高壓變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)在水電廠水泵系統(tǒng)中的應(yīng)用

在對水泵電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制原理進(jìn)行簡單闡述后，結(jié)合水電廠6.3 kV一期高壓水泵系統(tǒng)概況，對水電廠高壓水泵系統(tǒng)變頻節(jié)能升級方案、經(jīng)濟(jì)效益等進(jìn)行了詳細(xì)分析研究。

從大量研究資料和實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)可知，將輔機(jī)水泵系統(tǒng)常規(guī)的定速節(jié)流靜態(tài)調(diào)節(jié)方式升級改造為變頻節(jié)能動態(tài)調(diào)速控制方式，可以確保水泵拖動系統(tǒng)長期輸出與輸入間的動態(tài)平衡，其節(jié)能效果非常明顯[1]。

1 變頻調(diào)速節(jié)能控制原理

輸出轉(zhuǎn)矩是水泵拖動系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能的主要表現(xiàn)，而電機(jī)輸入電源頻率(f)、轉(zhuǎn)差率(s)、以及磁極對數(shù)(p)三個特性參數(shù)間又具有一定的邏輯關(guān)系，即：

從式(1)可以看出，要想確保水泵電機(jī)拖動系統(tǒng)處于節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況，就需要動態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)拖動系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩，即調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)差率(s)和磁極對數(shù)(p)兩種方式來改變水泵電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)矩)，將會涉及到對整個水泵電機(jī)內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，這在實(shí)踐工程應(yīng)用中不具備很強(qiáng)的普及應(yīng)用特性。因此，改變水泵電機(jī)輸入電源頻率(f)，其不僅在理論研究中較為成熟，而且是實(shí)踐工程應(yīng)用中也已取得較為良好的節(jié)能應(yīng)用效果[2]。

2 水電廠高壓水泵系統(tǒng)概況

某水電廠共裝有8臺600 mVA機(jī)組，選用2臺6 kV 1600 kW水泵電機(jī)作為一期機(jī)組排水系統(tǒng)的核心設(shè)備。該排水系統(tǒng)由于其設(shè)計(jì)過程中估算排水量偏大，導(dǎo)致其功率選型值偏大，其實(shí)際所需排水量只有設(shè)計(jì)值的56%左右，存在嚴(yán)重“大馬拉小車”問題，加上水泵電機(jī)采用靜態(tài)閥門調(diào)速，能耗非常大，水泵電機(jī)拖動系統(tǒng)設(shè)備性能老化較為嚴(yán)重。水電廠發(fā)電機(jī)組其一期機(jī)組排水系統(tǒng)，給水泵額定流量為247 m3/h，額定轉(zhuǎn)速為2960 r/min;配套電機(jī)型號為YKS5004-2，額定功率為1600 kW，額定電壓為6.3 kV，額定電流為188.4 A，額定轉(zhuǎn)速為2980 r/min，功率因素為0.9，防護(hù)等級為F級 IP55。從水電廠大量歷史調(diào)節(jié)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，當(dāng)水力發(fā)電機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時，其水泵電機(jī)拖動系統(tǒng)在動、靜調(diào)節(jié)過程中其節(jié)流損失較大，相比于額定運(yùn)行工況下其節(jié)流損失大約增加48%～52%左右，整個水泵電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率普遍較低，能耗相當(dāng)嚴(yán)重，在很大程度上影響到水力發(fā)電機(jī)組的整體廠用電率。根據(jù)水泵電機(jī)系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)分析結(jié)果，按照變頻調(diào)速理論分析可知，如采用變頻節(jié)能節(jié)流調(diào)速控制方案對水泵電機(jī)拖動系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，大致可以達(dá)到30%左右的節(jié)能效果。

3 高壓水泵系統(tǒng)變頻節(jié)能升級方案

為了滿足綠色環(huán)保節(jié)能水電廠相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，減少水力發(fā)電機(jī)組輔機(jī)系統(tǒng)中的無謂電能資源浪費(fèi)，降低水電廠廠用電率，提高單位電能生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。決定采用6 kV高壓變頻器對水電廠一期2臺6.3 kV高壓水泵系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)升級改造，其具體變頻節(jié)能升級改造方案如圖1所示：

從圖1可知，整個節(jié)能升級改造方案中除了采用6.3 kV高壓變頻器外，還需要改造水泵系統(tǒng)的6.3 kV電機(jī)一次系統(tǒng)(圖1中虛線部分為6.6 kV高壓電機(jī)的旁路柜)，主要由三個高壓真空接觸器(KM1、KM2、KM3)、2個6.3 kV高壓隔離刀閘(QS1、QS2)、1個PT測量保護(hù)用電壓互感器等共同組成。

4 高壓水泵系統(tǒng)變頻節(jié)能升級改造節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益分析

為了分析水電廠一期水泵系統(tǒng)采用6.3 k高壓變頻器為核心的變頻節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級改造后的經(jīng)濟(jì)效益，按照圖1所示的改造方案將兩臺6.3 kV高壓水泵電機(jī)進(jìn)行升級改造，將一期排水水泵變頻調(diào)速運(yùn)行工況下的電機(jī)全年用電量與未進(jìn)行改造前的工頻靜態(tài)調(diào)控下的電機(jī)拖動系統(tǒng)用電量進(jìn)行對比分析。未采用6.3 kV高壓變頻器進(jìn)行技術(shù)升級改造前，水電廠水泵系統(tǒng)長期處于全速運(yùn)行工況，對應(yīng)其全年用電量大約為：P1=19200000(kWh);采用以6.3 kV高壓變頻器為核心的變頻節(jié)能調(diào)速控制進(jìn)行技術(shù)升級改造后，水電廠一期排水泵電機(jī)拖動系統(tǒng)始終工作在變頻節(jié)能動態(tài)調(diào)速經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況中，其全年用電量大約為：P2=14100000(kWh)。與6.3 kV高壓水泵電機(jī)擋板和閥門靜態(tài)調(diào)節(jié)相比，采用6.3 kV變頻調(diào)速進(jìn)行節(jié)能升級改造后，整個水電廠排水系統(tǒng)每年大約可以節(jié)約電能資源為：△P=P1-P2=：5100000(kWh)。按水電廠平均上網(wǎng)電價為0.3元/kWh進(jìn)行估算，則采用6.3 kV高壓變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)對水電廠一期水泵排水系統(tǒng)電機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能升級改造后，其每年大致可以節(jié)約電費(fèi)為1530000元，約153萬元，節(jié)電效率為26.6%，與理論變頻節(jié)能效率相匹配，其節(jié)能節(jié)電效果非常明顯。水電廠水泵電機(jī)拖動系統(tǒng)進(jìn)行6.3 kV高壓變頻調(diào)速節(jié)能升級改造后，不僅改善了水泵電機(jī)拖動系統(tǒng)的綜合運(yùn)行性能，降低了水泵電機(jī)的起動電流，確保水泵輔機(jī)系統(tǒng)具有較高運(yùn)行安全可靠性，同時其節(jié)能節(jié)電效果相當(dāng)明顯，每年大約可以節(jié)約153萬元，避免了電廠廠用電無謂大量電能浪費(fèi)，降低了廠用電率。

5 結(jié)語

隨著電力電子技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)等在工程中應(yīng)用的不斷完善，加上高壓變頻器等電力電子元器件單位功率價格的不斷降低，變頻節(jié)能調(diào)速技術(shù)在水電廠排水泵等輔機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造系統(tǒng)中將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。