【摘 要】 通過采用高壓變頻器在供水系統(tǒng)的技術(shù)改造，提高了供水系統(tǒng)自動控制水平，達到節(jié)能降耗的目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】 供水系統(tǒng) 高壓變頻 節(jié)能

為進一步做好企業(yè)節(jié)能降耗挖潛工作，我公司動力工作部對所屬供水系統(tǒng)水泵類設(shè)備運行工況進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)目前水泵實際運行效率不高，其主要原因是水泵的調(diào)速性能差；運行點遠(yuǎn)離水泵的最高效率點；有的水泵如爐體泵組、轉(zhuǎn)爐濁環(huán)、凈環(huán)、連鑄濁環(huán)、連鑄凈環(huán)、氧槍、結(jié)晶器泵組；軋鋼加熱爐凈環(huán)、軋鋼濁環(huán)高低壓泵組均通過調(diào)整閥門組開度來保證出口流量與壓力穩(wěn)定，部分泵組閥門開度在20—30%之間，造成大量能耗浪費在節(jié)流的閥門組上；部分泵組由于生產(chǎn)工藝要求需要頻繁的啟停，不但對設(shè)備穩(wěn)定運行造成影響同時也造成能源浪費。

目前運行的水泵流量裕度為20%-30%，壓力裕度為15%-25%。這是因為在設(shè)計過程中，很難準(zhǔn)確地計算出管網(wǎng)阻力，并考慮到長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題，通常總是把系統(tǒng)的最大流量和壓力富裕量作為選擇風(fēng)機型號的設(shè)計值。但風(fēng)機、水泵的型號和系列是有限的，往往在選用不到合適的風(fēng)機型號時，只好往大機號上靠。因此，風(fēng)機、水泵的流量和壓力富裕度達20%-30%是比較常見的。

水泵的電機隨著工藝變化的需求經(jīng)常運行在“大馬拉小車”與低負(fù)荷或變負(fù)荷狀態(tài)下，使電機消耗的電能中有相當(dāng)部分以發(fā)熱、鐵損、噪音與振動等形式浪費掉。造成電機運行效率很低的主要原因是電機偏離最佳效率的額定功率運行。電機負(fù)載怎么變化，電機與電網(wǎng)之間的電壓和頻率不可調(diào)節(jié)的“硬性”供電方式，始終是造成負(fù)載消耗多余電能的重要原因。

從水泵組電動機的運行參數(shù)與工藝的變化來看，該類用電設(shè)備的節(jié)能空間較大，通過配置合理的節(jié)電裝置使電機的運行與工藝變化結(jié)合，達到良好的匹配，能達到很好的節(jié)能收益。

1. 高壓節(jié)能設(shè)備選型

從產(chǎn)品技術(shù)的先進性、可靠性以及高性能價格比角度考慮,我們選用北京動力源公司的HINV系列高壓變頻節(jié)能設(shè)備，該設(shè)備是一種高效節(jié)能的交流調(diào)速傳動設(shè)備，廣泛適用于各種風(fēng)機泵類負(fù)載，減少了電網(wǎng)的諧波污染，不存在因諧波引起的電機發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、共模電壓等。

具體選型清單如下:

2．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

手動旁路柜的設(shè)計主回路的簡圖如下：

一拖一手動旁路方案系統(tǒng)一次接線如下：

一拖一手動旁路方案

注：TF為高壓變頻系統(tǒng)，虛線框內(nèi)為旁路柜配置。

變頻系統(tǒng)旁路方案說明：

變頻運行時：斷開QS1，閉合QS2和QS3；

工頻運行時：斷開QS2和QS3，閉合QS1；

10kV電源經(jīng)用戶輸入真空開關(guān)柜QF1，通過變頻裝置進線刀閘QS2到高壓變頻調(diào)速裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘QS3送至電動機； 10kV電源還可以經(jīng)旁路刀閘QS1直接起動電動機。變頻裝置的輸出刀閘QS3和旁路刀閘QS1互相閉鎖，即QS2和QS1不能同時閉合。

旁路作用：

當(dāng)變頻裝置工程檢修時，可手動操作刀閘，形成明顯斷電點，能夠保證人身安全；

當(dāng)變頻裝置出現(xiàn)故障時，也可手動操作刀閘，將變頻裝置隔離，使負(fù)載在工頻電源下正常運行，保證生產(chǎn)的安全、持續(xù)的運行。

變頻系統(tǒng)旁路設(shè)備組成：

旁路設(shè)備由1臺柜組成，高壓開關(guān)柜QF1，電動機M為現(xiàn)場原有設(shè)備。

一拖一手動方案適配手動旁路柜說明：

1) 隔離開關(guān)QS1選用GN19-10 400A/12.5系列單投，QS2.3雙投戶內(nèi)高壓隔離開關(guān)，相間距為210mm；單投隔離開關(guān)的進線端的三個絕緣端子為高壓帶電顯示裝置HL1.2的三個傳感器SQ1.2。

