（电气工程专业论文）2240kw热网循环泵调速系统设计与应用研究.pdf

华北电力人学_ i ：程硕士学位论文摘要 摘要 本论文以秦皇岛发电有限责任公司三期2 2 4 0 k w 热网循环水泵电机调速项 目为背景，通过分析水泵的调速节能原理，对比当前较为流行的调速技术 高压变频调速和现代串级调速，制定秦皇岛发电有限责任公司2 2 4 0 k w 热网循 环泵调速系统的设计方案。通过可靠性、先进性以及经济性方面的比较，秦皇 岛发电有限责任公司2 2 4 0 k w 热网循环水泵电机采用现代串级调速技术较为适 宜。 文中对高频斩波内反馈串级系统的设计工作做了较为详细的介绍。热网循 环泵调速系统投运后，对系统进行了跟踪监测并对系统进行性能测试与节电率 分析，结果显示，高频斩波串级调速系统运行可靠，节能效果明显，已达到项 目实施目的。 关键词：热网循环泵串级调速内反馈电机节能 a bs t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h et h e m ei sc o m ef r o mt h ep r o j e c to fs p e e dr e g u l a t i n g s y s t e mo f2 2 4 0 k wc i r c u l a rp u m pi n h e a ts u p p l yn e t w o r ko fq i n h u a n g d a o t h e r m a lp o w e r p l a n t c o m p a r i n gw i t ht h ef r e q u e n c yc o n t r o ls p e e do fm o t o ra n d t h em o d e r nc a s c a d es p e e dr e g u l a t o ro fm o t o r ，m a k ead e s i g no ft h e2 2 4 0 k w c i r c u l a rp u m po fh e a ts u p p l yn e t w o r k ，a n de l e c tt h ec a s c a d es p e e dr e g u l a t o ro f i n n e r m o t o rt oc o n t r o lt h e2 2 4 0 k wc i r c u l a rp u m po fh e a ts u p p l yn e t w o r k t h ew a yo fh o wt od e s i g nt h ei n n e r f e e dc a s c a d em o t o ri si n t r o d u c e d ，a n d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec a s c a d es p e e dr e g u l a t o rs y s t e mo f2 2 4 0 k wc i r c u l a r p u m pi st e s t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es p e e dr e g u l a t o rs y s t e m h a sg o o d e n e r g y - s a v i n g ，a n dt h ee a c hp e r f o r m a n c eo fi n n e r f e e d b a c km o t o ra l l a c c o r d w i t ht h ea n t i c i p a t i o n z h a oz h e n y u ( e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l vf a n g c h e n g k e yw o r d s ：c i r c u l a rp u m po fh e a ts u p p l yn e tw o r k ；c a s c a d es p e e dr e g u l a t o r ； i n n e r f e e d b a c km o t o r ；e n e r g y - s a v i n g 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文2 2 4 0 k w 热网循环泵调速系统设计与 f 影川研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和l 嫦 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 j t 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：肄 日期：塑 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的。