1 引言

　　隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，變頻器的使用越來(lái)越廣泛。高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是上世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型電力傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)，主要用于交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。目前高壓電動(dòng)機(jī)中拖動(dòng)的負(fù)載近70%是風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)，其中一半適合調(diào)速。從高壓變頻器的一般使用情況來(lái)看，平均節(jié)電率可達(dá)30%，在技術(shù)改造項(xiàng)目中，高壓變頻器的投入和使用，其節(jié)能效果是顯而易見(jiàn)的。高壓變頻器經(jīng)過(guò)多年的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行證明，它用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)設(shè)備節(jié)電效果顯著，性能穩(wěn)定、可靠性高。既節(jié)約了能源，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，且大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。變頻調(diào)速以其顯著的節(jié)能效益、高精確的調(diào)速精度、寬的調(diào)速范圍、完善的保護(hù)功能，以及易于實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)通信功能，得到了廣大用戶的認(rèn)可和市場(chǎng)的確認(rèn)，在運(yùn)行的安全可靠、安裝使用、維修維護(hù)等方面，也給使用者帶來(lái)了極大的便利和快捷的服務(wù)，使之成為企業(yè)采用電機(jī)節(jié)能方式的首選。

2 改造方案

　　過(guò)去冷卻水循環(huán)水泵均不調(diào)速，利用出口閥門(mén)開(kāi)度大小來(lái)控制水流量和管網(wǎng)壓力，由于設(shè)備的選擇都是按最大負(fù)荷情況來(lái)選型，在實(shí)際運(yùn)行中設(shè)備留有較大的裕量，冷卻循環(huán)水的流量與壓力是通過(guò)冷卻循環(huán)水泵出、入口管上的調(diào)節(jié)閥來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率較低，電能浪費(fèi)大。為降低企業(yè)生產(chǎn)成本，經(jīng)過(guò)調(diào)研與比較，反復(fù)論證，決定選用上海衛(wèi)能能源科技有限公司生產(chǎn)的znr系列智能高壓變頻器對(duì)d#空分a#、b#、c#3臺(tái)循環(huán)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造，以解決能源浪費(fèi)問(wèn)題。znr-a6h1250/06ya10型智能高壓變頻器，額定電壓為6kv，額定容量為1250kva，6級(jí)h橋級(jí)聯(lián)拓?fù)浞绞?，適配電機(jī)為異步電機(jī)，采用“一”字排列安裝形式，控制程序版本為a10型。

　　d#空分循環(huán)水系統(tǒng)要求運(yùn)行可靠性高，為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，考慮到變頻調(diào)速系統(tǒng)退出運(yùn)行后不影響生產(chǎn)，確保循環(huán)水系統(tǒng)正常運(yùn)行，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)為變頻器加裝工頻旁路裝置，當(dāng)變頻器因故障時(shí)，變頻器退出運(yùn)行，可將電機(jī)直接手動(dòng)切換到電源工頻情況下運(yùn)行，恢復(fù)到原有系統(tǒng)的運(yùn)行方式。

3 系統(tǒng)的配置與工作原理

　　znr系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)“一”字布置，由旁路柜1面、變壓器柜1面、功率逆變柜和控制柜1面、連接電纜1套等組成，其中功率柜與控制柜合1。

　　旁路柜：根據(jù)需要選用，該組件在系統(tǒng)故障情況下將電機(jī)切換至工頻電網(wǎng)，執(zhí)行旁路功能。

　　變壓器柜：裝有移相整流變壓器，為各個(gè)功率單元提供交流輸入電壓。

　　功率柜和控制柜：裝有模塊化設(shè)計(jì)的多個(gè)功率單元級(jí)聯(lián)式的逆變主回路，向電機(jī)提供變頻后的輸出電壓。裝有主控部件，控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作并處理通過(guò)采集獲得的數(shù)據(jù)，具備各類(lèi)數(shù)據(jù)通信和dcs控制接口功能。

