引言
蒼南平原引供水公司成立于1998年，擔(dān)任著蒼南江南平原地區(qū)60萬(wàn)人口的供水任務(wù)，日設(shè)計(jì)供水量為10萬(wàn)噸。其送水泵房共有7臺(tái)水泵機(jī)組，10kV/250kW二臺(tái)，380kV/160kW二臺(tái)，380kV/90kW二臺(tái)，380kV/55kW一臺(tái)，采用工頻運(yùn)行方式，泵站自1998年3月投入試運(yùn)行。但由于實(shí)際需求輸水總量為6-7萬(wàn)噸/日,所以只能依靠調(diào)節(jié)出口閥開(kāi)度及頻繁開(kāi)停泵來(lái)調(diào)節(jié)流量。以保證生產(chǎn)廠的處理平衡的需求。這不但操作麻煩、難以控制，而且能源浪費(fèi)大。同時(shí)，根據(jù)預(yù)測(cè)，在近二、三年內(nèi)還尚未能達(dá)到10萬(wàn)噸/日的需求量。鑒此，為了資源的合理利用和能源的節(jié)約，保證輸水管網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，擬考慮安裝變頻調(diào)速裝置，并經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)估，認(rèn)為是可行的，于2003年3月籌劃建設(shè)該技改項(xiàng)目。通過(guò)社會(huì)調(diào)查和篩選，決定選用北京利德華福公司制造的HARSVERT-A10/015高壓變頻調(diào)速裝置，并于2003年12月投入使用。實(shí)踐證明，將近5年多時(shí)間的運(yùn)用高壓變頻調(diào)速裝置是切實(shí)可行的，公司的加壓水泵明顯降低了能耗，提高了工作效率。
一、變頻器節(jié)能的理論依據(jù)
蒼南平原地區(qū)的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的用水量是不均勻的，這是由于氣候和人們生活以及生產(chǎn)規(guī)律所決定的。由于流量的變化從而影響到管網(wǎng)水頭損失的變化，尤其是地勢(shì)平坦的地區(qū)，在幾何揚(yáng)程很小的情況下，送水泵站出口所需壓力隨流量的變化更為顯著。水泵站的裝機(jī)是按最不利條件下、最大時(shí)流量和所需相應(yīng)揚(yáng)程決定的。而實(shí)際上每天內(nèi)只有很短時(shí)間能達(dá)到最大時(shí)流量，大多數(shù)時(shí)間里，水泵站都處在小流量下工作。為了適應(yīng)流量的變化，先前泵站在運(yùn)行中多采取關(guān)小出口閘門(mén)的辦法來(lái)控制流量，從而造成出口閘門(mén)前后的壓力差值(少則多米，多則幾十米)就白白地浪費(fèi)于閘門(mén)阻力上。當(dāng)水泵臺(tái)數(shù)足夠多時(shí)，是可以很好地適應(yīng)水量變化的，但是水泵型號(hào)是有限的。裝機(jī)臺(tái)數(shù)過(guò)多，不僅管理不便，而且會(huì)無(wú)謂地增大建筑面積，提高工程造價(jià)，即使這樣，也無(wú)法做到完全適應(yīng)水量變化，還需要用閘門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)水量。為此，采用水泵機(jī)組高壓變頻調(diào)速技術(shù)，可連續(xù)地改變水泵轉(zhuǎn)數(shù)，來(lái)變更水泵工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)于管網(wǎng)用水量的變化，從而提高機(jī)組效率，維持管網(wǎng)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能的效果。我們從水泵調(diào)節(jié)原理得知，當(dāng)水泵拖動(dòng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，出力為額定值，轉(zhuǎn)速及功率亦為額定值；當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，可以按需要升降電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數(shù)滿足工藝要求。根據(jù)水泵的相似定律，變速前后流量、揚(yáng)程、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：
二、國(guó)內(nèi)高壓變頻器技術(shù)現(xiàn)狀與主要分類(lèi)
由于高壓大功率交流傳動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合的限定，評(píng)價(jià)高壓變頻器的表現(xiàn)需要了解多方面的技術(shù)指標(biāo)——可靠性、冗余設(shè)計(jì)、諧波含量、損耗等等的因素。由于對(duì)高壓變頻器性能的辨識(shí)還沒(méi)有到更多技術(shù)細(xì)節(jié)的程度,因與低壓變頻器統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，高壓變頻器為解決功率器件的耐壓?jiǎn)栴}，不同廠家采用了不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而形成了多種技術(shù)流派。
1.功率器件串聯(lián)二電平電流型的代表廠商是Rockwell，早期代表產(chǎn)品有 Bulletin1557，以GTO為功率器件；近幾年，又推出了PowerFlex7000，使用SGCT替代GTO 。優(yōu)點(diǎn)是變頻器可以四象限運(yùn)行，缺點(diǎn)是功率因數(shù)隨調(diào)速曲線變化，低速時(shí)功率因數(shù)隨之變的很低。另外，只有6kV產(chǎn)品，無(wú)法適配10kV電機(jī)。
2.中性點(diǎn)鉗位三電平PWM的代表廠商是ABB和西門(mén)子。Abb公司代表產(chǎn)品有ACS1000，IGCT為功率器件；西門(mén)子公司主推SIMOVERTMV系列產(chǎn)品， 以高壓IGBT為主要功率器件；此技術(shù)方案最高輸出電壓僅有4.16kV（abb公司），不能適配10kV電網(wǎng)。
