【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(dòng)控制水平，達(dá)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(jìn)一步做好企業(yè)節(jié)能降耗挖潛工作，我公司動(dòng)力工作部對(duì)所屬供水系統(tǒng)水泵類設(shè)備運(yùn)行工況進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)目前水泵實(shí)際運(yùn)行效率不高，其主要原因是水泵的調(diào)速性能差；運(yùn)行點(diǎn)遠(yuǎn)離水泵的最高效率點(diǎn)；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(fèi)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(duì)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行造成影響同時(shí)也造成能源浪費(fèi)。

目前運(yùn)行的水泵流量裕度為20%-30%，壓力裕度為15%-25%。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過程中，很難準(zhǔn)確地計(jì)算出管網(wǎng)阻力，并考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行過程中可能發(fā)生的各種問題，通?？偸前严到y(tǒng)的最大流量和壓力富裕量作為選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)的設(shè)計(jì)值。但風(fēng)機(jī)、水泵的型號(hào)和系列是有限的，往往在選用不到合適的風(fēng)機(jī)型號(hào)時(shí)，只好往大機(jī)號(hào)上靠。因此，風(fēng)機(jī)、水泵的流量和壓力富裕度達(dá)20%-30%是比較常見的。

水泵的電機(jī)隨著工藝變化的需求經(jīng)常運(yùn)行在“大馬拉小車”與低負(fù)荷或變負(fù)荷狀態(tài)下，使電機(jī)消耗的電能中有相當(dāng)部分以發(fā)熱、鐵損、噪音與振動(dòng)等形式浪費(fèi)掉。造成電機(jī)運(yùn)行效率很低的主要原因是電機(jī)偏離最佳效率的額定功率運(yùn)行。電機(jī)負(fù)載怎么變化，電機(jī)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(dòng)機(jī)的運(yùn)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(jī)的運(yùn)行與工藝變化結(jié)合，達(dá)到良好的匹配，能達(dá)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(jìn)性、可靠性以及高性能價(jià)格比角度考慮,我們選用北京動(dòng)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(dòng)設(shè)備，廣泛適用于各種風(fēng)機(jī)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(jī)發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、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(dòng)旁路柜的設(shè)計(jì)主回路的簡(jiǎn)圖如下：

一拖一手動(dòng)旁路方案系統(tǒng)一次接線如下：

一拖一手動(dòng)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(yùn)行時(shí)：斷開QS1，閉合QS2和QS3；

工頻運(yùn)行時(shí)：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(jìn)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(dòng)機(jī)； 10kV電源還可以經(jīng)旁路刀閘QS1直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。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(shí)閉合。

旁路作用：

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

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

變頻系統(tǒng)旁路設(shè)備組成：

旁路設(shè)備由1臺(tái)柜組成，高壓開關(guān)柜QF1，電動(dòng)機(jī)M為現(xiàn)場(chǎng)原有設(shè)備。

一拖一手動(dòng)方案適配手動(dòng)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(jìn)線端的三個(gè)絕緣端子為高壓帶電顯示裝置HL1.2的三個(gè)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(gè)功率單元為一個(gè)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(dòng)機(jī)供電。根據(jù)串聯(lián)單元級(jí)數(shù)的不同，產(chǎn)品分為3kV、6kV、10kV三個(gè)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(zhǎng)、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。10kV系列為功率單元24個(gè)，延邊三角形接法，為每個(gè)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(gè)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(guó)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(duì)電壓和電流最嚴(yán)格的諧波失真要求。無需任何功因補(bǔ)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(dòng)機(jī)諧波損耗小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，無明顯電動(dòng)機(jī)噪聲。電動(dòng)機(jī)不需降額使用。輸出dV/dt和共模電壓小，對(duì)電動(dòng)機(jī)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(jī)界面組成?？刂破饔晒饫w板，信號(hào)板，主控板和電源板組成。各部分之間的聯(lián)系如下圖。

人機(jī)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(shí)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(jì)算出電流、電壓、功率、運(yùn)行頻率等運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的過載、過流告警和保護(hù)。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(shí)時(shí)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(hào)以及現(xiàn)場(chǎng)操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的邏輯處理，增強(qiáng)了變頻器現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)負(fù)載，軸功率P與流量Q，揚(yáng)程H的關(guān)系為：

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

(1)

(2)

(3)

可見流量Q和電機(jī)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(shí)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)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(shí)所需功率將僅為原來的51.2％。