　　高壓變頻系統(tǒng)配備旁路柜，工頻旁路由2個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)k1、k2組成，其中qf為用戶高壓開(kāi)關(guān)柜原有高壓斷路器。變頻運(yùn)行時(shí)，k1和k2閉合，切換k2至變頻運(yùn)行位置；工頻運(yùn)行時(shí)，k1斷開(kāi)，k2閉合，切換k2至工頻運(yùn)行位置。當(dāng)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制器自動(dòng)跳開(kāi)qf，操作員打開(kāi)k1，切換k2至工頻運(yùn)行位置?？蓪㈦姍C(jī)轉(zhuǎn)切至工頻運(yùn)行，此時(shí)變頻調(diào)速系統(tǒng)從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。為了實(shí)現(xiàn)變頻器故障的保護(hù)，高壓變頻器對(duì)6kv開(kāi)關(guān)qf進(jìn)行聯(lián)鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開(kāi)qf，工頻旁路時(shí)，變頻器允許qf合閘，撤消對(duì)qf的跳閘信號(hào)，使電機(jī)能正常通過(guò)qf合閘工頻啟動(dòng)。循環(huán)水泵變頻調(diào)速節(jié)能改造主回路電氣原理圖如圖1所示。

　　znr系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有強(qiáng)大的自動(dòng)控制和通信功能，高壓變頻裝置投運(yùn)后，電機(jī)運(yùn)行方式以變頻運(yùn)行為主，裝置具備手動(dòng)旁路功能，在變頻裝置出現(xiàn)故障后，可以旁路工頻運(yùn)行。高壓變頻裝置現(xiàn)場(chǎng)電控箱可以實(shí)現(xiàn)變頻器的啟動(dòng)、停止，具有運(yùn)行、停止指示，具有電機(jī)電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示，可以根據(jù)負(fù)荷情況調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)電位器改變變頻器輸出頻率，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。工藝dcs控制室具有電機(jī)運(yùn)行電流指示，運(yùn)行狀態(tài)顯示，故障跳閘顯示，并具有dcs手操急停功能。高壓變頻裝置本身具有功能完善的各項(xiàng)保護(hù)，電源斷路器引入高壓變頻裝置保護(hù)連鎖，在變頻裝置不具備運(yùn)行條件時(shí)電源斷路器不能合閘，同時(shí)在高壓變頻裝置故障跳閘后聯(lián)跳電源斷路器。循環(huán)水泵變頻調(diào)速節(jié)能改造控制回路電氣原理圖如圖2所示。

4 循環(huán)水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析

　　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、壓力、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：q1/q2=n1/n2；h1/h2=（n1/n2）2；p1/p2=（n1/n1）3。其中：q1、h1、p1—水泵在n1轉(zhuǎn)速時(shí)的流量、壓力、功率；q2、h2、p2—水泵在n2轉(zhuǎn)速時(shí)相似工況下的流量、壓力、功率。假如轉(zhuǎn)速降低一半，即：n1/n2=1/2，則p2/p1=1/8，可見(jiàn)降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)速由n1降為n2時(shí)，水泵的額定工作參數(shù)q、h、p都降低了。但效率值基本是一樣的。也就是說(shuō)當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，額定工作參數(shù)相應(yīng)降低，但效率不會(huì)降低。

　　因此在滿足操作要求的前提下，水泵仍能在同樣甚至更高的效率下工作。降低了轉(zhuǎn)速，流量就不再用關(guān)小閥門(mén)來(lái)控制，閥門(mén)始終處于全開(kāi)狀態(tài)，避免了由于關(guān)小閥門(mén)引起的壓力損失增加，也就避免了總效率的下降，確保了能源的充分利用。工頻50hz電網(wǎng)直接啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械沖擊較大，聲響很大，啟動(dòng)一次的損耗電能高。而變頻軟起動(dòng)損耗很小，只有上述損耗電能的1/10，則每年的起動(dòng)節(jié)能也是很可觀的。當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，50hz滿載時(shí)功率因數(shù)為接近1，工作電流比電機(jī)額定電流值要低許多，這是由于變頻裝置的內(nèi)濾波電容產(chǎn)生的改善功率因數(shù)的作用，可以為電網(wǎng)節(jié)約容量20%左右。