3.利德華福、羅賓康為代表的單元串聯(lián)多電平技術(shù)方案。代表產(chǎn)品有HARSVERT-A系統(tǒng)， Perfect Harmony，以低壓IGBT為功率器件，通過(guò)逆變H橋的串聯(lián)形成高壓。就目前的市場(chǎng)份額而言，以利德華福為代表的單元串聯(lián)多重化電壓源型變頻器銷(xiāo)售量占據(jù)優(yōu)勢(shì)，并且是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的主要技術(shù)類(lèi)型。其使用單元串聯(lián)多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以直接使用成熟的低壓變頻器技術(shù)方案，具有對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，輸出波形多電平，正弦度高，適配普通國(guó)產(chǎn)異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。該類(lèi)型產(chǎn)品，輸出電壓可以直接到10kV，輸出不需要加裝升壓變壓器及濾波電抗器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
4.在以上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之外，成都佳靈采用了直接串連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但這種技術(shù)的成熟度市場(chǎng)還沒(méi)有定論。如果在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定應(yīng)用的突破，將是一種極有前景的技術(shù)，將對(duì)市場(chǎng)格局產(chǎn)生重大影響。但是目前從市場(chǎng)反應(yīng)來(lái)看，成都佳靈仍然有很長(zhǎng)的一段路要走。
三、系統(tǒng)方案
根據(jù)實(shí)際情況確定的調(diào)速方案為：選擇1、2號(hào)泵為可調(diào)速水泵，正常運(yùn)行時(shí)其中任一臺(tái)運(yùn)行于調(diào)速狀態(tài)，而另一臺(tái)泵作為備用，也可隨時(shí)投入工頻狀態(tài)運(yùn)行。兩臺(tái)泵運(yùn)行狀態(tài)的切換采用手動(dòng)方式。并要求兩臺(tái)泵不能同時(shí)投入變頻狀態(tài)，或同時(shí)投入工頻狀態(tài)運(yùn)行，對(duì)此要求，在設(shè)計(jì)旁路切換柜時(shí)特別設(shè)計(jì)了機(jī)械聯(lián)鎖裝置 。開(kāi)環(huán)或閉環(huán)自動(dòng)恒壓供水，帶閥門(mén)聯(lián)動(dòng)功能。
變頻器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接口如圖1所示：
圖1：變頻器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接口圖
其中：高壓緊急分?jǐn)嘈盘?hào)與KM1高壓開(kāi)關(guān)控制跳閘回路并聯(lián)，高壓合閘允許信號(hào)與KM1高壓開(kāi)關(guān)控制合閘回路串聯(lián)，M1、M2閥門(mén)開(kāi)全，關(guān)嚴(yán)信號(hào)取自閥門(mén)行程開(kāi)關(guān)的空節(jié)點(diǎn)。M1、M2閥門(mén)開(kāi)閥，關(guān)閥信號(hào)與閥門(mén)開(kāi)閥，關(guān)閥控制回的開(kāi)關(guān)閥按鈕并聯(lián)。M1、M2，水泵重故障信號(hào)取自水泵控制保護(hù)柜的空節(jié)點(diǎn)。
變頻器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一次接線如圖2所示：
圖2：變頻器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一次接線圖
四、 恒壓供水系統(tǒng)原理及PID調(diào)整
由于蒼南平原引供水公司泵站是新改建工程，用水負(fù)荷需要在實(shí)際運(yùn)行時(shí)進(jìn)行精確調(diào)整和測(cè)量，因此采用的是恒壓供水系統(tǒng)，其工作原理如圖3所示，測(cè)量元件為壓力傳感器，將它設(shè)在水泵機(jī)組出水口，Vi為恒定供水壓力設(shè)定值，供水壓力V作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器內(nèi)部的PLC采集供水壓力值V與用戶給定值Vi進(jìn)行比較和運(yùn)算，通過(guò)PID進(jìn)行調(diào)整，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)送至變頻器，直至達(dá)到供水壓力的給定值Vi。不管系統(tǒng)供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。
由于蒼南平原引供水公司泵站是新改建工程，用水負(fù)荷需要在實(shí)際運(yùn)行時(shí)進(jìn)行精確調(diào)整和測(cè)量，因此采用的是恒壓供水系統(tǒng)，其工作原理如圖3所示，測(cè)量元件為壓力傳感器，將它設(shè)在水泵機(jī)組出水口，Vi為恒定供水壓力設(shè)定值，供水壓力V作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器內(nèi)部的PLC采集供水壓力值V與用戶給定值Vi進(jìn)行比較和運(yùn)算，通過(guò)PID進(jìn)行調(diào)整，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)送至變頻器，直至達(dá)到供水壓力的給定值Vi。不管系統(tǒng)供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。
圖3：恒壓供水系統(tǒng)工作原理框圖
