葫芦岛平山水源站水泵变频改造案例

 

　　一、概述

　　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。随着现代电力电子技术和微电子技术的 迅猛发展，高压大功率变频调速装置不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。其应用的领域和范围也越 来越为广范，这使得高效、合理地利用能源（尤其是电能）成为了可能。电机是国民经济中主要的耗电大户，高压大功率的更为突出，而这些设备大部分都有节能的 潜力。大力发展高压大功率变频调速技术，将是时代赋予我们的一项神圣使命，而这一使命也将具有深远的意义。

　　葫芦岛市是辽宁省一座重要的新兴工业城市，伴随城市发展，用水供需矛盾日益严重。早在1993年，葫芦岛市就被水利部确定为全国20个严重缺水城市之一。为此，葫芦岛市政府决定引六股河之水，兴建平山水源工程。1996年6月，平山水源工程正式开工，1998年12月，葫芦岛市政府与辽宁供水集团成立葫芦岛平山供水有限责任公司，合资建设平山水源工程。平山水源于2000年4月开始向葫芦岛市供水，工程设计供水能力为10万吨/日。平山水源取水泵站共有4台同容量机组，电机功率为710KW,电压等级为1万伏，水泵功率为536KW,设计为三用一备。根据平山水源供水的这一实际情况，平山供水公司经多方咨询，决定对水泵作调速改造。公司为此专门组织了由公司总工程师带队，有公司主要技术人员和省水利设计院设计人员参加的考察小组，先后到北京、天津、湖南考察调速电机在实际生产中的应用情况。变频调速系统具有很强的可操作性，性价比优越，安全调试方便，适合本企业生产现状，于是终决定采用该变频器进行水泵的调速改造。

　　二、HARSVERT-A系列变频器原理

　　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，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。国内技术较的品牌有英威腾、汇川、三 晶、紫日电气科技有限公司、雷诺尔、欧瑞（原烟台惠丰）、蓝海华腾。

　　HARSVERT-A系列高压变频调速系统的结构见图2.1,由移相变压器、功率单元和控制器组成。10000V系列有24个功率单元，每8个功率单元串联构成一相。

　　每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构见图2.2,为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图2.3所示的波形。

　　输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，构成48脉冲整流方式；经多级移相叠加的整流方式，可改善电流波形，是逼近标准正弦波，高次谐彼<2%,完全符合1992年制定的IEEE519标准和GB/T14549,93国家标准《电能质量公用电网谐波》要求。负载下的网侧功率因数接近1.

　　另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。

　　输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图2.4所示的阶梯PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。

　　变频器系统安全、可靠，保护装置功能齐全，具有过电压、欠压、过电流、过热、缺相等保护装置。具有完整的故障监测电路、的故障报警保护和将故障功率模块旁路功能。

　　当某一个单元出现故障时，通过使图2.2中的继电器K闭合，可将此单元旁路出系统而不影响其他单元的运行，变频器可持续降额运行；如此可减少很多场合下停机造成的损失。

　　三、调速方案

　　根据实际情况，我们确定的调速方案为：选择1、4号泵为可调速水泵，正常运行时其中任一台运行于调速状态，而另一台泵作为备用，也可随时投入工频状态运行。两台泵运行状态的切换采用手动方式。并要求两台泵不能同时投入变频状态，或同时投入工频状态运行，对此要求，在设计旁路切换柜时特别设计了机械联锁装置。实际的原理接线图如图3.1:

　　其中：KA1、KA2为高压开关

　　KG1-KG4 为隔离开关

　　四、水泵调速替代阀门节流后的节能情况

　　1.水泵实际应用工况

　　平山供水公司是向葫芦岛市自来水公司提供源水的公司。其水源由平山水源泵站输送到位于葫芦岛市的平山供水公司的清水厂，在清水池中进行处理后再送到自来水公司。

　　2.节能分析

　　如果通过水泵调速方式改变流量，使流量由Q1变至Q2,速度由N1调至N2,则工作点由A点降到B点；如果水泵定速为N1运行，通过阀门改变流量，则水泵从A点变为C点。水泵在B、C两工作点的功率分别为：PC=H3×Q1, PB =H2×Q1;

　　假设水泵在B、C两点效率差别不大，都约为η，则调速方式相对于关阀方式，节能效益

　　3. 实际节能情况

　　实际运行中，每台泵在工频运转下的满负荷输出为1800m3/h,我们根据典型的应用工况，分别统计了管网输出为3268m3/h及2600m3/h时两台工频泵及一台工频泵配一台变频泵运转时的几组数据：