复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 荔算旦 荔一触一 警一 名 期 签 师 导 日 乞手生埤 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 1 1 1 研究背景 第一章引言 能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题，上世纪7 0 年代以 来两次世界性的能源危机以及当前环境问题的严重性，引起世界各国对节能技术的 广泛关注1 1 1 。1 9 9 8 年，美国提出了“电机挑战计划 ，通过提高电动机( 以下统称 为电机) 自身效率每年可节电2 4 5 亿千瓦时，占美国电动机耗电量的4 3 ，采用调 速等方法来提高整个电机系统效率节电潜力每年可达6 6 0 亿千瓦时，占电动机总能 耗的1 0 5 。日本科学厅曾发表其资源调查所主任调查关于调速技术的调查报告， 称通过调速技术的广泛应用，日本将在目前单位国民生产总值能耗已居世界最低的 基础上再节能1 0 【2 】。 根据我国电监会统计显示，2 0 0 7 年我国电网总装机7 亿千瓦，工业用电占全国 总发电量的7 0 ，电动机负载耗电占总发电量的5 0 ，泵与风机类负载耗电量占总 发电量的4 0 。我国国家发展和改革委员会启动了“十一五 国家十大重点节能工 程，电机系统节能工程是其中之一。2 0 0 7 2 0 0 8 年将全面启动电机系统节能工程的 各项工作，规划在重点用电行业节电改造示范的基础上，推广到各行业，每年改造 5 0 0 万瓦，形成每年节电能力5 0 亿千瓦时的目标要求。 我国目前火力发电占发电量的七成左右，火电生产中自身耗电约占5 - 1 0 ， 国际先进水平约为4 一5 ，我国仅此一年就多耗上千万吨煤。而火电厂自用电的 8 0 以上消耗在风机和水泵的拖动三相异步电机上，因此提高火电厂大型风机水泵 类负载的电机节能水平具有重大的经济效益和社会效益。 调速运行是改善风机和泵类负载的节能最有效的方式 3 - 9 1 ，据统计，将大功率 风机、水泵类负载从恒转速传动改变为变速传动平均节能3 0 以上，并且能优化工 艺过程，既可以提高产品产量和质量，又减少了设备维修，效益巨大。 交流异步电动机调速的研究始于2 0 世纪5 0 年代，已经取得了许多可喜的成果。 近年来，电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，为交流调速技 术的发展创造了有利条件，使交流电动机调速和控制提高了一个新的水平。因而， 国内外都十分重视开发研究交流电动机的调速技术。 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 2 研究意义 在我国的电源结构中，火电装机容量占7 4 ，发电量占8 0 ；水电装机容量占 2 5 ，发电量占1 9 ；核电装机容量和发电量仅占1 左右。因此火电机组及其辅机 设备的节能改造工作，就显得十分重要。火电厂的各类辅机设备中，风机、水泵类 设备占了绝大部分，这些设备长期连续运行，由于设计裕度的要求和经常处于低负 荷及变负荷运行状态，采用传统的节流或类节流工艺调节流体流量造成大量的电能 消耗，因此，泵风机类负载蕴藏着巨大的节能潜力。随着电网装机容量的迅速扩大， 机组的调峰力度也在不断加大，机组的负荷变化范围很大，风机、水泵的流量调节 更为重要。目前流量的调节方式多为节流( 挡板、阀门) 调节，由于这种调节方式 是在改变了流体通道的通流阻力，电动机消耗的功率并不会与流量成正比变化，结 果白白浪费掉大量的电能。随着电力行业改革的不断深化，厂网分家、竞价上网政 策的逐步实施，降低厂用电率、降低发电成本、提高上网电价的竞争力，已经成为 各个火电厂努力追求的目标，特别是在国家节能减排战略提出之后，采用调速技术 代替节流技术更具有重要的社会意义。 在调速节能产品中，特别是在低电压小容量电动机系统中，变频调速装置得到 了较为广泛的应用和认同1 d 1 ；而在高压大容量调速系统中，变频调速装置的成本 较高，体积较大，自身功耗大，在大容量电动机应用上存在诸多问题。近年来随着 电力电子技术和计算机控制技术的发展，我国多家公司研发的内( 外) 反馈串级调 速技术在高压大功率电机的节能方面取得了令人满意的效果。内( 外) 反馈串级调 速系统作为一种新型的节能型调速产品，以其控制电压低、控制功率小、系统简洁、 运行可靠、节电率高等优点在高压大中型电机节能调速方面显示出独特的优势，并 且展现出光明的应用前景。因此研究并推广内反馈高压大功率串级调速装置，对于 电厂风机、水泵的电机调速改造具有重要的现实意思。 1 2 交流传动技术的发展与现状 电气传动技术发展的过程中，出现了交流和直流两种传动方式。早在十九世纪 三十年代就出现了以蓄电池为能源的直流传动技术，后来进而又发展成为直流发电 机供电形式。直到十九世纪八十年代，直流传动一直是唯一的电气传动方式。十九 世纪末期出现了交流电，特别是出现了三相交流电源，并解决了输变电问题，制造 出结构简单、牢固、造价低廉的异步电机，这时才出现了交流传动，并在工业方面 得到了广泛的应用，从而开辟了电气传动的新时代。此后，交、直流传动便互为补 充，相辅相成，有力的促进了技术与经济的发展。特别是交流传动逐步占有了主导 的地位。