大除盐水泵运行问题分析及其电机变频改造方案的研究

冷攀攀，王宏亮

(中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵阳 550002)

0 引 言

某热电联产项目为超临界直流炉，装机容量1×350 MW，除盐水补水量80 t/h，设置了两台机组正常运行时使用的除盐水泵(一用一备)，并设有一台启动用大除盐水泵，流量290 t/h，扬程130 m，功率为160 kW，用于锅炉吹管及酸洗时大量用除盐水时启动，除盐水泵采用变频调节，启动用大除盐水泵采用工频运行。在机组整套启动前吹管期间，大除盐水泵发生了断路器触头损坏、水泵电机烧毁等事故，对机组吹管造成了一定的影响。根据大除盐水泵的启动和运行工况的数据分析，事故主要原因为启动电流过大，对改善方案进行比较后，确定对该泵实施变频改造。改造后能实现泵的软启动，可将启动电流限制在额定电流的1.2～1.5倍，避免了启动时冲击电流对电机的损伤，保护了电气设备，改善了运行条件，同时能够实现便捷的调节流量，减少了运行人员的劳动强度。某电厂和某钢铁厂也对其除盐水泵进行了变频改造，主要目的是改善供水量调节的条件，同时达到节能降耗的效果[1-2]。

1 运行情况及故障原因分析

1.1 运行工况分析

机组整套启动前的锅炉吹管阶段，除盐水补水量不是恒定的，根据现场数据显示，流量常在100 t/h到350 t/h波动，有时候甚至降到80 t/h以下，此时需停大除盐水泵并启用小除盐水泵进行补水，当机组需要除盐水量增加之后，除盐水泵的流量又不能满足要求，此时，又需启动大除盐水泵进行补水，使得大除盐水泵的启停较为频繁，并且长时间偏离设计工况点运行。

1.2 事故情况

大除盐水泵安装完成后进行单体调试时，发生了故障导致紧急停泵，经初步判断为机械故障，将泵体拆开后发现轴承损坏，经厂家现场查看后确定为水泵轴承选型过小，更换较大的轴承后根据要求完成了单体调试，并通过验收。

在锅炉第一次吹管期间，大除盐水泵在启动过程中出现断路器触头拉弧损坏，在更换断路器后又出现电机烧毁的情况。经现场调取DCS电流曲线和框架断路器动作历史记录发现，电流速断0.01 s保护动作跳开断路器，动作电流最高达到8 780 A，远远超出短路瞬动整定值3 360 A。对电机三相绕组进行绝缘测试，结果显示相间及相对地电阻均为零，将电机拆开之后明显看出为电机绕组匝间短路，因短路电流过大，断路器保护动作切断故障电流过程中拉弧，最终导致触头损坏。

1.3 原因分析

当大除盐水泵工作扬程低于额定扬程时，将会产生较大的启动电流。启动电流过大容易对匝间绝缘产生冲击，使绕组出现匝间松弛、绝缘裂纹等不良现象，破坏效应不断积累使绝缘最薄弱点碳化引起匝间短路，最终导致绕组局部烧毁。经过分析得出解决这一问题的关键在于如何降低大除盐水泵的启动电流，并使其处于安全范围内。

2 减小电机启动电流的几种常用方式

在工程应用中，常采用Y-△启动[3]，增加软启动器或者增加变频器的方式减小电机启动电流，以保护电机及电气设备。

2.1 Y-△降压启动

Y-△启动是一种降压启动方式，启动时将异步电动机三相定子绕组接成星形，等启动完成后，再接成三角形。适合于电动机的轻载启动，并且局限于正常运转时为三角形接法的异步电动机。

2.2 增加软启动器

软启动器是一种具有软启动、软停止、轻载节能和定时低速运行等多种功能的电动机控制装备。它可以在整个启动过程中实现电动机的平滑启动，还能根据电动机所带负载的特性来调整各种启动参数，如过流值、过扭矩值、启动时间等。

