高压变频调速节能控制技术在水电厂水泵系统中的应用

在对水泵电机变频调速节能控制原理进行简单阐述后，结合水电厂6.3 kV一期高压水泵系统概况，对水电厂高压水泵系统变频节能升级方案、经济效益等进行了详细分析研究。

从大量研究资料和实践工作经验可知，将辅机水泵系统常规的定速节流静态调节方式升级改造为变频节能动态调速控制方式，可以确保水泵拖动系统长期输出与输入间的动态平衡，其节能效果非常明显[1]。

1 变频调速节能控制原理

输出转矩是水泵拖动系统调节功能的主要表现，而电机输入电源频率(f)、转差率(s)、以及磁极对数(p)三个特性参数间又具有一定的逻辑关系，即：

从式(1)可以看出，要想确保水泵电机拖动系统处于节能经济运行工况，就需要动态调节电机拖动系统的输出转矩，即调节水泵电机的转速。通过改变电机转差率(s)和磁极对数(p)两种方式来改变水泵电机的输出转速(转矩)，将会涉及到对整个水泵电机内部机械结构优化改进，这在实践工程应用中不具备很强的普及应用特性。因此，改变水泵电机输入电源频率(f)，其不仅在理论研究中较为成熟，而且是实践工程应用中也已取得较为良好的节能应用效果[2]。

2 水电厂高压水泵系统概况

某水电厂共装有8台600 mVA机组，选用2台6 kV 1600 kW水泵电机作为一期机组排水系统的核心设备。该排水系统由于其设计过程中估算排水量偏大，导致其功率选型值偏大，其实际所需排水量只有设计值的56%左右，存在严重“大马拉小车”问题，加上水泵电机采用静态阀门调速，能耗非常大，水泵电机拖动系统设备性能老化较为严重。水电厂发电机组其一期机组排水系统，给水泵额定流量为247 m3/h，额定转速为2960 r/min;配套电机型号为YKS5004-2，额定功率为1600 kW，额定电压为6.3 kV，额定电流为188.4 A，额定转速为2980 r/min，功率因素为0.9，防护等级为F级 IP55。从水电厂大量历史调节运行数据分析结果表明，当水力发电机组在低负荷运行区域时，其水泵电机拖动系统在动、静调节过程中其节流损失较大，相比于额定运行工况下其节流损失大约增加48%～52%左右，整个水泵电机系统运行效率普遍较低，能耗相当严重，在很大程度上影响到水力发电机组的整体厂用电率。根据水泵电机系统的历史运行数据分析结果，按照变频调速理论分析可知，如采用变频节能节流调速控制方案对水泵电机拖动系统进行升级改造，大致可以达到30%左右的节能效果。

3 高压水泵系统变频节能升级方案

为了满足绿色环保节能水电厂相关技术规范要求，减少水力发电机组辅机系统中的无谓电能资源浪费，降低水电厂厂用电率，提高单位电能生产的经济效益。决定采用6 kV高压变频器对水电厂一期2台6.3 kV高压水泵系统进行节能技术升级改造，其具体变频节能升级改造方案如图1所示：

从图1可知，整个节能升级改造方案中除了采用6.3 kV高压变频器外，还需要改造水泵系统的6.3 kV电机一次系统(图1中虚线部分为6.6 kV高压电机的旁路柜)，主要由三个高压真空接触器(KM1、KM2、KM3)、2个6.3 kV高压隔离刀闸(QS1、QS2)、1个PT测量保护用电压互感器等共同组成。

4 高压水泵系统变频节能升级改造节能经济效益分析

为了分析水电厂一期水泵系统采用6.3 k高压变频器为核心的变频节能调速控制系统进行技术升级改造后的经济效益，按照图1所示的改造方案将两台6.3 kV高压水泵电机进行升级改造，将一期排水水泵变频调速运行工况下的电机全年用电量与未进行改造前的工频静态调控下的电机拖动系统用电量进行对比分析。未采用6.3 kV高压变频器进行技术升级改造前，水电厂水泵系统长期处于全速运行工况，对应其全年用电量大约为：P1=19200000(kWh);采用以6.3 kV高压变频器为核心的变频节能调速控制进行技术升级改造后，水电厂一期排水泵电机拖动系统始终工作在变频节能动态调速经济运行工况中，其全年用电量大约为：P2=14100000(kWh)。与6.3 kV高压水泵电机挡板和阀门静态调节相比，采用6.3 kV变频调速进行节能升级改造后，整个水电厂排水系统每年大约可以节约电能资源为：△P=P1-P2=：5100000(kWh)。按水电厂平均上网电价为0.3元/kWh进行估算，则采用6.3 kV高压变频调速节能控制系统对水电厂一期水泵排水系统电机进行变频节能升级改造后，其每年大致可以节约电费为1530000元，约153万元，节电效率为26.6%，与理论变频节能效率相匹配，其节能节电效果非常明显。水电厂水泵电机拖动系统进行6.3 kV高压变频调速节能升级改造后，不仅改善了水泵电机拖动系统的综合运行性能，降低了水泵电机的起动电流，确保水泵辅机系统具有较高运行安全可靠性，同时其节能节电效果相当明显，每年大约可以节约153万元，避免了电厂厂用电无谓大量电能浪费，降低了厂用电率。

5 结语

随着电力电子技术、变频调速技术等在工程中应用的不断完善，加上高压变频器等电力电子元器件单位功率价格的不断降低，变频节能调速技术在水电厂排水泵等辅机系统节能改造系统中将具有更为广阔的应用前景。