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 由于交流异步电机不具有自身转速的变化能力，但从生产工艺要求和节能的角 度又要求其转速或负载的转速可以调整，因而，便产生诸多的电机或其拖动下的负 载的转速调节方法。 1 2 1 变频调速技术发展与现状 2 0 世纪是电力电子技术由诞生到发展的一个全盛时期。最初的交流变频调速理 论诞生于2 0 世纪2 0 年代，直到6 0 年代，由于电力电子器件的发展，才促进了变频调 速技术向实用性方向发展1 1 6 1 。1 9 6 7 年，芬兰瓦萨控制系统有限公司( v a c i n o y 简称 芬兰威肯) 开发出世界第一台变频器，自此开始，变频技术得到了广泛应用和不断 发展1 1 7 1 。2 0 世纪7 0 年代，变频调速技术有了很大发展并得到推广应用，在理论技术 方面也得到了新的发展，通信技术中的脉宽调制p w m 技术被应用到交流传动中 埔11 1 9 1 。到8 0 年代，变频调速装置已产品化，性能不断提高，发挥了交流调速的优越 性，广泛应用于工业各部门，并且部分取代了直流调速。进入9 0 年代，由于新型电 力电子器件如i g b t 、i g c t 等的发展及性能的提高，计算机技术的发展，如由1 6 位 发展到3 2 位以及d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的诞生和控制理论的发展( 如磁场 定向矢量技术、直接转矩控制) 等原因，极大地提高了变频调速装置的技术性能， 促进了变频调速技术的发展，使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响 应、输出性能、功率因数、运行效率等方面取得了令人满意的效果。 1 2 2 串级调速技术发展与现状 1 9 世纪末至t j 2 0 世纪初是异步整流子电机的蓬勃发展的时期，为了调节绕线转子 电动机的速度或提高功率因数，各种串级调速系统相继产生，其中主要的型式有绕 线式电动机与三相串联整流子电动机的串级、绕线转子电动机与单枢换流机、直流 他励电动机的串级和绕线式电动机与突极有偿绕组的整流子电机的串级1 2 0 l 。 2 0 世纪四、五十年代，由于水银整流器制造技术的进步，绕线式转子电动机与 水银整流器、直流他励电动机串级调速的系统也获得了工业应用。 2 0 世纪6 0 年代，随着高电压、大电流的硅整流管和硅晶闸管的出现，串级调速 系统获得了空前的发展。主要有以下几种类型： 绕线式转子电动机一硅整流一直流他励电机恒功率串级调速系统，又称克雷码 机械串级，国内文献称为机械式串级调速系统。见图1 1 a 绕线式转子电动机一硅整流一直流电动机一异步发电机恒转矩串级调速系统， 又称克雷码电气串级，国内文献称为电机式串级调速系统，见图1 1 b 绕线式转子电动机一硅整流一晶闸管逆变器恒转矩串级调速系统，简称为晶闸 管串级调速系统，见图1 1 c 。 3 华北电力大学工程硕士学位论文 复合式串级调速系统，见图1 1 d 。这种系统是机械式串级和晶闸管串级两者复 合的一种调速系统。 图卜1 串级调速电机结构示意图 我国在二十世纪5 0 年代，出现了采用闸流管式三相逆变器供电的交流传动系 统，但是由于设备复杂、庞大以及控制性能欠佳等原因，直到五十年代末可控硅问 世以前，交流传动系统一直没有得到推广应用。二十世纪6 0 年代，随着半导体电子 技术的迅速发展，半导体技术的应用领域日益扩大，交流异步电动机调速取得了可 喜的成果，我国在二十世纪7 0 年代，出现了传统的晶闸管串级调速系统，并在建材、 化工、煤炭、冶金、给排水等工业领域广泛的应用。但是传统晶闸管串级调速技术 存在调速范围窄、调速精度低、自电网吸收较多无功等缺点，以及当时技术条件和 国家经济体制的限制，得不到足够重视和发展。直n - 十世纪末和本世纪初，随着 电力电子技术与计算机控制技术的发展，串级调速技术才取得了突破性进展。 1 2 3 内反馈串级调速技术发展与现状 2 0 世纪6 0 年代中期，w s h e p h e r d 和j s t a n w a y 两人就曾提出过将绕线式转子 电动机的转差功率进行整流，然后经过3 相电网换相晶闸管逆变器将整流后的转差 功率逆变为电网频率的交流功率，并将其反馈到电动机的定子辅助绕组中的晶闸管 串级方案，见图1 2 。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 w s h e p h e r d 和j s t a n w a y 把这种串级称为“定子反馈”方案。而把通过逆变变 压器将转差功率反馈到电网的串级( 常规的晶闸管串级) 称为“电网反馈 方案。 在“定子反馈方案中，辅助绕组与定子绕组电气上绝缘，通过磁耦合，即电磁感 应，将转差功率经过定子绕组反馈到电网。这就是我们所说的“内反馈 串级调速。 其后在1 9 6 6 年、1 9 6 9 年还有论文介绍这种“定子反馈”串级调速技术。 图卜2 传统的定子反馈串级调速 上世纪9 0 年代中期，斩波式高压大容量内反馈串级调速技术开始出现，并进 入市场。但由于高压电机调速市场形成较晚( 至本世纪) ，以及基于晶闸管作电子 开关的斩波器存在的固有问题，产品质量和性能难于满足工业应用要求，因而串级 调速研究和应用不被重视。