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1 引言

作為國(guó)有特大型鋼鐵企業(yè)，邯鋼積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，充分發(fā)揮河北鋼鐵集團(tuán)整合優(yōu)勢(shì)和協(xié)同效應(yīng)，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(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)，應(yīng)用低碳技術(shù)，強(qiáng)力推進(jìn)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(shè)投運(yùn)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(xiàn)了物流、能源流及信息流的三流合一。管控中心自投運(yùn)以來(lái)，有效地提高了能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(xiàn)了“零”放散，能源消耗持續(xù)降低。
2 現(xiàn)場(chǎng)改造設(shè)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(tái)，一用一備。以往水量調(diào)節(jié)依靠閥門開度來(lái)控制。在機(jī)組運(yùn)行中，給水泵的出口閥門調(diào)節(jié)復(fù)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(dòng)源的輸出功率并沒有改變，節(jié)流損失相當(dāng)大，浪費(fèi)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(yán)重，造成能耗增加；
（2）給水泵電機(jī)定速運(yùn)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(fèi)；
（3）管道壓力過(guò)高，威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能；
（4）長(zhǎng)期的閥門開度，加速閥門自身磨損，導(dǎo)致閥門控制特性變差；
（5）設(shè)備起動(dòng)沖擊電流大，需增加配電設(shè)備容量而增加投資。

為了解決上述問題，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(tǒng)的閥門調(diào)節(jié)給水量的方法。電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)正常生產(chǎn)至關(guān)重要，對(duì)設(shè)備要求特別苛刻，因此在高壓變頻器的選用上非常謹(jǐn)慎。經(jīng)過(guò)考察對(duì)比，通過(guò)招標(biāo)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(duì)2臺(tái)給水泵進(jìn)行變頻改造，采用一拖二方式。2臺(tái)給水泵電機(jī)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(yùn)行的機(jī)械特性

給水泵的任務(wù)是傳送液體，向鍋爐連續(xù)供給具有足夠壓力，流量和相當(dāng)溫度的水，軸流給水泵是因?yàn)橐后w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(jī)的機(jī)械特性是指電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，通常機(jī)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(fù)載有不同的機(jī)械特性，像水泵、風(fēng)機(jī)這樣的負(fù)載工作在管路靜揚(yáng)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(jī)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(lái)改變工況點(diǎn)，由于水泵和風(fēng)機(jī)的控制理論相似同是流體力學(xué)，適用于風(fēng)機(jī)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?？刂屏髁康姆椒ǎ洪g歇運(yùn)轉(zhuǎn)、并聯(lián)臺(tái)數(shù)控制、串聯(lián)臺(tái)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(yùn)行中的電耗可以大量減少，適用于流量變化大，揚(yáng)程變化范圍較大的場(chǎng)合。
3.2給水泵節(jié)能原理

直觀的水泵(或風(fēng)機(jī))工作曲線圖見圖1：水泵(或風(fēng)機(jī))的正常工作點(diǎn)為A，當(dāng)水量(或風(fēng)量)需要從Q1調(diào)到Q2時(shí)，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)?。?，其工作點(diǎn)調(diào)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(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，可以按需要升降電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變?cè)O(shè)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(diǎn)調(diào)至C點(diǎn)，使其參數(shù)滿足工藝要求，其功率為OQ2CH2所圍成的面積，同時(shí)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(shí)際節(jié)約能耗。

圖1 水泵(或風(fēng)機(jī))工作曲線圖

如果在管網(wǎng)特性不變的系統(tǒng)中進(jìn)行水泵調(diào)速，并且對(duì)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(guò)DCS對(duì)變頻器進(jìn)行啟動(dòng)、停機(jī)、調(diào)速等控制，并可在DCS上顯示變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)旁路裝置，當(dāng)變頻器發(fā)生故障，停止運(yùn)行時(shí)，電機(jī)可以手動(dòng)切換到工頻下運(yùn)行，這樣可以保證鍋爐的供水要求，提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

