彭學(xué)超　潘　彬

荊門(mén)市供水總公司

高壓變頻器在水泵改造中的應(yīng)用

彭學(xué)超潘彬

荊門(mén)市供水總公司

介紹了高壓變頻器在恒速水泵節(jié)能改造中的應(yīng)用。改造后能夠滿(mǎn)足全天供水量的頻繁變化與調(diào)節(jié)，可確保恒壓供水。通過(guò)與改造之前的運(yùn)行單耗比較，證實(shí)變頻改造的節(jié)能效果顯著，同時(shí)提高了設(shè)備和系統(tǒng)的安全可靠性。

高壓變頻；恒壓供水；節(jié)能降耗

荊門(mén)市供水總公司第三水廠是城區(qū)主供水廠，日供水10萬(wàn)t。擁有三臺(tái)500 kVA的大型送水泵機(jī)。1號(hào)機(jī)組額定電壓690 V，通過(guò)ACS 600變頻柜實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，最大供水能力3 800 m3/h。2號(hào)和3號(hào)機(jī)組額定電壓10 kV，工頻恒速運(yùn)行，供水能力為單臺(tái)4 000 m3/h。正常運(yùn)行過(guò)程中，為了控制供水管網(wǎng)壓力，防止爆管，采用變頻泵加工頻泵配合使用的方式進(jìn)行恒壓供水。

由于現(xiàn)有1號(hào)變頻設(shè)備已運(yùn)行18年，元器件老化，且部分零配件調(diào)貨周期較長(zhǎng)，可靠性嚴(yán)重下降。若出現(xiàn)意外故障，水廠將無(wú)備用變頻機(jī)組對(duì)供水流量進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，只能通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)輸水管蝶閥開(kāi)啟程度的方式來(lái)控制出水流量，這樣勢(shì)必造成能量損失，在實(shí)際運(yùn)行中浪費(fèi)大量能源。為避免影響供水安全，同時(shí)考慮到節(jié)能降耗的問(wèn)題，我司決定對(duì)2號(hào)工頻泵機(jī)組進(jìn)行變頻改造，使設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行，降低維護(hù)成本，減少電能消耗。

1　可行性分析

根據(jù)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式：

式中：s為轉(zhuǎn)差；p電機(jī)極對(duì)數(shù)；?——電機(jī)運(yùn)行頻率。

可知，對(duì)于我司現(xiàn)有設(shè)備而言，轉(zhuǎn)差和極對(duì)數(shù)均為電機(jī)的固有屬性，不易改變。若需實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，達(dá)到節(jié)能降耗目的，從電機(jī)運(yùn)行頻率上著手較為容易?？紤]到設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行需求，頻率值在35～50 Hz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)比較合適。

根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)的基本定律，在管網(wǎng)阻力特性不變的情況下，離心式水泵屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q、壓力（揚(yáng)程）H以及軸功率P滿(mǎn)足如下關(guān)系：

也就是說(shuō)，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至50%時(shí)，流量Q將隨之下降至50%，揚(yáng)程H將下降至25%，功率P將下降至12.5%，理論上的節(jié)能效果是非常可觀的。

圖1　水泵的運(yùn)行曲線圖

現(xiàn)從水泵的運(yùn)行曲線圖（圖1）來(lái)分析不采用變閥調(diào)節(jié)，而采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果。

當(dāng)水泵運(yùn)行在工況點(diǎn)A時(shí)，流量為Q1，壓力為H1，其軸功率P1與面積Q1×H1成正比，如果水泵速度不變，采用變閥調(diào)節(jié)，則管網(wǎng)阻力增加，管網(wǎng)特性曲線上移，水泵的運(yùn)行工況點(diǎn)從A點(diǎn)移到B點(diǎn)，所需軸功率P2與面積Q2×H2成正比。同時(shí)也可以看到Q1×H1與Q2×H2相比，其所需軸功率并無(wú)太大的變化；如果改用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式，水泵轉(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Q2×H3成正比。從理論上分析，所節(jié)約的軸功率Δ(P)與（H2-H3）×Q2的面積成正比。