1.在PID控制中，比例增益P加大，會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，P偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。當(dāng)P太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。若P太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢；
2.積分I的作用主要是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。但過(guò)強(qiáng)的積分作用使供水系統(tǒng)超調(diào)加大。所以在調(diào)節(jié)過(guò)程初期，應(yīng)減弱積分作用，防止產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象；而到過(guò)程后期，應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)積分作用，以提高控制精度。
3.微分D的作用主要是改善供水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。增大微分時(shí)間，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但抑制外擾能力下降。所以微分時(shí)間常數(shù)應(yīng)該在供水系統(tǒng)控制要求的前提下而隨機(jī)改變。即在調(diào)節(jié)過(guò)程初期，應(yīng)加大微分的作用，以減小超調(diào)；在調(diào)節(jié)過(guò)程中、后期，應(yīng)不斷減小微分時(shí)間，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)還可以縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。
泵站變頻器在運(yùn)行初期，供水系統(tǒng)采用恒壓閉環(huán)控制，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)運(yùn)行頻率曲線呈鋸齒波，上下波動(dòng)幅度較大，因此對(duì)PID系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，將P由1改為0.06、I由0.2改為0.5。通過(guò)幾次逐步調(diào)整，現(xiàn)運(yùn)行曲線較為平緩，波動(dòng)幅度相當(dāng)小。變頻器根據(jù)偏差相應(yīng)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)離目標(biāo)參數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)幅度加快，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，維持供水系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定狀態(tài)。
六、應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能效果
根據(jù)泵站供水系統(tǒng)改造之前一個(gè)月的報(bào)表計(jì)算得1000t水耗電率為98度電，改造之后的一個(gè)月1000t水耗電率為92度電. 分析泵站一年可節(jié)電(98-92)×70×360=15120度電。并且隨著供水量的增加泵站供水系統(tǒng)采用一臺(tái)工頻，一臺(tái)變頻兩臺(tái)高壓電動(dòng)機(jī)供水方式節(jié)能效果更顯著?，F(xiàn)在泵站供水量隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展日供水量已達(dá)到9.5萬(wàn)噸。根據(jù)運(yùn)行節(jié)能分析的需要對(duì)泵站供水系統(tǒng)泵的運(yùn)行組合方式進(jìn)行測(cè)試結(jié)果如下表
|
序 號(hào) |
時(shí) 間 |
運(yùn)行方式 |
運(yùn)行壓力Mpa |
供水量T |
用電量kW·h |
耗電率 |
|
1 |
2007.6.12 |
工 頻 |
0.22 |
88630 |
8740 |
98.5 |
|
2 |
2007.6.13 |
工 頻 |
0.22 |
87962 |
8620 |
98 |
|
3 |
2007.6.14 |
工 頻 |
0.22 |
89762 |
8820 |
98.3 |
|
4 |
2007.6.15 |
變 頻 |
0.22 |
89890 |
8280 |
92.1 |
|
5 |
2007.6.16 |
變 頻 |
0.22 |
88760 |
8120 |
91.5 |
|
6 |
2007.6.17 |
變 頻 |
0.22 |
89356 |
8220 |
92 |
七、應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)生產(chǎn)的其他效果
1.改善了工藝。在實(shí)際生產(chǎn)操作過(guò)程中，泵的參數(shù)（尤其是流量）需時(shí)常調(diào)整，不僅需要調(diào)節(jié)參數(shù)，而且備用設(shè)備需時(shí)常切換。根據(jù)工藝的變動(dòng)，工藝參數(shù)又主要通過(guò)調(diào)節(jié)出口閥來(lái)控制，人工關(guān)小或開(kāi)大閥門(mén)不僅費(fèi)事，速度慢，也縮短閥門(mén)的壽命（填料及閥桿的磨損）采用變頻調(diào)速就不用調(diào)節(jié)出口閥，只需要控制室內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可。變頻啟動(dòng)轉(zhuǎn)速可以從零開(kāi)始逐漸升高，因此帶負(fù)荷直接啟動(dòng)不會(huì)有較大的啟動(dòng)電流，避免了通常泵組首先關(guān)閉出口閥后再啟動(dòng)的要求（無(wú)載啟動(dòng)是為了降低啟動(dòng)電流，保護(hù)電機(jī)）。