进入二十一世纪，随着高压电机调速市场的形成和国家 节能减排战略的提出，随着i g b t 等全控电力电子器件技术和数字控制技术的发展， 串级调速方法又被重新关注并且得到很快的发展，技术性能指标和可靠性获得飞跃 发展，尤其是在高压大容量电机的应用方面，展现出良好的应用前景。 1 3 各种电机或负载的调速方式 1 3 1 低效负载调速方式 在电力电子技术不够发展的情况下，为了实现工艺要求的负载转速调整，人们 不得不考虑在电机转速不变的情况下，通过机械或电磁耦合方式，实现泵或风机类 负载的转速的调节。 1 ) 液力耦合器调速 液力耦合器是一种利用液体( 多数为油) 的动能来传递能量的叶片式传动机械。 安装在定速电机与风机、水泵传动轴之间，达到平滑调节转速的目的1 2 】。 优点：调速范围大、调速平滑、无谐波污染、装置结构及控制线路简单，运行 5 华北电力大学工程硕士学位论文 可靠、维护方便。 缺点：存在滑差损失，效率低；因液力耦合器装在电机和负载之间，轴长度大， 安装不便；若液力耦合器发生故障必须停机处理1 1 6 1 。 2 ) 电磁转差离合器调速 电磁转差离合器的功用和液力耦合器及液力调速离合器相同，都是安装在定速 电机与风机水泵的传动轴之间的一种变速传动装置，通过调节电磁滑差离合器的励 磁电流以改变电磁滑差离合器的转差来实现调速的1 2 1 1 。 优点：调速范围大、调速平滑、无谐波污染、装置及控制线路简单、运行可靠、 维护方便。 缺点：当调速到额定转速的2 3 时，电磁滑差离合器耗能最大，为1 4 8 ，存在 滑差损失，效率低；若电磁滑差离合器发生故障，必须停机处理；因电磁滑差离合 器装在电机与负载之间，轴长度大，安装不便。 1 3 2 低效电机调速方式 1 ) 鼠笼式异步电机定子调压调速 用改变鼠笼式异步电动机定子电压实现调速的方法称为定子调压调速。 优点：线路简单、可靠、调压装置体积小、价格低、使用维修比较简便。 缺点：转差功率损耗大，效率低，调速特性软。此外，晶闸管调压装置产生的 高次谐波会影响电网及电动机，如使电动机的损耗增加、震动和噪声增大。 2 ) 绕线式电动机转子串电阻调速 绕线式异步电机转子绕组串接电阻，通过改变电阻值达到调速的目的。 优点：调速方法简单，不需要复杂的控制设备，初投资较低，容易实施，可靠 性高，功率因数高，不产生高次谐波，启动设备和调速设备合为一体。 缺点：效率低，损耗了转差功率；电阻装置大；机械特性软；属于低效调速方 式。 1 3 3 高效调速几种方式 1 ) 变极调速 通过改变电机定子绕组的接线方式，或在定子槽内嵌放几套不同极对数的独立 绕组，使电机运行在不同的极对数下，便能得到不同的转速。变极调速原理如图1 3 所示。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 优点：具有较硬的机械特性、 制方便、成本低廉。 缺点：有级调速；级差较大， 要在定子边用高压开关进行切换， 要进行特殊设计，定子接线复杂， 机的2 2 2 4 倍。 2 ) 变频调速 图1 - 3 变极调速原理图 稳定性好、无转差损耗、效率高、接线简单、控 不能获得与负载合理匹配的平滑调速；操作时， 若操作失误，将造成严重事故；变极调速电机需 电机的基本尺寸要放大，其价格为一般同容量电 变频调速就是在供电电源和电机定子间加入变频装置，将5 0 h z i 频电源变成频 率和电压可调的电源后给定子供电，通过改变同步转速的方法实现转子转速的调 整。 电 源 图卜4 变频调速结构图 优点：高效调速；使用范围广、调速范围大，一般可以从0 1 0 0 ；有好的调速 平滑性与硬机械特性；调节精度高，可达1 ；可实现软启动。 缺点：变频调速器的变流器容量要大于所要调速的电动机的容量；在高中压大 容量变频系统中需要增加一台多绕组变压器，增加了设备成本，加大了变频系统的 损耗；设备一次性投资大，国外产品大约是内反馈串级调速系统价格的3 倍以上， 国内产品是内反馈串级调速系统价格的1 2 倍；变频器是对电动机定子侧边进行调 节，电压高，操作要求高，维护复杂；变频器本身运行对环境要求高，一般需要安 装在无尘且有空调的封闭式房间内；若变频器发生故障，必须停机处理。 3 ) 变转差率调速 转子串附加电势调速，即串级调速，属变转差率调速。在转子回路中串入可吸收 电功率的附加电动势，通过改变附加电动势的大小和相位，来达到改变转子电流， 7 华北电力大学工程硕士学位论文 电磁转矩和转速的目的，转速在低于同步转速以下调整，同时将转子回路的转差功率 回收，达到高效节能目的。 优点t 高效调速；使用范围广、调速范围大，一般可以从0 1 0 0 ；有好的调速 平滑性与硬机械特性；调节精度高，可达1 ；控制电压和功率低；成本较变频调速 低，维护简单。 缺点t 机械特性相对变频调速较软，功率因数在低速时降低。 1 4 研究内容 本文课题的选择来源于实际工程项目开发的需要，考虑到秦皇岛发电有限责任 公司三期热网循环水泵拖动高压电机的调速要求以及其功率较大( 2 2 4 0 k w ) ，设计 采用了斩波内反馈串级调速系统，针对该系统的设计和分析，主要研究内容为： 1 ) 调速方案的选择 通过分析秦皇岛发电有限责任公司热网循环泵的设计要求，从必要性、可靠性、 经济性等方面选择较为可行的调速系统方案； 2 ) 调速系统的设计 确定热网循环泵的调速方案后，对内反馈串级调速系统进行设计与选型； 3 ) 系统性能分析 在系统投运后，对热网循环泵电机的串级调速系统进行性能测试与节能分析。 