高壓變頻調速節(jié)能控制技術在水電廠水泵系統(tǒng)中的應用

在對水泵電機變頻調速節(jié)能控制原理進行簡單闡述后，結合水電廠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、經濟效益等進行了詳細分析研究。

從大量研究資料和實踐工作經驗可知，將輔機水泵系統(tǒng)常規(guī)的定速節(jié)流靜態(tài)調節(jié)方式升級改造為變頻節(jié)能動態(tài)調速控制方式，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 變頻調速節(jié)能控制原理

輸出轉矩是水泵拖動系統(tǒng)調節(jié)功能的主要表現(xiàn)，而電機輸入電源頻率(f)、轉差率(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系，即：

從式(1)可以看出，要想確保水泵電機拖動系統(tǒng)處于節(jié)能經濟運行工況，就需要動態(tài)調節(jié)電機拖動系統(tǒng)的輸出轉矩，即調節(jié)水泵電機的轉速。通過改變電機轉差率(s)和磁極對數(shù)(p)兩種方式來改變水泵電機的輸出轉速(轉矩)，將會涉及到對整個水泵電機內部機械結構優(yōu)化改進，這在實踐工程應用中不具備很強的普及應用特性。因此，改變水泵電機輸入電源頻率(f)，其不僅在理論研究中較為成熟，而且是實踐工程應用中也已取得較為良好的節(jié)能應用效果[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機組，選用2臺6 kV 1600 kW水泵電機作為一期機組排水系統(tǒng)的核心設備。該排水系統(tǒng)由于其設計過程中估算排水量偏大，導致其功率選型值偏大，其實際所需排水量只有設計值的56%左右，存在嚴重“大馬拉小車”問題，加上水泵電機采用靜態(tài)閥門調速，能耗非常大，水泵電機拖動系統(tǒng)設備性能老化較為嚴重。水電廠發(fā)電機組其一期機組排水系統(tǒng)，給水泵額定流量為247 m3/h，額定轉速為2960 r/min;配套電機型號為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，額定轉速為2980 r/min，功率因素為0.9，防護等級為F級 IP55。從水電廠大量歷史調節(jié)運行數(shù)據(jù)分析結果表明，當水力發(fā)電機組在低負荷運行區(qū)域時，其水泵電機拖動系統(tǒng)在動、靜調節(jié)過程中其節(jié)流損失較大，相比于額定運行工況下其節(jié)流損失大約增加48%～52%左右，整個水泵電機系統(tǒng)運行效率普遍較低，能耗相當嚴重，在很大程度上影響到水力發(fā)電機組的整體廠用電率。根據(jù)水泵電機系統(tǒng)的歷史運行數(shù)據(jù)分析結果，按照變頻調速理論分析可知，如采用變頻節(jié)能節(jié)流調速控制方案對水泵電機拖動系統(tǒng)進行升級改造，大致可以達到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)能水電廠相關技術規(guī)范要求，減少水力發(fā)電機組輔機系統(tǒng)中的無謂電能資源浪費，降低水電廠廠用電率，提高單位電能生產的經濟效益。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)進行節(jié)能技術升級改造，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電機一次系統(tǒng)(圖1中虛線部分為6.6 kV高壓電機的旁路柜)，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)能經濟效益分析

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)能調速控制系統(tǒng)進行技術升級改造后的經濟效益，按照圖1所示的改造方案將兩臺6.3 kV高壓水泵電機進行升級改造，將一期排水水泵變頻調速運行工況下的電機全年用電量與未進行改造前的工頻靜態(tài)調控下的電機拖動系統(tǒng)用電量進行對比分析。未采用6.3 kV高壓變頻器進行技術升級改造前，水電廠水泵系統(tǒng)長期處于全速運行工況，對應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)能調速控制進行技術升級改造后，水電廠一期排水泵電機拖動系統(tǒng)始終工作在變頻節(jié)能動態(tài)調速經濟運行工況中，其全年用電量大約為：P2=14100000(kWh)。與6.3 kV高壓水泵電機擋板和閥門靜態(tài)調節(jié)相比，采用6.3 kV變頻調速進行節(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)。按水電廠平均上網電價為0.3元/kWh進行估算，則采用6.3 kV高壓變頻調速節(jié)能控制系統(tǒng)對水電廠一期水泵排水系統(tǒng)電機進行變頻節(jié)能升級改造后，其每年大致可以節(jié)約電費為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。水電廠水泵電機拖動系統(tǒng)進行6.3 kV高壓變頻調速節(jié)能升級改造后，不僅改善了水泵電機拖動系統(tǒng)的綜合運行性能，降低了水泵電機的起動電流，確保水泵輔機系統(tǒng)具有較高運行安全可靠性，同時其節(jié)能節(jié)電效果相當明顯，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，降低了廠用電率。

5 結語

隨著電力電子技術、變頻調速技術等在工程中應用的不斷完善，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)能調速技術在水電廠排水泵等輔機系統(tǒng)節(jié)能改造系統(tǒng)中將具有更為廣闊的應用前景。