操作方面，有遠(yuǎn)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(jī)組的負(fù)荷情況，按設(shè)定程序檢測(cè)母管壓力情況，運(yùn)算后給變頻器一個(gè)合適的頻率值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐給水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)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(diǎn)：給水泵變頻系統(tǒng)，既可以變頻調(diào)速運(yùn)行，也可以直接投工頻運(yùn)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有相位及同步要求，變頻器可以使用UPS繼續(xù)運(yùn)行，不會(huì)停機(jī)；在現(xiàn)場(chǎng)DCS速度給定信號(hào)掉線時(shí)，變頻器提供報(bào)警的同時(shí)，可按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)行，維持機(jī)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(xù)運(yùn)行，減少突然停機(jī)造成的損失；保留原電機(jī)繼續(xù)使用，不改變?cè)须姍C(jī)設(shè)備任何基礎(chǔ)。
5高壓變頻水泵改造方案
5.1 動(dòng)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(dòng)旁路方案。其一次電路如圖2所示，即配備一臺(tái)高壓變頻器，通過(guò)切換高壓隔離開關(guān)把高壓變頻器切換到要運(yùn)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(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行，也可以通過(guò)切換拖動(dòng)2#給水泵電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行。兩側(cè)給水泵電動(dòng)機(jī)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(chǎng)1#和2#給水泵工頻電源高壓斷路器；
QF2為現(xiàn)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(jī)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(gè)高壓隔離開關(guān)，變頻器運(yùn)行時(shí)，要求K1和K2同時(shí)閉合。QF4閉合，QF5斷開，QF1斷開，1#給水泵變頻運(yùn)行；QF4斷開，QF1閉合1#給水泵工頻運(yùn)行；QF5閉合，QF4斷開，QF3斷開，2#給水泵變頻運(yùn)行；QF5斷開，QF3閉合，2#給水泵工頻運(yùn)行；其中，QF4與QF1、QF5實(shí)現(xiàn)電氣互鎖，QF5與QF3、QF4實(shí)現(xiàn)電氣互鎖；將控制柜“遠(yuǎn)控/本控”開關(guān)打至“遠(yuǎn)控”位置，將斷路器QF2“就地/遠(yuǎn)方”開關(guān)打至“遠(yuǎn)方”位置，可實(shí)現(xiàn)給水泵的遠(yuǎn)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(hào)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(hào)進(jìn)行比較，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，此信號(hào)再由DCS送至變頻器作為變頻器的給定頻率，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)，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(hào)后也自動(dòng)變化。水泵的出口轉(zhuǎn)速也相應(yīng)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(jī)即泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)給水量，以保證鍋爐汽包水位。這種系統(tǒng)反應(yīng)快,穩(wěn)定性好,抗干擾能力強(qiáng)。另外，靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量的應(yīng)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(dòng)時(shí)先操作對(duì)應(yīng)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(xiàn)象，給水泵以最小流量控制方式啟動(dòng)，打開給水泵再循環(huán)閥門，滿足給水泵的最小流量，在啟動(dòng)過(guò)程中當(dāng)出口流量大于最小流量時(shí)將延時(shí)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(jìn)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(yùn)行中主要通過(guò)轉(zhuǎn)速來(lái)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(tái)變頻運(yùn)行，另外一臺(tái)工頻運(yùn)行，兩臺(tái)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(jī)械密封水正常；
（7）油面正常；
（8）電氣聯(lián)鎖，進(jìn)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(hào)。
6 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備改造測(cè)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(yùn)行正常。經(jīng)過(guò)廠節(jié)能服務(wù)中心測(cè)試，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)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(shè)備實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)，改善了設(shè)備的運(yùn)行工況，極大地減輕了設(shè)備起動(dòng)時(shí)對(duì)供配電系統(tǒng)的沖擊。改造前后1#給水泵工變頻運(yùn)行正常統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。
表3  改造后的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)

1#泵變頻運(yùn)行 1#泵工頻運(yùn)行
運(yùn)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(duì)比改造前后的節(jié)能效果，在生產(chǎn)負(fù)荷基本相同的條件下，統(tǒng)計(jì)一周的耗電數(shù)據(jù)。當(dāng)工頻運(yùn)行時(shí)，原系統(tǒng)為1#給水泵投入運(yùn)行，經(jīng)統(tǒng)計(jì)該泵工頻一周的耗電量統(tǒng)計(jì)為211526 kWh，平均每小時(shí)耗電約為1510.9kWh。當(dāng)變頻運(yùn)行時(shí)，該水泵變頻一周的耗電量統(tǒng)計(jì)為169400 kWh，平均每小時(shí)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(dòng)、軟停止；提高了機(jī)組水泵的運(yùn)行效率；現(xiàn)場(chǎng)噪音大大降低，有效改善現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境，操作人員反映良好；便于實(shí)現(xiàn)在鍋爐水泵機(jī)組控制系統(tǒng)自動(dòng)化管理。
7結(jié)束語(yǔ)

在河北邯鄲鋼鐵集團(tuán)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(hù)量小，而且可以根據(jù)鍋爐汽包水位情況進(jìn)行電機(jī)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。