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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(yīng)國家號召，充分發(fā)揮河北鋼鐵集團(tuán)整合優(yōu)勢和協(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(yùn)以來,，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，煤氣資源實現(xiàn)了“零”放散,，能源消耗持續(xù)降低,。
2 現(xiàn)場改造設(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,，一用一備,。以往水量調(diào)節(jié)依靠閥門開度來控制。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）管道壓力過高，威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能,；
（4）長期的閥門開度,，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)對正常生產(chǎn)至關(guān)重要,，對設(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)過考察對比,，通過招標(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(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(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改變工況點,，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,。控制流量的方法：間歇運(yùn)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(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))的正常工作點為A,，當(dāng)水量(或風(fēng)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(dāng)采用變頻調(diào)速時,，可以按需要升降電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變設(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(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(jìn)行啟動、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),，實時監(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旁路裝置,，當(dāng)變頻器發(fā)生故障，停止運(yùn)行時,，電機(jī)可以手動切換到工頻下運(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)定程序檢測母管壓力情況,，運(yùn)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(jī)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(yùn)行，也可以直接投工頻運(yùn)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(yùn)行,，不會停機(jī)；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(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，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,，不改變原有電機(jī)設(shè)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(yùn)行的給水泵上去,。高壓變頻器可以拖動1#給水泵電動機(jī)實現(xiàn)變頻運(yùn)行，也可以通過切換拖動2#給水泵電動機(jī)實現(xiàn)變頻運(yùn)行,。兩側(cè)給水泵電動機(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(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個高壓隔離開關(guān),，變頻器運(yùn)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(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實現(xiàn)電氣互鎖,，QF5與QF3,、QF4實現(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(jìn)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(dāng)系統(tǒng)負(fù)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(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,，變頻器主要通過電機(jī)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(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,。

給水泵變頻啟動時先操作對應(yīng)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(dāng)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(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(yùn)行,，另外一臺工頻運(yùn)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(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,。
6 現(xiàn)場設(shè)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(yùn)行正常。經(jīng)過廠節(jié)能服務(wù)中心測試,，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)備實現(xiàn)了軟起動,，改善了設(shè)備的運(yùn)行工況，極大地減輕了設(shè)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(yùn)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(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)計一周的耗電數(shù)據(jù)。當(dāng)工頻運(yùn)行時,，原系統(tǒng)為1#給水泵投入運(yùn)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(dāng)變頻運(yùn)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(jī)組水泵的運(yùn)行效率,；現(xiàn)場噪音大大降低,，有效改善現(xiàn)場的運(yùn)行環(huán)境,，操作人員反映良好；便于實現(xiàn)在鍋爐水泵機(jī)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(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。