8 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 概述 第二章泵( 风机) 类负载调速节能原理 泵类设备如水泵、风机等，在国民经济各部门，如电力、煤炭、石油、化工、 水泥、纺织、建材、矿山、冶金、以及自来水厂等部门应用很广。因此，正确选择 泵类设备的电力拖动方式，合理确定流量调节的方法，对满足生产工艺要求，节约 电能、降低成本都具有重大的经济意义。 泵类设备的流体流量调节方法有两类：一是调节管网中的闸门，以改变管路特 性；二是改变泵类设备的转速，以改变泵类设备的运行特性。虽然采用这两种方法 均可达到调节流量的目的，但是经济效果( 能量消耗) 方面差异很大。前者是通过 改变闸门开启度来调节流量的，能量损失较大，很不经济。以供水水泵为例，如果 用户需要的流量很小，则需要将闸门的开启度变为很小，这样便使管路损失加大， 不必要的耗能严重；另外，由于泵机出口压力的提高，使其管道和阀门等零部件容 易损坏，从而加大了维修工作量和维护费用。而采用电机调速工艺，则是通过改变 泵类设备的转速来调节流量的，既可以满足用户流量的要求，又不产生节流损失， 获得最高的运行效率。此外，水泵在变速运行中，还可以减少漏水损失，从而使水 泵和阀门等设备的维修工作量减少，使用寿命延长，这样使水泵具有良好的控制性 能和运行安全可靠。 2 2 泵类负载特性 2 2 1 水泵管网系统的运行特性 下图2 - 1 为一个典型的水泵类设备及其管网系统的压头流量关系平面图。其中 q h 、q h 、q ”h 曲线为水泵在不同转速下的压头流量关系曲线，与此对应的是 额定转速、较低转速、更低转速；q g 、q g 、q ”g ”曲线为在泵的出口阀门不同 开度下的管网阻力特性曲线，分别对应阀门全开、开度减小和进一步减小；q t 1 、 q t 1 、q ”t 1 ”曲线为泵在不同转速下的效率特性曲线，分别对应的是额定转速、较低 转速、更低转速。它们分别表示流量与扬程、流量与效率、流量与管道摩阻特性之 间的关系。使用该图，可以清楚的讨论使用阀门调节流量( 转速不调整) 和采用转 速调节流量( 阀门不调节，在全开位置) 时是各系统参数不同的变化情形。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 其中：q 为流量；h 为扬程；p 为轴功率：t l 为效率；g 为管道摩阻 h6 0 ( - ) 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 二二二= 一 q r 1 、 、q - p 、i x i ： i ： ： t 5 誓 1 0 0 0 i 5 0 髯 2 2 2 系统阀门调节特性 2 0 0 0 ； 7 5 x 图2 - 1 水泵特性曲线 3 0 0 0 1 0 0 4 0 0 0 q ( l s ) q ( ) p ( x v ) t 5 1 5 0 0 2 5 5 0 0 00 在使用阀门调节流量的工艺情况下，水泵在电机额定转速拖动下运行。当用水 量为额定流量，水泵在电机拖动下在额定转速运行，阀门在全开位置，系统工作在 q h 曲线和q g 曲线的交点a ，分别对应流量为1 0 0 和压头为a 点向纵轴平行线 与纵轴的交点值；对应的水泵效率为自a 点向横轴垂直线与q 1 1 曲线的交点。当用 水量要求减小到7 5 时，需要将阀门由全开位置关小到一定开度，这时，q - h 曲线没 有变化( 因转速没变) ，管网阻力特性曲线因阻力加大而由q g 曲线上扬至q g 曲线，系统工作点由a 点沿着q h 曲线变到a 点，系统效率点同样变成自a 点向 横轴的垂线与q 1 1 曲线的交点。可以看到，阀门的关小使得流量减小、压头上升和 泵的效率降低。泵的出口压头上升带来大量压头能量损失( 或称节流损失) ，同时 带来泵的效率损失。当进一步关小阀门时，如流量减小至5 0 时，系统工作点移到 a ”，压头损失和效率损失进一步加大。 2 2 3 系统的转速调节特性 如果将阀门调节改为电机拖动下的转速调节，水泵转速随电机转速的变化而变 化。当负荷要求流量减小到7 5 时，保持阀门在全开位置不变，也就是q g 不变， 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 调整电机转速如到7 5 额定转速，则泵的压头流量曲线由q h 变为q h 曲线，系 统工作点由a 点沿着q g 曲线变到与q 。h 曲线的交点b ，泵的效率点变为7 5 流 量对应到q t q 曲线上的点。可见，在转速调节的情况下，泵的压头降低到自b 点向 纵轴的映射点，同时，泵的效率有所提高。与阀门调节比较，在同样流量要求下， 出口压头大大降低了，这就完全避免了巨大的压头能量损失，减少了泵的效率损失， 从而使得电机消耗功率大大下降。 当电机不进行调整而采用关小出水阀门开度的方法来调流，此时，由于水泵出 水量减少，电机轴输出功率也会有所下降，但不会与流量正比例减小。从图2 - 1 可 以看出，当流量下降到7 5 和5 0 时，电机输出功率约为额定值的8 7 和7 0 。 