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

水泵運(yùn)行曲線圖

當(dāng)所需風(fēng)量、流量從Q1減小到Q2時(shí)，如果采用調(diào)節(jié)閥門的辦法，管網(wǎng)阻力將會(huì)增加，管網(wǎng)特性曲線上移，系統(tǒng)的運(yùn)行工況點(diǎn)從A點(diǎn)變到新的運(yùn)行工況點(diǎn)B點(diǎn)運(yùn)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(jī)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(yùn)行工況點(diǎn)由:

A點(diǎn)移至C點(diǎn)。此時(shí)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(shí)踐的統(tǒng)計(jì)，水泵通過調(diào)速控制可節(jié)能20％～50％，有些風(fēng)機(jī)負(fù)載節(jié)能比例更高。

4. 節(jié)能分析及經(jīng)濟(jì)效益

4. 1 節(jié)能分析

經(jīng)過改造前對(duì)用電系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)電能主要浪費(fèi)在分配系統(tǒng)層面的效率、負(fù)荷側(cè)設(shè)備運(yùn)行的效率。針對(duì)此用電系統(tǒng)所存在的問題，結(jié)合節(jié)電的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)部分運(yùn)行狀況參數(shù)需要經(jīng)常調(diào)整，以及通過閥門進(jìn)行節(jié)流控制的水泵組電機(jī)進(jìn)行變頻改造，以改善用電負(fù)載的運(yùn)行狀況，達(dá)到優(yōu)化設(shè)備運(yùn)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(yùn)行的水泵的可行性主要反映在以下幾個(gè)方面：

（1） 原機(jī)組的電機(jī)起動(dòng)時(shí)會(huì)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(jī)起動(dòng)時(shí)電流平緩上升，沒有任何沖擊。另外，大功率電機(jī)停機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的反生沖擊電流，對(duì)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(jī)實(shí)現(xiàn)軟停，避免反生電流造成的危害，有利于延長(zhǎng)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(dòng)閥門全部打開，降低管網(wǎng)阻力。

（4）通過調(diào)整電機(jī)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(yùn)行時(shí)的噪音及振動(dòng)，提高工作環(huán)境的舒適程度和延長(zhǎng)設(shè)備檢修周期。

4. 2變頻調(diào)速運(yùn)行效果

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

當(dāng)電機(jī)頻率下降時(shí)，電機(jī)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(dá)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(jī)原來的轉(zhuǎn)速，P0為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下的電機(jī)消耗功率，Q0為原電機(jī)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(jì)，每年可節(jié)約用電1078.64萬度，節(jié)約電費(fèi)539.319萬元，設(shè)備運(yùn)行30個(gè)月即可收回全部投資。

以上數(shù)據(jù)均為每天24小時(shí)，每月30天，電價(jià)按0.5元/KW.H計(jì)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(duì)進(jìn)線變壓器進(jìn)行耐壓實(shí)驗(yàn)，可分三次以上不同的時(shí)間進(jìn)行，完成之后，才能對(duì)高壓變頻器通電進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試時(shí)的速度由變頻器直接輸出，從10%到100%的額定速度，分段進(jìn)行速度給定，這期間注意高壓變頻器及電機(jī)等設(shè)備運(yùn)行情況。當(dāng)運(yùn)行正常后，即可開始帶負(fù)荷運(yùn)行，速度也是由10%到100%的額定速度給定分階段進(jìn)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(shí)間，不能過快，否則變頻器會(huì)報(bào)故障而停機(jī)，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(hào)或上位機(jī)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(hào)的穩(wěn)定性和通訊狀態(tài)的穩(wěn)定。變頻器設(shè)備會(huì)產(chǎn)生較大的電磁干擾信號(hào)，對(duì)于模擬信號(hào)的傳輸影響很大。因此，設(shè)計(jì)、施工時(shí)做好接地工作、選用屏蔽電纜之外，最好對(duì)信號(hào)電纜穿鐵管加以屏蔽。信號(hào)類型選擇電流信號(hào)而不要選用電壓信號(hào)。對(duì)于長(zhǎng)距離的控制信號(hào)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(hào)丟失保護(hù)和連鎖程序。

另外鑒于風(fēng)機(jī)水泵負(fù)載特性在進(jìn)行恒壓或恒流量閉環(huán)控制時(shí)加上最低運(yùn)行頻率設(shè)置，以免在調(diào)節(jié)時(shí)進(jìn)入死區(qū)，造成水泵斷水或風(fēng)機(jī)運(yùn)行在臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)上，造成設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定。

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