水电机组技术供水水泵优化运行

水电机组技术供水水泵优化运行

闫红军王选凡高寒

（华能澜沧江水电股份有限公司糯扎渡水电厂云南普洱665005）

摘要：机组技术供水系统对于水电机组属于重要的辅助设备，对各导轴承油槽的透平油及空气冷却器起到冷却作用，如果技术供水流量不足或中断，会导致各导轴承瓦、定子铁芯温度升高，超过限值，会导致机组跳闸，严重的损害轴瓦或使其寿命下降。机组技术供水泵安全、稳定、最优运行，关系到机组的安全稳定运行，因此如何保证水泵安全、稳定、优化运行，是本文研究的主要内容。安全稳定运行，就要求从控制系统可靠性、水泵电机性能、电机保护是否完善考虑。优化运行就是从水泵运行可靠性、经济性考虑。

本文主要对糯扎渡电厂技术供水泵（355kW）进行研究。大功率水泵启动时，启动电流很大，限制启动电流从一开始的星三角启动，软启动器启动，到最先进的变频器启动，启动电流越来越小，设备运行越来越可靠，设备越来越复杂，费用也越来越高。

关键词：技术水泵；瓦温；水压

一、概述

本文主要对糯扎渡电厂技术供水泵（355kW）进行研究。大功率水泵启动时，启动电流很大，限制启动电流从一开始的星三角启动，软启动器启动，到最先进的变频器启动，启动电流越来越小，设备运行越来越可靠，设备越来越复杂，费用也越来越高。糯扎渡电厂机组单机650MW,如果一旦机组技术供水中断或流量不足，造成机组跳闸，造成的损失远远大于购买设备的费用，因此采用可靠性高的设备势在必行。

糯扎渡电厂机组技术供水水泵采用的软启动器启动，电机的额定电流为650A，采用软启动，启动时电流达到2000A，且持续时间2～3秒，如此大的启动电流，使厂用电电压降低，可达340V,引起有电源监视系统误报电源消失。而且地下厂房环境较潮湿，主接触器和旁路接触器触头容易锈蚀，造成接触不良，在如此大的启动电流下，触头容易灼伤，造成接触器损坏，水泵无法启动。采用变频器控制就解决了此问题。

二、方案论证及分析

变频器介绍

变频器简介

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

变频调速的原理

技术供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。

异步电机的转差率定义[1]为：S=l－(n/nl)

异步电机的同步速度为：nl=60f/p

异步电机的转速为：n=60f(1－s)/p

其中：n1为异步电机的理想空载转速；

n为异步电机转子转速；

f是异步电机的定子电源频率；

p为异步电机的极对数。

从上式可知，当极对数p不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。

变频调速行节能原理

在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。

采用变频器的优点:当采用变频器进行调速控制时会给用户带来以下好处;平滑起动带来更大的生产力并改进最后的产品质量；实实在在地节能投资回报快；运行中的高可靠性延长系统使用寿命维护工作量和维护费用少；高设备利用率降低能耗增加工厂盈利;在工厂布局和操作上有更多灵活性，便于实现过程控制以及系统的集成和自动化。大量实际应用的例子证明，在采用这种高效率的系统以后，基本上免维修，节约能耗的效果显著，企业运行费用大大降低，对变速传动系统的投资可以在不长的时间内得到回收，企业的经济效益得到很大提高。

经济性分析

软启动器其实就是是降压启动，变频器是通过使频率从0上升到50Hz实现变频启动,软启动器的优点

价格便宜，体积较小;由于是降压启动，启动时能对电机起到保护作用;软启动器的缺点：启动电流大，对系统有较大冲击。变频器的优点：启动电流小，对系统冲击小;实现软停车，减小水锤影响;可以调节电机速度，有很好的节能作用。

变频器的缺点：造价高;由于变频器采用PWM控制方式，这样的脉冲调制形式使得变频器运行时在电源侧产生高次谐波，并造成电压波形畸变，电力系统会受到谐波污染。虽然变频器造价高，但是对设备可靠性要求较高的水电厂，设备安全可靠放在第一位，如果因为使用便宜可靠性较低的设备造成机组停用，造成的损失远远大于买设备的费用。

黑启动要求

机组黑启动：是指整个电网在发生大面积停电，电厂机组在无法依靠电网送电恢复的条件下，通过启动具有自启动能力的机组，带动电网无自启动能力的机组，逐步扩大系统的恢复范围，最终实现整个系统的恢复。糯扎渡电厂黑启动采用2台1640kW的10kV柴油发电机作为黑启动的电源点，如果技术供水泵采用软启动器启动（355kW），启动瞬间功率将达到额定功率的3～5倍，也就是1065～1775kW，并且柴油发电机还有其他负载，比如照明、排水等等，如此大的启动功率可能会造成柴油发电机跳闸，黑启动失败，使电网负荷不能及时恢复，造成严重后果。

三、结论

糯扎渡电厂技术供水电机采用西门子鼠笼式三相交流感应电机，电机额定功率355kW，额定电压380V，额定运行电流650A，正常运行时电流可达680A，过载运行对电机危害较大，容易造成定子线圈发热，缩短其寿命，严重时烧毁线圈。实际运行电流超过额定值的主要原因就是水泵负载过重，通过调节水泵出口阀门开度，调节流量，电流略有下降，但是效果不大，变频控制可以改善此问题，因为变频控制可以通过改变电机运行频率，调节电机出力，使其不超过额定电流。变频控制主要的目的就是减小启动电流以及黑启动的要求，但是一般是在其额定频率下运行，其变频功能未发挥作用，功能浪费很大。如何利用变频功能，且能创造良好的经济效益。首先我们要考虑的是如何保证电机在额定功率下运行，这样能发挥最大的效率。其次再考虑水泵功耗与瓦温的关系，保证瓦温不变的情况下，通过调节水泵出力，使水泵功耗更低。这样就能节约电能，并且使电机在较低转速下运行，延长了电机、水泵寿命。并且设置调节死区，避免变频器频繁调节。技术供水泵调节流程见下图。

图1技术供水泵调节流程图

通过图可以看出，调节过程属于闭环控制，监控系统采集技术供水系统供水总管压力和推力轴承瓦温，采集推力轴承瓦温的原因是推力轴承用水量大，且推力轴瓦瓦温比其他轴承高，瓦温随机组负荷变化较大。通过采集压力和瓦温数据，通过监控系统计算，在压力值不超过额定值的情况下，通过采集的瓦温数据，将其变化程度转化为通讯信号，反馈给变频器，变频器再调节水泵转速，改变水流量，水量越大冷却效果越好，但是水泵转速不能超过额定频率50Hz。最低频率不能低于45Hz，避免水泵在效率较低情况下运行。

参考文献

[1]吴守箴，电气传动的脉宽调制技术，机械工业出版社，2000