2）照明燈為柜門式照明燈。

3）避雷器采用三相組合式。

4）旁路柜有外加輸入、輸出端子和帶電、工頻、變頻指示。

3. 高壓變頻原理

電網(wǎng)電壓經(jīng)主變壓器隔離移相后為功率單元供電，每個功率單元為一個單相交-直-交電壓型逆變器，單元串聯(lián)星接后形成三相變頻電源給高壓電動機供電。根據(jù)串聯(lián)單元級數(shù)的不同，產(chǎn)品分為3kV、6kV、10kV三個系列。HINV系列高壓變頻節(jié)能設(shè)備采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術(shù)，因而具有很高的可靠性。隔離變壓器為三相干式整流變壓器，風(fēng)冷，有使用壽命長、免維護等優(yōu)點。10kV系列為功率單元24個，延邊三角形接法，為每個功率單元提供三相電源輸入。為了最大限度抑制輸入側(cè)諧波含量，同一相的副邊繞組通過延邊三角形接法移相，由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，從而消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，所以HINV系列高壓變頻節(jié)能設(shè)備輸入電流的總諧波含量（THD）遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)4%的要求，另外主變壓器采用移相整流方式，輸入功率因數(shù)高，輸入電壓電流諧波小。滿足IEEE519-1992和GB/T 14549-93對電壓和電流最嚴(yán)格的諧波失真要求。無需任何功因補償和諧波抑制裝置。變頻器輸出采用多重化PWM技術(shù)，輸出為近乎完美的正弦波，無須加裝輸出濾波器。電動機諧波損耗小，轉(zhuǎn)矩脈動小，無明顯電動機噪聲。電動機不需降額使用。輸出dV/dt和共模電壓小，對電動機無附加電應(yīng)力損害。

3.1 二次回路及控制

控制系統(tǒng)由控制器、I/O板\和人機界面組成。控制器由光纖板，信號板，主控板和電源板組成。各部分之間的聯(lián)系如下圖。

人機界面為用戶提供友好的全中文操作界面，負(fù)責(zé)信息處理和與外部的通訊聯(lián)系，可選上位監(jiān)控而實現(xiàn)變頻器的網(wǎng)絡(luò)化控制。通過主控板和I/O接口板通訊來的數(shù)據(jù)，計算出電流、電壓、功率、運行頻率等運行參數(shù)，實現(xiàn)對電機的過載、過流告警和保護。通過RS232通訊口與主控板連接，通過RS485通訊口與I/O接口板連接，實時監(jiān)控變頻器系統(tǒng)的狀態(tài)。

I/O接口板用于變頻器內(nèi)部開關(guān)信號以及現(xiàn)場操作信號和狀態(tài)信號的邏輯處理，增強了變頻器現(xiàn)場應(yīng)用的靈活性。

HINV系列高壓變頻控制系統(tǒng)圖

從流體力學(xué)的原理得知，使用感應(yīng)電動機驅(qū)動的風(fēng)機負(fù)載，軸功率P與流量Q，揚程H的關(guān)系為：

當(dāng)電動機的轉(zhuǎn)速由n1變化到n2時,Q、H、P與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下:

(1)

(2)

(3)

可見流量Q和電機的轉(zhuǎn)速n是成正比關(guān)系的，而所需的軸功率P與轉(zhuǎn)速的立方成正比關(guān)系。所以當(dāng)需要80％的額定流量時，通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速的80％，即調(diào)節(jié)頻率到40Hz即可，這時所需功率將僅為原來的51.2％。

如下圖所示，從水泵運行曲線圖來分析采用調(diào)速后的節(jié)能效果。

水泵運行曲線圖

當(dāng)所需風(fēng)量、流量從Q1減小到Q2時，如果采用調(diào)節(jié)閥門的辦法，管網(wǎng)阻力將會增加，管網(wǎng)特性曲線上移，系統(tǒng)的運行工況點從A點變到新的運行工況點B點運行，所需軸功率P2與面積H2×Q2成正比；如果采用調(diào)速控制方式，風(fēng)機轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，其管網(wǎng)特性并不發(fā)生改變，但水泵的特性曲線將下移，因此其運行工況點由:

A點移至C點。此時所需軸功率P3與面積HB×Q2成正比。從理論上分析，所節(jié)約的軸功率Delt(P)與（H2-HB）×（C-B）的面積成正比。

通過實踐的統(tǒng)計，水泵通過調(diào)速控制可節(jié)能20％～50％，有些風(fēng)機負(fù)載節(jié)能比例更高。

4. 節(jié)能分析及經(jīng)濟效益

4. 1 節(jié)能分析

經(jīng)過改造前對用電系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)電能主要浪費在分配系統(tǒng)層面的效率、負(fù)荷側(cè)設(shè)備運行的效率。針對此用電系統(tǒng)所存在的問題，結(jié)合節(jié)電的技術(shù)特點，對部分運行狀況參數(shù)需要經(jīng)常調(diào)整，以及通過閥門進行節(jié)流控制的水泵組電機進行變頻改造，以改善用電負(fù)載的運行狀況，達到優(yōu)化設(shè)備運行、節(jié)約用電的目的。