5 循環(huán)水泵參數(shù)和工況

　　d#空分3臺(tái)循環(huán)水泵的參數(shù)相同，水泵為濟(jì)南奔騰泵業(yè)有限公司生產(chǎn)btow600-710型，額定轉(zhuǎn)速970r/min，效率85％，供水6000m3/h，揚(yáng)程50m。拖動(dòng)循環(huán)水泵的3臺(tái)電動(dòng)機(jī)為ykk5603-6型，額定功率1120kw，額定電壓6kv，額定電流124.6a，功率因數(shù)cos=0.87，額定轉(zhuǎn)速992.2r/min，f級(jí)絕緣，繞組y接，哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

　　a#、b#、c#、d#、e#5臺(tái)循環(huán)水泵采用閉式循環(huán)水系統(tǒng)，補(bǔ)給水經(jīng)化學(xué)弱酸陽(yáng)離子交換器處理后的軟化水。循環(huán)水泵采用單元制供水系統(tǒng)，即每臺(tái)機(jī)組配1座冷卻塔，1條壓力循環(huán)水管，1條雙孔自流水溝和1臺(tái)循環(huán)水泵。冷卻水塔采用風(fēng)筒式逆流自然通風(fēng)冷卻塔，通風(fēng)筒為雙曲線旋轉(zhuǎn)殼。在循環(huán)供水系統(tǒng)中，是由循環(huán)水泵實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用的。經(jīng)熱交換后的熱水進(jìn)入冷卻設(shè)施進(jìn)行冷卻，使其水溫降至允許值，然后又重復(fù)將冷卻水輸入冷卻器而循環(huán)使用，由于系統(tǒng)水位基本上是穩(wěn)定的，故循環(huán)水泵的揚(yáng)程也基本穩(wěn)定，而其容量按計(jì)算水量確定。循環(huán)水泵隨機(jī)組長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，由于機(jī)組負(fù)荷經(jīng)常變化，需要及時(shí)調(diào)整循環(huán)水流量，以保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在正常運(yùn)行工況，5臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行3臺(tái)，另2臺(tái)循環(huán)水泵備用。即使在同一負(fù)荷的情況下，不同的外部環(huán)境也使得循環(huán)水流量的需求不同。利用高壓變頻器根據(jù)實(shí)際需要對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行調(diào)速控制，從而既保證和改善運(yùn)行工藝，又可達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

　　znr系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)正式投入運(yùn)行前，應(yīng)仔細(xì)檢查廠家給出的znr智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制器功能基本參數(shù)所述內(nèi)容是否都正確設(shè)置了，并對(duì)znr系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制器功能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

6 改造前后運(yùn)行情況

　　本次只對(duì)5臺(tái)并聯(lián)水泵中的3臺(tái)進(jìn)行改造，正常運(yùn)行工況為3臺(tái)變頻。由于季節(jié)及晝夜溫度的差別使得變頻系統(tǒng)的運(yùn)行有著特殊性，管網(wǎng)總出口的壓力取決于2臺(tái)并聯(lián)水泵各自的出口壓力，從而決定了變頻泵不可能在太低的頻率下運(yùn)行，否則會(huì)引起倒流或不出水的情況。另一方面，太低的頻率會(huì)導(dǎo)致整體壓力下降，達(dá)不到循環(huán)水系統(tǒng)總體的揚(yáng)程要求，處于工頻定速運(yùn)行的水泵也易導(dǎo)致過(guò)流發(fā)生。根據(jù)以往的運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在工頻泵與變頻泵同進(jìn)運(yùn)行的情況下，應(yīng)使變頻泵最低的頻率保持在38hz以上，在變頻泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，變頻器可以根據(jù)需要在5-45hz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)（變頻泵調(diào)節(jié)的頻率必須滿足水泵出口壓力最低要求），這樣可以滿足運(yùn)行需要，同時(shí)可對(duì)出水量進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)。

