统配置目前该厂已有的DCS，通过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。
为了保证锅炉给水系统的可靠性，变频器装置具有工频手动旁路装置，当变频器发生故障，停止运行时，电机可以手动切换到工频下运行，这样可以保证锅炉的供水要求，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做好闭环控制，DCS根据机组的负荷情况，按设定程序检测母管压力情况，运算后给变频器一个合适的频率值，从而实现对锅炉给水泵电机转速的自动控制，保证母管压力的稳定。
给水泵变频系统具有如下特点：给水泵变频系统，既可以变频调速运行，也可以直接投工频运行，同时增加可靠的闭锁回路；为变频器提供的交流220V控制电源掉电时，由于变频器的控制电源和主电源没有相位及同步要求，变频器可以使用UPS继续运行，不会停机；在现场DCS速度给定信号掉线时，变频器提供报警的同时，可按原转速继续运行，维持机组的工况不变；变频器配置单元旁路功能，在局部故障时，变频器可将故障单元旁路，降额继续运行，减少突然停机造成的损失；保留原电机继续使用，不改变原有电机设备任何基础。
5 高压变频水泵改造方案
5.1 动力系统方案
该锅炉给水系统变频改造采用一拖二手动旁路方案。其一次电路如图2所示，即配备一台高压变频器，通过切换高压隔离开关把高压变频器切换到要运行的给水泵上去。高压变频器可以拖动1#给水泵电动机实现变频运行，也可以通过切换拖动2#给水泵电动机实现变频运行。两侧给水泵电动机均具备工频旁路功能。
 
k1和k2为变频器旁路开关柜高压隔离开关；
QF4和QF5为变频器旁路开关柜高压断路器；
QF1和QF3分别为现场1#和2#给水泵工频电源高压断路器；
QF2为现场变频电源高压断路器；
变频器为风光JD-BP38系列高压变频器；
1#、2#给水泵受变频器控制。
变频器控制电机为一拖二控制，旁路开关柜用于工/变频切换。K1和K2为2个高压隔离开关，变频器运行时，要求K1和K2同时闭合。QF4闭合，QF5断开，QF1断开，1#给水泵变频运行；QF4断开，QF1闭合1#给水泵工频运行；QF5闭合，QF4断开，QF3断开，2#给水泵变频运行；QF5断开，QF3闭合，2#给水泵工频运行；其中，QF4与QF1、QF5实现电气互锁，QF5与QF3、QF4实现电气互锁；将控制柜“远控/本控”开关打至“远控”位置，将断路器QF2“就地/远方”开关打至“远方”位置，可实现给水泵的远控操作。
5.2控制系统方案
该厂给水系统主要采用的是“差压供水”方案，信号分别取自锅炉汽包及水泵的出口压力传感器的压力值，送入差压变送器，与DCS输出给水量调节信号进行比较，构成闭环控制系统，此信号再由DCS送至变频器作为变频器的给定频率，当系统负荷变化时，锅炉内的汽包压力不断的变化，变频器的输出频率再接到调节信号后也自动变化。水泵的出口转速也相应的改变，始终保持水泵的出口压力跟随汽包压的变化而变化，变频器主要通过电机即泵的转速来调节给水量，以保证锅炉汽包水位。这种系统反应快,稳定性好，抗干扰能力强。另外，靠转速调节流量的应用中，水泵的消耗功率将以转速三次方的关系大为减小，系统节能明显。
给水泵变频启动时先操作对应QF2高压断路器，给变频器充电，再按变频器启动按钮启动变频器，在变频启动时为了不使给水泵发生“汽浊”现象，给水泵以最小流量控制方式启动，打开给水泵再循环阀门，满足给水泵的最小流量，在启动过程中当出口流量大于最小流量时将延时打开出口阀门，出口阀门全开后关闭再循环阀门，随着流量的增大，进入母管的主调节阀门也将随着流量的变化开启到最大，在运行中主要通过转速来调节管道中的流量，满足汽包中水位的变化需要。
由于该变频器不能够联启，所以1#与2#给水泵只能选择一台变频运行，另外一台工频运行，两台泵的连锁投入方法与改造前一致。
5.3给水泵的启动条件
（1）给水泵的入口和出口管道要充满水；
（2） 给水泵入口阀门全开； 
（3）给水泵出口阀门全关； 
（4）给水泵再循环阀门打开； 
（5）冷却系统正常；
（6）机械密封水正常；
（7）油面正常；
（8）电气联锁，进线断路器QF2合闸，变频接触器KM1，KM2合闸； 
（9）变频器带电，系统自检正常，收到变频器发出的“就绪”信号。 
6 现场设备改造测试节能效果
循环水泵变频改造后，2017年3月，高压变频器一次性投入生产，至今运行正常。经过厂节能服务中心测试，系统达到了预期的效果。水泵变频改造后，循环水泵输入电流有明显下降，设备实现了软起动，改善了设备的运行工况，极大地减轻了设备起动时对供配电系统的冲击。改造前后1#给水泵工变频运行正常统计数据如表3所示。
表3 改造后的实际测量数据
为了对比改造前后的节能效果，在生产负荷基本相同的条件下，统计一周的耗电数据。当工频运行时，原系统为1#给水泵投入运行，经统计该泵工频一周的耗电量统计为211526 kWh，平均每小时耗电约为1510.9kWh。当变频运行时，该水泵变频一周的耗电量统计为169400 kWh，平均每小时耗电约为1210.0 kWh。
节电量=原工频耗电-变频耗电=1510.9-1210.0=300.9kWh。
节电率=节电量/原工频耗电=300.9/1510.9=19.9%。
另外给水泵变频改造后，具有软启动、软停止；提高了机组水泵的运行效率；现场噪音大大降低，有效改善现场的运行环境，操作人员反映良好；便于实现在锅炉水泵机组控制系统自动化管理。
7 结束语
在河北邯郸钢铁集团能源中心热电车间锅炉给水泵采用JD-BP38-2000F高压变频器，不但操作方便、容易、维护量小，而且可以根据锅炉汽包水位情况进行电机调节，大大提高锅炉运行的稳定性，并且节电效果显著，提高了运行的经济性。
参考文献
新风光电子使用手册[Z] 新风光电子科技股份有限公司。
作者简介 
田利瑞 男 技术支持工程师 供职于新风光电子科技股份有限公司。