2.3 增加变频器

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变频率控制交流电动机的运行速度和转矩实现降压启动，它主要由整流、逆变、滤波、制动和驱动四单元等组成。依靠开断内部的IGBT来调整电源输出的频率和电压，以达到调速和节能的作用，同时，变频器还具有防过载、防过流、防过压等功能。

2.4 方案的选择

使用Y-△启动、增加软启动器和变频器均可以较好的限制电机启动电流，从而避免电机启动时的冲击电流对设备造成损伤。但使用Y-△启动或软启动器只能限制电机启动电流，软启动器的输出只能改变电压而不能改变频率，不具备调速功能[4]。而变频器的软启动可以控制启动速度，延长启动时间，使启动电流从零逐步升高，可以极大地减轻对厂用电网的冲击力，对延长电机和电气设备的使用寿命也更加有利。同时使用变频器还可以通过变频调速对出口流量进行调节，而不必通过调整水泵出口阀门开度来对流量进行调节，从而减轻运行人员的劳动强度，提高了自动化程度，故最终确定采用变频改造实施方案。

3 改造方案

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。目前使用的变频器主要采用“交-直-交”方式(VVVF变频或矢量控制变频)，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器由整流、中间直流环节、逆变和控制四部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式变频器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

交流电动机工作原理中的转速关系：

n=60f(1-s)/p

(1)

式中，n为电机转速，rad/min；f为电源频率,Hz；s为转差率；p为极对数。

根据上式可知，在极对数p和转差率s保持不变的情况下，均匀改变电动机定子绕组的电源频率f，就可以平滑地改变电动机的同步转速n，根据流体力学知识，流量、压力、转速、输出功率之间的关系为：水泵流量与转速的一次方成正比，压力与转速的二次方正比，而轴功率与转速的三次方成正比。理想情况下的相互关系见表1。

表1 转速、流量、扬程、功率之间的关系

根据上表可知，通过变频器调节电动机转速，就能对泵出口流量进行调节，以满足不同工况下泵的供水量。另外电动机转速变慢，轴功率也相应减少，电动机输入功率也随之减少。

水泵以较低频率启动，启动电流大大降低，能减轻对水泵电机的冲击，有效保护了断路器等电气设备及元件，延长其使用寿命。

根据现场情况，在大除盐水泵电源端新增一面变频器控制柜，变频器采用某国产品牌Hope800系列高性能矢量控制变频器。该变频器具有控制策略强大，参数设置简单，后期维护方便的特点。动力电源经过变频器变频输出后接入大除盐水泵电机，其变频改造的电气示意图如图1所示。电流和转速反馈模拟信号以及电机转速指令模拟信号采用硬接线的形式接入DCS，从而实现DCS后台监视和调速功能。

图1 大除盐水泵变频改造电气示意图

变频调节优点：

(1)电机采用变频启动，按设定的加速时间，随着电源频率的逐步上升，电流、转速平稳增加，避免了启动时冲击电流对电机的损伤；

(2)变频器调速系统的使用，减少了轴承磨损、发热等现象，延长了泵的使用寿命；

(3)频率可在20～50 Hz之间调节，能适应各种负荷工况下除盐水母管压力稳定调节的要求，同时达到节能的效果；

(4)调节精度高，可更好的控制除盐水母管压力在设定范围内；

(5)保护功能完善，有过电流、过电压、短路、过载等多项保护；

(6)具有开机自检、故障记忆等功能，提高了设备的安全系数。

4 结束语

变频调节在锅炉补给水处理系统中应用很多，但是大除盐水泵采用变频调节的案例较少，本项目根据大除盐水的现场运行情况，对其进行了变频改造，使该泵及其电气设备在启动和运行时的不良状况得以大大改善，改造至今将近一年时间运行稳定，未再出现过任何故障。运行人员能够在DCS上实现对水泵流量的精准调节，避免了只能通过调整水泵出口阀门开度来调节流量的不便，同时低负荷运行时轴功率也相应降低，能达到节能降耗的目的，带来较好的经济效益。对这种功率较大的水泵，需要考虑其较大启动电流对水泵及其相关电气设备带来的不利影响，同时也要充分了解其运行工况，以便在设计中采取措施提前消除运行中可能带来的隐患，使设计更加的合理。