2.維護(hù)量減少。采用變頻調(diào)速后，可能避免因通過(guò)閥門(mén)控制使泵過(guò)多偏離額定工作區(qū)而引起的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起懸臂泵軸頭斷裂。通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了降低泵的轉(zhuǎn)速。由于啟動(dòng)緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長(zhǎng)了許多零部件，特別是密封、軸承的壽命。
3.工作強(qiáng)度降低。由于調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備間實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制，機(jī)組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報(bào)警，操作工作由動(dòng)手轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無(wú)人操作，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運(yùn)營(yíng)提供了可靠保證。
4.減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流只是額定電流，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)無(wú)大的沖擊，減輕了啟動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)機(jī)械損傷，有效的延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。
八、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的問(wèn)題與改善
高壓變頻器在安裝時(shí)對(duì)安裝的環(huán)境考慮不周到,引起夏天高壓變頻器運(yùn)行溫度偏高需要安裝空調(diào)才能滿足高壓變頻器運(yùn)行溫度的要求并且室內(nèi)環(huán)境溫度偏高，引起變頻器頻繁過(guò)熱保護(hù)。而且空調(diào)的可靠性會(huì)影響變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行，空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用偏高，我們根據(jù)本站變頻器的運(yùn)行和環(huán)境情況對(duì)目前高壓變頻器的三種冷卻方式進(jìn)行分析決定采用安裝風(fēng)道加空調(diào)的方式進(jìn)行改造，利用變頻器原有的排風(fēng)扇加裝通風(fēng)通道將熱風(fēng)引出室外，改裝散熱風(fēng)道及空調(diào)后問(wèn)題解決。另外，由于泵站處于平原地帶，夏季雷雨臺(tái)風(fēng)季節(jié)，雷電頻繁，變頻器因此出現(xiàn)異常。后通過(guò)改善接地，加裝避雷裝置，問(wèn)題得到一定解決。
結(jié) 束 語(yǔ)
高壓變頻器控制水泵機(jī)組，大大改善了供水、凈水生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，完全達(dá)到了生產(chǎn)工藝要求。PLC控制技術(shù)、Profibus總線技術(shù)和高壓變頻技術(shù)的完美結(jié)合，使得集成自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，節(jié)能高效明顯等優(yōu)點(diǎn)。
蒼南平原引供水公司高壓變頻器控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，對(duì)于節(jié)約電能、提高效益、技術(shù)創(chuàng)新，都具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，值得推廣。
但要想送水泵站每臺(tái)泵實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，就要研究其定性與定量的運(yùn)行規(guī)律。根據(jù)蒼南平原引供水公司地區(qū)用水曲線、出廠壓力與管網(wǎng)壓力控制點(diǎn)，清水池水位等參數(shù)，正在建立優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，下一步定量控制泵站定速與變頻調(diào)速機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行時(shí)的流量、揚(yáng)程、效率變化規(guī)律。這樣可以根據(jù)用戶對(duì)于用水量與揚(yáng)程要求，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制。這種方式實(shí)現(xiàn)之時(shí)，便可以滿足用戶對(duì)水量、水壓的需要，又達(dá)到明顯降低電耗的目的，這是我們面臨的一個(gè)艱巨的、必須攻克的難題。送水泵房水泵機(jī)組調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效果很明顯，比不調(diào)速節(jié)能8％左右，而且設(shè)備運(yùn)行可靠，操作維護(hù)方便，由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了泵站優(yōu)化控制和現(xiàn)代化管理。要繼續(xù)努力，力爭(zhēng)將送水泵房水泵機(jī)組調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效果更明顯，比不調(diào)速節(jié)能15％左右，將蒼南平原引供水公司供水泵站建成國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平的泵站。
參考文獻(xiàn)
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RT-A高壓變頻調(diào)速技術(shù)培訓(xùn)教材。北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
（轉(zhuǎn)載）