　　两台工频泵在管网流量为3268m3/h下运转，统计时段累计供水量为50190m3,耗电量为21450度，计算得吨水耗电量为0.4274度；

　　一台工频泵配合一台变频泵在管网流量为3268m3/h下运转，统计时段累计供水量为47525m3,耗电18375度，计算得吨水耗电量为0.3866度；

　　两台工频泵在管网流量为2600m3/h下运转，统计时段累计供水量为62270m3,耗电量为28950度，计算得吨水耗电量为0.464度；

　　一台工频泵配合一台变频泵在管网流量为2600m3/h下运转，统计时段累计供水量为68100m3,耗电29550度，计算得吨水耗电量为0.4339度；

　　假设使用一台变频泵配一台工频泵，一年中各有一半时间分别在3268m3/h及2600m3/h下运转，每度电费为0.45元，则一年中较使用两台工频泵节约的电费为：

　　（0.4274-0.3866）×3268×24×365/2×0.45+（0.4649-0.4339）×2600×24×365/2×0.45=262802+158862=42.1664万元。

　　五、方便的阀门联锁功能

　　HARSVERT-A系列高压变频器配备了西门子公司的S7-200系列PLC,在实现外部逻辑控制时显得尤为方便。其阀门联锁功能的作用是：在启动水泵升速过程中，水泵出口水压逐渐增高，当大于设定的"开阀出口水压"时，阀门开始打开，直至开全；在停泵时，阀门同步关闭；如果开泵时，阀门因各种原因未能开全，将提示"阀门没有开全",停泵时，如阀门未关严，将提示"阀门没有关严".实际运用中，我们将"开阀水压"设定为0.9MPa,这样在开泵和停泵过程中，值班人员无需再对阀门执行任何操作，不仅减少了操作的失误，而且在开阀、关阀过程中对管网的冲击也很小。

　　六、方便快捷的操作

　　HARSVERT-A系列高压变频器有完善的上位机监控功能，操作人员在值班室即可完成对变频器的一切操作，结合现场的实际工况，在变频器的控制界面和远程监控界面上可以实时显示总管流量、总管水压、变频泵出口水压等参数，极大的减轻了操作人员的工作量，提高了工作效率。监控界面见图6.1.

　　七、先进的远程拨号监控功能

　　对于供水公司的上层管理者而言，他们需要经常了解变频器的现场运行情况，而变频器的远程拨号监控功能无疑给他们提供了极大的方便。他们只需在自己的办公电脑上安装利德华福公司提供的远程拨号软件，在需要时拨通为变频器提供的专线电话，即可看到变频器的现场运行界面。远程拨号软件为他们设置了操作权限，不会发生误操作而对变频器的运行正常造成任何影响。如果变频器在运行中出现故障，利德华福公司的技术服务部门也可通过远程监控掌握现场的确切的运行资料，以帮助他们及时作出准确的判断。

　　八、高压大功率变频器使用时的注意事项

　　1、当全速泵和调速泵并联运行时，为了保证不发生内耗，水泵转速调节范围不宜太大，通常应不低于额定转速的50%,在70~100%之间。当转速低于额定转速的40~50%时，水泵本身的效率明显下降，更不经济。

　　2、传统的水泵都是按工频全速运转设计的，一般只在转速下长期运行，仅在启动过程中短时经历其他转速点，所以难保在除工频之外的其他频率点上不存在机械共振现象。将传统的水泵用变频器驱动调速运行后，除工频点之外，水泵也可能在调速区域的所有频点上稳定运行，所以需要在整个调速区域对水泵机组作机械共振测定。如果存在机械共振频点，应该输入变频器，防止变频器在这些特殊的频率点上长期运行。

　　3、变频器安装位置周围的环境温度应低于40℃，变频器的安装空间应足够大，否则热量无法散出，会使变频器保护停机。当环境温度高于40℃，需配备相应的空调设备。当变频器的安装空间有，为了保证变频器的正常运行，需加装强迫通风装置。

　　九、结束语

　　高压大功率变频器在工业和生活供水系统中的应用将会越来越广泛，除了有明显的节能效果外，还可以接入工厂的DCS系统中，组成一个大闭环的调速控制系统，使工艺设备运行方式更趋合理，使设备的自动化程度提高到了一个新水平，将会有有很可观的社会效益。