由于系统设计裕度上的原因，即便在额定流量要求下，阀门调节时的阀门开度 也很小，对于运行工况变化幅度较大且变化较为频繁的系统来说，经常需要更小的 调节阀门开度，这个节流损失便是经常性的和巨大的。 2 3 水泵调速节能原理 以上叙述了不同工艺方式带来的系统工作点和参数的变化关系。而从能量消耗 的角度，可有以下的讨论。采用调速来满足流量变化需求时( 根据泵与风机相似定 律) ，扬程( 压头) 、流量、功率与电机转速之间基本上有如下关系： q f q q ”= n n n ” ( 2 1 ) h h h ”= n 2 n 2 1 1 2 ( 2 - 2 ) p p p ”= n 3 1 1 3 n ”3 ( 2 - 3 ) 从公式( 2 - 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 - 3 ) 可以看出，对泵和风机这类平方转矩负载来说， 其输出的流量与转速成正比关系、转矩与转速成平方关系，而需要的驱动功率则与 转速成立方关系。当需要流量减小，调低转速时，消耗功率与转速成立方关系迅速 减小。下图表示不同工艺调节方式下功率消耗情况的示意图( 图2 2 ) ，下表2 - 1 为 对一典型系统在不同工艺方式( 阀门调节和转速调节) 、不同流量要求下消耗电机 功率的差别，也是通过转速调节较阀门调节可以节省的电功率，可见节电潜力十分 巨大。 华北电力大学工程硕士学位论文 。 辇1 0 0 消 耗 露8 0 ，o 6 0 4 0 2 0 0 i 群f + i i 1 一二= ； - 一 i j i 一一 i + 一 i 1 1 螯 2 04 06 08 01 0 0 流量( ) 图2 - 2 不同工艺调节方式下功率消耗示意图 表2 1 调速调节与阀门调节功率消耗的比较 转速调节时( 阀门开度为1 0 0 )转速调节比 流量q阀门调节时功率p 转速n功率p 阀门调节节约功 ( 额定值的百分比)( 额定值的百分比)率 ( 额定值的百分比)( 额定值的百分比) ( 额定值的百分比) 7 5 8 7 7 5 4 2 2 4 4 8 5 0 7 0 5 0 1 2 5 5 7 5 由此可见，在运行工况需要5 0 设计值时，使用变转速调节与使用阀门调节相 比节能效果明显，约节能5 7 5 的额定功率。即便考虑到由于转速下降导致至电机 效率下降等因素，采用变转速调节系统后，流量和转速为额定值的5 0 时，比由阀 门调节节约电能也在5 5 左右。由于实际设计裕度大，目前实际供水量小于额定流 量的5 0 ，其调速节能潜力更大。 2 4 串级调速技术简介 2 4 1 传统串级调速技术 串级调速的基本出发点是在电机转子回路串入可调反电势，通过反电势的调 整，调节转子电流，进而电磁转矩和机械转速。传统串级调速是将绕线式三相异步 电动机转子感应电势进行整流成为直流电势，然后该直流电势与一有源逆变电路的 直流侧相连，该直流侧电势即为串入转子回路的反电势；同时，有源逆变器又为转 差功率回馈电网提供通道，整流成为直流电功率的转子转差功率被有源逆变成5 0 h z 的交流电功率，再经逆变变压器或定子反馈绕组回馈电网，达到高效节能调速的目 的。该反电势通过可控硅有源逆变器逆变角度的改变而得到调整。如图2 3 所示 1 2 。 华北电力大学工程硕士学位论文 定子 3 1 m 6 k v 10 k v 图2 3 传统串级调速原理图 串级调速的优势在于避免了变频调速在电机定子侧的全电压( 供电电压) 和电 机全功率的变流困难，转而从转子侧低电压回路和仅对小得多的转差功率进行变流 控制。特别在高压大功率电机的调速应用上优势更为突出。 调速情况下的转子电压为：e 。= e - s 其中e 。为转子电压，e 为转子额定电压( 一般在1 5 k v 以下) ，s 为转差率( 0 1 ) 。 对水泵和风机类负载，调速下转子转差功率的计算公式为；( 1 一s ) 2 ，随转速 ( 转差率) 变化的转差功率和机械功率曲线如图。2 4 所示。 p o 1 4 8 o lo 3 3oi i 图2 - 4 平方负载转差功率和机械功率随转速变化曲线 由此可见，串级调速的变流电压一般在l k v 以下，变流功率最大仅为电机功率 的1 4 8 1 5 ，产生在o 3 3 转差率点。 为进一步说明两种调速变流电压和功率的差别，将高压变频与串级调速下电机 系统的功率流及在系统的中的安装位置示于图2 5 、图2 6 所示。 华北电力大学- t 程硕士学位论文 ：二墨之：艺二 电网供电功率( 定子) ； 转子锕铁损 图2 - 5 高压变频调速下电机系统功率流图 电冈供给功率 机械功率 图2 - 6 高压电机串级调速下电机系统功率流图 但传统的以改变有源逆变器逆变角度的调整反电势的串级调速存在调速范围 窄( 逆变角调整范围有限) 、功率因数过低、调速精度低的缺点。 2 4 2 现代串级调速技术 现代斩波式串级调速系统如图2 7 ( 内反馈) 和图2 8 ( 外反馈) 所示。在有 源逆变器的逆变角被固定在最小逆变角度的情况下，有源逆变器直流侧提供了恒定 的最大反电动势，该最大反电动势对应于系统的调速下限( 在将反电势设计的等于 转子额定电势时，可获得0 至1 0 0 间转速调整) 。反电势大小的调整通过在整流器 和逆变器之间加入一个斩波器得以实现。