采用變頻調(diào)速節(jié)電技術(shù)改造低效運行的水泵的可行性主要反映在以下幾個方面：

（1） 原機組的電機起動時會出現(xiàn)較大的沖擊電流，采用變頻節(jié)能系統(tǒng)控制后，可以使電機起動時電流平緩上升，沒有任何沖擊。另外，大功率電機停機時會產(chǎn)生很大的反生沖擊電流，對設(shè)備造成一定程度的損害，采用變頻節(jié)能控制后，可使電機實現(xiàn)軟停，避免反生電流造成的危害，有利于延長設(shè)備的使用壽命。

（2）采用變頻節(jié)能控制系統(tǒng)后，可調(diào)節(jié)水量及壓力大小，從而精確控制水量及水壓。

（3）采用了節(jié)能變頻控制系統(tǒng)后，可將水泵手動閥門全部打開，降低管網(wǎng)阻力。

（4）通過調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)整水量，節(jié)省了大量的電能。

（5）降低泵組運行時的噪音及振動，提高工作環(huán)境的舒適程度和延長設(shè)備檢修周期。

4. 2變頻調(diào)速運行效果

在交流調(diào)速中，交流電機的調(diào)速公式N=60f1(1-s)/p,而電機功率P′=P(N′/N) ³

當(dāng)電機頻率下降時，電機的轉(zhuǎn)速成比例減小，流量按（2）式比例減小，功率按（1）式大大降低，從而達到節(jié)能的目的。

其減少的功耗 △P=P0〔1-(N1/N0)³〕 （1）式

減少的流量 △Q=Q0〔1-(N1/N0)〕 （2）式

其中N1為改變后的轉(zhuǎn)速，N0為電機原來的轉(zhuǎn)速，P0為原電機轉(zhuǎn)速下的電機消耗功率，Q0為原電機轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的流量。

由上式可以看出流量的減少與轉(zhuǎn)速降低的一次方成正比，功耗的減小與轉(zhuǎn)速降低的三次方成正比,因此改變頻率，節(jié)能效果顯著。

4. 3效益分析

根據(jù)安裝HINV系列高壓變頻節(jié)能設(shè)備使用后統(tǒng)計，每年可節(jié)約用電1078.64萬度，節(jié)約電費539.319萬元，設(shè)備運行30個月即可收回全部投資。

以上數(shù)據(jù)均為每天24小時，每月30天，電價按0.5元/KW.H計算。

5. 系統(tǒng)調(diào)試中的問題及解決辦法

在高壓變頻器通電之前，對進線變壓器進行耐壓實驗，可分三次以上不同的時間進行，完成之后，才能對高壓變頻器通電進行調(diào)試。調(diào)試時的速度由變頻器直接輸出，從10%到100%的額定速度，分段進行速度給定，這期間注意高壓變頻器及電機等設(shè)備運行情況。當(dāng)運行正常后，即可開始帶負(fù)荷運行，速度也是由10%到100%的額定速度給定分階段進行升、降速。在此階段必須調(diào)節(jié)好高壓變頻器的升、降速時間，不能過快，否則變頻器會報故障而停機，甚至?xí)龎腎GBT模塊。

變頻器的速度輸出是由外部給定的模擬信號或上位機通過與變頻器本體PLC通訊來控制的，因此，在調(diào)試中必須確保模擬信號的穩(wěn)定性和通訊狀態(tài)的穩(wěn)定。變頻器設(shè)備會產(chǎn)生較大的電磁干擾信號，對于模擬信號的傳輸影響很大。因此，設(shè)計、施工時做好接地工作、選用屏蔽電纜之外，最好對信號電纜穿鐵管加以屏蔽。信號類型選擇電流信號而不要選用電壓信號。對于長距離的控制信號通訊最好使用光纖通訊，在軟件方面加上通訊判斷程序，并根據(jù)工藝需要加上控制信號丟失保護和連鎖程序。

另外鑒于風(fēng)機水泵負(fù)載特性在進行恒壓或恒流量閉環(huán)控制時加上最低運行頻率設(shè)置，以免在調(diào)節(jié)時進入死區(qū)，造成水泵斷水或風(fēng)機運行在臨界轉(zhuǎn)速點上，造成設(shè)備運行不穩(wěn)定。

【參考文獻】

[1] 吳忠智 變頻器應(yīng)用手冊 〔M〕 機械工業(yè)出版社 2004

[2] 竺偉，陳伯時.高壓變頻調(diào)速技術(shù)[J].電工技術(shù)雜志1999（3）

[3] 張皓，續(xù)明進，楊梅. 高壓大功率交流變頻調(diào)速技術(shù)[M]. 機械工業(yè)出版社,2006