　　⑴工頻（50hz）運(yùn)行時(shí)，輸入電壓6kv，輸入電流數(shù)據(jù)為：

　　3月27日14:30輸入電流103.8a；

　　3月27日21:35輸入電流106.4a；

　　3月28日08:00輸入電流105.2a；

　　3月28日21:00輸入電流104.8a；

　　3月29日06:25輸入電流104.1a；

　　工頻運(yùn)行時(shí)，平均電流i1=104.86a，功率因數(shù)cosφ1=0.85。

　?、谱冾l運(yùn)行時(shí)，輸入電壓6kv，運(yùn)行頻率和輸入電流數(shù)據(jù)為：

　　3月27日11:00頻率41.55hz，輸入電流67.5a；

　　3月27日12:00頻率41.55hz，輸入電流67.6a；

　　3月27日13:00頻率41.55hz，輸入電流67.7a；

　　3月27日14:00頻率41.55hz，輸入電流67.7a；

　　變頻運(yùn)行時(shí)，平均電流i2=67.63a，功率因數(shù)cosφ2=0.98。

7 改造效果

　　7.1 變頻改造前、后的節(jié)能計(jì)算

　　假如全年運(yùn)行時(shí)間為330天，根據(jù)本廠的上網(wǎng)電價(jià)，可知變頻改造后每年節(jié)省用電=（i1cosφ1-i2cosφ2）×6×1.732×24×330=1449434kw·h。每年節(jié)省電費(fèi)= 1449434kw·h×0.5元/kw·h=72.5萬(wàn)元。由41hz運(yùn)行計(jì)算知，每年可以節(jié)電約1449434kw·h，節(jié)省電費(fèi)約72.5萬(wàn)元，不到2年時(shí)間就可收回全部投資。變頻運(yùn)行時(shí)節(jié)電率達(dá)到40%。據(jù)統(tǒng)計(jì)設(shè)備運(yùn)行頻率在35hz就可以達(dá)到工藝要求的出水壓力，而春冬秋三個(gè)季節(jié)設(shè)備完全可以在35 hz運(yùn)行，故節(jié)電率可達(dá)到50%左右。

　　7.2 其它效益分析

　　（1）電源側(cè)功率因數(shù)提高。原電機(jī)直接由工頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，功率因數(shù)為0.8～0.86，采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)后，電源側(cè)的功率因數(shù)可提高到0.95以上，可減少大量無(wú)功功率，進(jìn)一步節(jié)約了上游設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。

　?。?）循環(huán)水泵采用變頻調(diào)速后，由于通過(guò)降低電機(jī)水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能，電機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速降低，管網(wǎng)壓力降低，輔助設(shè)備如軸承、閥門(mén)等磨損大大減輕，設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用下降，維護(hù)周期可加長(zhǎng)，設(shè)備運(yùn)行壽命可延長(zhǎng)。

　?。?）采用高壓變頻調(diào)速后，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流不超過(guò)電機(jī)額定電流的1.2倍，避免了全壓?jiǎn)?dòng)對(duì)電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)的沖擊，降低了電動(dòng)機(jī)的故障率，延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)使用壽命，維護(hù)周期增長(zhǎng)，電機(jī)檢修費(fèi)用可大幅降低。

8 結(jié)束語(yǔ)

　　設(shè)備改造工程于2008年11月完成，高壓變頻器一次試車(chē)成功，運(yùn)行正常，運(yùn)行頻率在40hz左右，保證了循環(huán)水的正常溫度。循環(huán)水泵在采用znr智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行變頻技術(shù)改造后，取得了明顯的節(jié)電效果，并獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為電廠高壓電機(jī)的節(jié)能改造積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。高壓變頻調(diào)速器的大面積的采用，將大大促進(jìn)廠用電率的降低。高壓變頻調(diào)速器的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行證明，它用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)設(shè)備節(jié)電效果顯著，性能穩(wěn)定、可靠性高。既節(jié)約了能源，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，且大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。