經(jīng)過(guò)幾種變頻模式的綜合調(diào)研比較，我司選用了基于功率單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變頻系統(tǒng)。它采用內(nèi)部接線，在現(xiàn)場(chǎng)只需串聯(lián)在原有的高壓開(kāi)關(guān)柜和高壓電機(jī)之間即可，避免了對(duì)高壓電機(jī)的二次投資改造。該變頻系統(tǒng)輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式，每相由8個(gè)功率模塊串聯(lián)組成，具有17個(gè)電平等級(jí)，經(jīng)過(guò)波形疊加，無(wú)需濾波裝置即可輸出畸變較小的正弦電流和電壓波形，對(duì)原有的異步電機(jī)和連接電纜沒(méi)有特殊的要求，具有軟起動(dòng)功能，可確保電機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2　系統(tǒng)介紹

本次改造的系統(tǒng)主回路控制如圖2所示，由3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1、QS2和QS3和高壓開(kāi)關(guān)QF、電動(dòng)機(jī)M組成。要求QS2和QS3之間存在機(jī)械互鎖邏輯，不能同時(shí)閉合。變頻運(yùn)行時(shí)，QS3斷開(kāi)，QS1和QS2閉合；工頻運(yùn)行時(shí)，QS1和QS2斷開(kāi)，QS3閉合。高壓開(kāi)關(guān)QF、電動(dòng)機(jī)M為現(xiàn)場(chǎng)原有2號(hào)工頻電機(jī)。

改造時(shí)，將高壓變頻器U串聯(lián)進(jìn)現(xiàn)有高壓開(kāi)關(guān)柜（輸出母線）與高壓電機(jī)之間，正常工作時(shí)采用變頻回路，QS1和QS2閉合，QS3斷開(kāi)；工頻運(yùn)行時(shí)，QS1和QS2斷開(kāi)，QS3閉合，采用原有的工頻啟動(dòng)方式。

高壓變頻器U則由變壓器柜、功率單元柜及控制柜組成。示意如圖2（圖中n表示模塊串聯(lián)的級(jí)數(shù)）。

變壓器柜將輸入的10 kV工頻電通過(guò)移相變壓器的多組抽頭轉(zhuǎn)換成獨(dú)立的低壓工頻電輸出，每個(gè)功率單元模塊分別由移相變壓器的一組副邊進(jìn)行供電。功率柜中各功率單元模塊為基本的交-直-交單相低壓變頻器，由二極管三相全橋進(jìn)行全波整流，并通過(guò)模塊內(nèi)部4個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)完成逆變工作。每個(gè)單元模塊的U、V輸出端子相互串聯(lián)成星型接法，通過(guò)對(duì)各個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行疊加重組，獲得畸變較小的正弦波輸出。控制柜內(nèi)的主控箱則從人機(jī)界面或PLC接收控制指令，產(chǎn)生24個(gè)功率單元中IGBT的觸發(fā)脈沖信號(hào)，同時(shí)在人機(jī)界面上進(jìn)行狀態(tài)顯示，通知PLC實(shí)施系統(tǒng)保護(hù)。

圖2　系統(tǒng)主回路

3　改造過(guò)程中涉及的問(wèn)題及改善措施

（1）在準(zhǔn)備階段，考慮到水廠配電室內(nèi)有部分空閑場(chǎng)地，但空間尺寸稍偏窄。于是我方向廠家提出能否將柜體長(zhǎng)度減少0.5 m的要求。經(jīng)過(guò)廠家評(píng)估，對(duì)變頻柜內(nèi)的設(shè)備布局進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。滿(mǎn)足了我方要求，節(jié)省了二次基建的相關(guān)費(fèi)用。

（2）設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中曾報(bào)光纖通訊故障，導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)。后分析原因?yàn)槌鰪S時(shí)將光纖頭綁扎過(guò)緊，彎角的曲率半徑太小，導(dǎo)致通訊故障。廠家技術(shù)人員隨后將所有光纖進(jìn)行了更換。

（3）在夏季供水高峰時(shí)期，干式變壓器溫度較高。為安全穩(wěn)定運(yùn)行，在原風(fēng)道開(kāi)放式散熱方式的基礎(chǔ)上，增加了一臺(tái)5P空調(diào)輔助降溫。