当采用脉宽调制( p w m ) 信号控制斩波器 电子开关的占空比时，随着占空比在0 至1 0 0 间的调制控制，串入转子回路的等 效反电势将在上述最大反电动势和零电势之间变化，从而实现系统从最低设计转速 至额定转速间的平滑无级调速。同时，转子回路的转差功率通过电容器储存缓冲， 经逆变器回馈电网。 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 定平 定千 3 h 6 k v 1o k v 图2 - 7 内反馈式串级调速原理图 图2 8 外反馈式串级调速原理图 由于采用恒定的最小逆变角，使得系统功率因数大大提高；逆变直流侧电压的 恒定和提高，使得逆变器和逆变变压器设计容量大大减小；斩波器的采用和高速电 子开关的使用，使得占空比得以在近于0 和1 0 0 间变化，从而使得调速范围扩展 到满足同步转速以下的任何转速要求；斩波频率的提高和平波电抗器的采用，使得 转速稳定性大大提高，即便在转速开环控制下，转速十分稳定，完全可以满足泵、 风机类负载要求；加入转速闭环控制后，可以满足任何变动或冲击负载的应用；由 于变流电压低和功率小，因而变流损耗小，系统效率高，系统可靠性可以做的更高。 因而，现代斩波式串级调速除了变流( 控制) 电压低和变流( 控制) 功率小的 突出优势外，各方面性能获得了大大的提高。由于其变流电压低和功率小，特别适 合高压大功率电机的调速使用。 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 3 1 项目背景 第三章2 2 4 0 k w 热网循环泵调速方案 秦皇岛发电有限责任公司三期装机容量为2 x 3 0 0 m w 供热发电机组，安装2 台 1 0 2 5 吨d , 时国产循环流化床锅炉。项目投产后，年总供热量为2 3 5 2 0 7 0 吉焦，能 够提供1 1 3 3 万平方米的供采暖能力。 对于城市集中供热的热网系统来说，其一次网通常采用双管式封闭循环系统 1 。热网循环泵的作用就是为这一封闭循环系统提供必要的动力，将携带热量的热 源加热器及二次热网的换热器之间形成循环，以达到输送热量的目的，完成热能的 传递与转移。 由于热网系统负荷属于季节性热负荷，使得热网循环水泵的负荷变化较大，在 设计时考虑将来供热面积的扩大，裕量相应较大；加之循环水泵采用阀门挡板调节 流量，该方法虽然简单、易行，但节流损耗巨大，造成了大量的电能损失。为了响 应国家节能减排政策以及降低发电成本，秦皇岛发电有限责任公司三期热网循环水 泵拟采用变转速电机系统来实现流量的调节。 3 2 热网循环泵技术参数 3 2 1 循环水泵参数 水泵型号：k s r 4 1 0 0 1 5 0 并联水泵台数：4 运行方式：一运三备，二运二备。 流量调节方式：量一质并调 出口流量：4 1 0 3 立方米川、时 出口扬程( 压力) ：1 5 0 m 机组满负荷时流量：9 7 9 t h 阀门开度：全开 锅炉汽包压力：1 8 4 m p a 3 2 2 热网循环水泵设计要求参数 热网循环水为经除氧的软化水，水质如下： 输送介质：热网循环水 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 热网循环泵要求参数： 热网循环水泵工作温度：7 0 热网循环水泵设计温度：8 0 泵设计承压： 2 5 m p a 热网循环泵流量：4 1 0 3m 3 h 热网循环泵扬程：1 5 0m 汽蚀余量： t i n 热网循环水泵进口压力： 2 5 - - 3 5 m h 2 0 热网循环水泵由电动机拖动，低负荷时1 台热网循环泵运行，其他3 台作为备 用：高负荷时2 台泵并列运行，另外两台作为备用。当运行热网循环泵事故跳闸时， 备用泵自动投入运行。 为了满足启动、停机以及实验条件下的特殊要求，应能就地手动操作，并设有 单元控制室控制接口。 3 3 调速方案的选择 当前在国内高压大容量电机调速方面较为流行的调速方式有高压变频调速和 现代串级调速，为了说明选用串级调速的原因，将高压变频与现代串级调速的技术 经济做以下比较，如表3 - 1 所示： 表3 - 1 变频调速与现代串级调速比较 序号项目高频斩波串级调速系统变频调速系统 1变流( 控制) 电压几百一1 5 k v6 k v 1 0 l 【v 2 变流( 控制) 功率 0 1 4 8 p e ( 泵类负载)p c 3装置效率( 变流损耗) 9 9 ( 1 )9 3 9 5 ( 7 5 ) 4调速范围低同步以下同步转速上下 5机械特性硬硬 6 调速精度 高( 波动小于1 转)高 7 装置尺寸系统简洁、装置小 系统复杂、装置大 8 运行环境 普通厂房防尘、空调 9 适用电机绕线( 滑环) 绕线、鼠笼变频电机 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 1 0 功率因数无补偿较低，但不增加无功较高 1 1谐波不加滤波装置满足要求加滤波措施满足 1 2 维护难易易 难 1 3 维护费用低高 1 4适用容量大中、小 1 5 费用较低较高 1 6装置制造耗材少多 从表3 - 1 中可以得出如下主要结论： 1 ) 高压变频调速技术和现代串机调速技术都可以满足生产工艺的要求，在调 速范围、调速精度、机械特性等方面，高频斩波串级调速与高压变频技术达到同等 的水平。