圖3　高壓變頻器結(jié)構(gòu)示意圖

4　變頻改造效果分析

（1）降低了啟動(dòng)沖擊電流

原2號(hào)泵機(jī)未添加軟啟動(dòng)器，額定電流為35 A，采用直接啟動(dòng)的方式。啟動(dòng)瞬時(shí)沖擊電流可達(dá)320A，廠內(nèi)電網(wǎng)瞬時(shí)波動(dòng)和轉(zhuǎn)軸本身承受的機(jī)械沖擊較大。而變頻啟動(dòng)從0 Hz開(kāi)始運(yùn)行，且啟動(dòng)加速時(shí)間可自行調(diào)節(jié)，啟動(dòng)過(guò)程中基本無(wú)沖擊電流出現(xiàn)。該運(yùn)行工況的改善，有效減輕了對(duì)電機(jī)主軸、葉輪的機(jī)械應(yīng)力，可適當(dāng)延長(zhǎng)部分零配件的使用壽命。

（2）節(jié)能降耗效果顯著

以下為3水廠2號(hào)水泵變頻改造前后的能耗數(shù)據(jù)對(duì)比（6個(gè)月的平均值）

?

根據(jù)近12個(gè)月該泵機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間計(jì)算（累計(jì)6 310 h），改造后的設(shè)備節(jié)省電耗744580kWh。按0.723元/kWh計(jì)算，一年可節(jié)約電費(fèi)53.8萬(wàn)元。

（3）減輕了操作工的工作強(qiáng)度

由于該變頻系統(tǒng)使用Modbus Tcp協(xié)議實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的互聯(lián)通訊，操作工在接到調(diào)度指令后，可直接在值班室的觸摸屏上設(shè)置管網(wǎng)壓力值，由變頻器本身來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。改進(jìn)了以往必須到機(jī)旁調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度的操作方式。大大縮短了反應(yīng)時(shí)間，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

6　結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)近兩年的實(shí)際運(yùn)行效果證實(shí)，這次高壓工頻水泵的節(jié)能改造達(dá)成了預(yù)期的效果。不僅可與原1號(hào)變頻機(jī)組互為備用，靈活調(diào)度，確保了恒壓穩(wěn)定供水，還改善了泵機(jī)的運(yùn)行工況，極大的降低了水廠的日常運(yùn)行費(fèi)用，保障了安全優(yōu)質(zhì)供水需求。

INFORMATION AND DYNAMIC

節(jié)能信息與動(dòng)態(tài)

青浦新材料產(chǎn)業(yè)基地發(fā)展成果顯著

《第18屆中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)新材料產(chǎn)業(yè)展》組織的新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇傳出信息，自2015年2月，青浦區(qū)獲批國(guó)家工信部“新材料國(guó)家新型工業(yè)化產(chǎn)業(yè)示范基地”后，經(jīng)多方共同努力，基地已初步形成六個(gè)新材料特色產(chǎn)業(yè)鏈：以上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司為代表的有機(jī)高分子新材料研發(fā)及制造；以美國(guó)英威達(dá)纖維為代表的功能性纖維新材料研發(fā)及制造；以上海華源復(fù)合新材料有限公司為代表的金屬功能性結(jié)構(gòu)性新材料研發(fā)及制造；以上海晶盟硅材料有限公司為代表的光電、電子新材料研發(fā)及制造；以上海西氏醫(yī)藥包裝材料有限公司為代表的生物材料和節(jié)能環(huán)保材料產(chǎn)業(yè)；以力諾太陽(yáng)能為代表的新能源材料產(chǎn)業(yè)?！笆濉逼陂g，基地將從主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)集群階段向創(chuàng)新發(fā)展、綠色發(fā)展階段邁進(jìn)，重點(diǎn)推進(jìn)新型纖維材料和功能紡織面料的研發(fā)及應(yīng)用，加快推進(jìn)納米材料、生物材料、智能材料（智能服裝）、超導(dǎo)材料等前沿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；著力將改性塑料聯(lián)盟和高分子新材料創(chuàng)新熱點(diǎn)培育為國(guó)際先進(jìn)的高分子新材料評(píng)測(cè)和轉(zhuǎn)化基地。

（徐君）

High Voltage Frequency Converter Application in Pumps Renovation

Peng Xuechao, Pan Bin
Jingmen Water Supply Head Office

The article introduces high voltage frequency converter application in pumps energy conservation renovation. Pumps could meet frequent changes and adjustment of all day water supply quantity and ensure constant pressure water supply after renovation. Comparing with energy consumption before and after renovation, the results shows that frequency converter renovation has outstanding energy conservation effect and improve safe stability of equipment and system.

High Voltage Frequency Converter, Constant Pressure Water Supply, Energy Saving and Consumption Reducing

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.11.009

彭學(xué)超：男，計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)，本科，副總工程師。

潘彬：男，控制工程碩士，助理工程師。