高频斩波串级调速已不同于传统的、上世纪9 0 年代前的技术，目前已具 有很高的技术性能指标。 2 ) 高频斩波串级调速技术在节电率，谐波控制，装置安装尺寸及制造耗材， 应用使用环境要求上明显优于高压变频技术。特别是，高频串级斩波调速是节电率 最高的调速。 3 ) 两种技术在功率因数问题上，均有技术措施可获得满意的结果。考虑到高 频斩波串级调速系统在转速下降中定子电流迅速下降，对厂用电母线上的损耗也下 降，考虑到电厂应用环境中对其功率因数要求不突出、高频斩波串级调速中可不采 取补偿措施对应用也不构成严重影响。 4 ) 综合比较系统维护量，变频系统的日常维护量( 除尘、制冷) 大于高频斩 波调速系统的维护量( 定期集电环维护) ，费用也高。 5 ) 造价上，高频斩波调速装置低于高压变频装置，甚至在对原使用鼠笼电机 的系统进行高频斩波串级调速改造时，连同配置绕线电机的费用仍可低于单纯高压 变频装置的费用。而本项目是新建项目，在选购电机时考虑选购了内反馈绕线电机， 其价格优势便更加显著。 由以上综合分析可以得出明显的结论：秦皇岛2 2 4 0 k w 热网循环水泵采用现代 串级调速技术更为适宜。 1 8 华北电力火学工程硕士学位论文 第四章热网循环泵串级调速系统的设计研究 4 1 热网系统介绍 不： 秦皇岛发电有限责任公司三期2 3 0 0 m w 供热发电机组热网系统如下图4 1 所 4 1 1 热网加热器的配置 图4 - 1 供热发电机组热网系统图 秦皇岛发电有限责任公司三期2 3 0 0 m w 供热发电机组热网系统中，每台机组 的热网站设置2 台热网加热器，并列运行；并且两台机组热网加热器串联运行。热 网循环水系统设4 台热网循环泵，3 台运行，1 台备用。热网循环水外网回水经热 网循环泵升压后进入撑6 号机组热网加热器，之后进入劳5 号机组热网加热器，向外 网供水；也可以单独由孵或 5 6 机组热网加热器加热后向外网供水。在正常情况下， 撑6 号机组热网加热器循环水加热温度为1 0 5 7 0 ，挣5 号机的热网加热器加热温度 为1 3 5 1 0 5 。在静5 号机或撑6 号机组热网加热器不能投运、由撑6 号机或撑5 号机单 独供热时，其热网加热器均应在进口温度7 0 时，出口温度达到1 0 5 。c 。热网低负 荷时群6 ( 或群5 ) 机组热网加热器运行；高负荷时2 台机加热器运行。最大供热能力 7 0 0 m w ( 2 5 2 0 g j ) 。 1 9 华北电力大学- t 程硕士学位论文 热网加热器换热量的控制通过改变热网循环泵转数控制循环水流量和控制热 网加热器加热循环水温度实现。热网供水温度调节通过汽机低压调门和汽轮机中、 低压缸导汽管采暖调节阀控制采暖抽汽量进行。 热网加热器加热蒸汽来自汽轮机5 段抽汽。采用双管进行抽汽，两根管道各分 别分为两根接入2 台热网加热器，即每台热网加热器有2 个进入蒸汽接口。 蒸汽压力：0 1 9 6 m p a - - - o 6 5 m p a 蒸汽温度： 2 3 0 - - 2 8 0 额定采暖抽汽量：5 5 0 t h 4 1 2 热网抽汽系统概述 热网抽汽系统中，汽轮机中压缸向上排汽一分为二，经2 根中低压连通管导入 低压缸中部。同时，中压缸排汽端的下部有2 个对称的5 段抽汽口，其抽汽的一部 分至# 5 低加，另一部分至热网。 机组在中压排汽口处有2 只向下的供热抽汽口，热网抽汽要求抽汽压力能在 0 2 0 6 5 m p a 之间调整，因此在热网抽汽管道上装有2 只抽汽压力调节阀，同时在 中低压连通管上还装有2 只连通管压力调节阀。通过这4 只阀门的调节来达到热网 抽汽压力与流量的要求。机组在不投热网抽汽工况下运行时，相当于一台凝汽式 3 0 0 m w 机组，当热网抽汽投入运行时，由于锅炉不能提供更多额定参数的蒸汽量， 机组功率将相应减少。为保护汽轮机的安全，在抽汽压力调节阀后装有1 只大口径 抽汽逆止阀以防蒸汽倒灌。在抽汽压力调节阀前装有2 只安全阀，当热网发生故障、 调节系统失灵、调节阀不能瞬时动作的情况下，连通管的压力骤然升高，此时该安 全阀将开启并向空排汽。中压缸向上排汽一分为二，经2 根中低压连通管导入低压 缸之中部。 4 1 3 热网循环水参数 循环水为经除氧的软化水，水质如下： 项目 数值备注 硬度： 7 0 0 l a m o l l 含氧量： 1 0p p b ； 总溶解固形物8 8 m g l 二氧化硅：0 9 m g l 氯根2 4 m g l 华北电力大学- 丁程硕士学位论文 4 1 4 热网加热器疏水 两台热网加热器疏水管合并为1 根，经热网加热器疏水泵送入本机组除氧器或 炉定排。每台机设3 台热网加热器疏水泵，额定工况2 台运行，1 台备用，低负荷 时，1 台运行，2 台备用。热网加热器疏水泵疏水量由泵出口管道上设置的调节阀 根据热网加热器水位进行调节。热网加热器出口总管设再循环管道控制疏水泵最小 流量。再循环疏水回到热网加热器。 4 2 热网循环泵调速电机的选型和设计 4 2 1 电动机容量计算 内反馈电机容量的计算可由下式计算得： p n 。p g h q ( 4 1 ) ” 3 6 0 0 0 式中：昂电动机功率，千瓦 p 液体比重，1 0 0 0 公斤立方米 日- 出口流量，立方米，j 、时 q 出口扬程，米 ，7 效率， 己知秦皇岛发电有限责任公司热