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高壓變頻器在永州市零陵區自來水公司中的應用

2014-11-26 10:04:19
高壓變頻器在永州市零陵區自來水公司中的應用
Application of High Voltage Inverter in Yongzhou City Lingling District Water Company
永州市零陵區自來水公司  沈海華
山東新風光電子科技發展有限公司  林洪波
Shen Haihua  Lin Hongbo
摘   要:本文介紹了高壓變頻器在永州市零陵區自來水公司水泵機組中的應用情況,通過對水泵變頻改造方案的介紹及改造后節能效果的比較分析,表明水廠水泵機組變頻改造節能效果顯著,具有較高的經濟效益。
關鍵詞:高壓變頻器  水泵  節能
Abstract: This paper introduces the application of high voltage inverter in Yongzhou District of Lingling city water company water pump unit. Through comparison of the frequency conversion pump introduced after transformation and energy saving, water pump frequency conversion transformation shows that the energy saving effect is remarkable, and has relatively high economic benefit.
Key words: High voltage inverter   Energy-saving  Pump

1引言 
       永州市零陵區自來水公司位于零陵區南津南路東側美麗的瀟水河畔,是零陵區政府管轄的正科級事業單位,屬自收自支、企業化管理性質,擔任著永州市零陵區城區30萬人口的供水任務,日設計供水量為20萬噸。水廠送水泵房共有4臺水泵機組,630kW /10kV二臺,280kW /10kV二臺,采用工頻運行方式,泵站在實際運行中,但由于實際需求輸水量遠遠小于供水能力,所以只能依靠調節出口閥開度及頻繁開停泵來調節流量。以保證生產廠的處理平衡的需求。這不但操作麻煩、難以控制,而且能源浪費大。鑒此,為了資源的合理利用和能源的節約,保證輸水管網的安全可靠運行,擬考慮安裝變頻調速裝置,并經過經濟技術評估,認為是可行的。通過調查和對比,經過招標形式選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP38-630F(630kW /10kV)高壓變頻調速裝置,并于2014年5月投入使用。改造達到了預期目的。 
2變頻器節能的理論依據
       永州市零陵區自來水公司,供水量是不均勻的,這是由于春夏秋冬氣候和人們生活以及生產規律所決定的。水泵站的裝機是按最不利條件下、最大時流量和所需相應揚程決定的。而實際上每天內只有很短時間能達到最大時流量,大多數時間里,水泵站都處在小流量下工作。為了適應流量的變化,先前泵站在運行中采取關小出口閘門的辦法來控制流量,從而造成出口閘門前后的壓力差值就白白地浪費于閘門阻力上。
       變頻調速運行是根據水泵轉速的變化要求,通過改變電動機工作電源頻率達到改變水泵電機轉速的目的,以獲得合理的水泵運行工況。在不同的轉速情況下,均保持較高的運行效率,不僅降低了電能消耗,同時能改善水泵啟動性能,延長其工作壽命,還提高供水質量。變頻技術用于泵類設備驅動控制場合的節電效果,普遍節電達到20%以上。
       根據流體力學的基本定律可知:水泵類設備均屬平方轉矩負載,其轉速N與流量Q、壓力(揚程)H以及軸功率P具有如下關系:
       Q1/Q2=N1/N2     (1);
       H1/H2=(N1/N2)2(2);
       P1/P2=( N1/N2)3(3);
      Q1、H1、P1----水泵在N1轉速時的流量、壓力(或揚程)、軸功率;
      Q2、 H2 、P2-----水泵在N2轉速時的相似工礦條件下的流量、壓力(或揚程)、軸功率。
       因此理論上采用轉速控制,當風量、流量減小時,所需功率近似按流量的3次方大幅度下降。
       假如轉速降低一半,即:N2/N1=1/2,則P2/P1=1/8,可見降低轉速能大大降低軸功率達到節能的目的。當轉速由N1降為N2時,水泵的額定工作參數Q、H、P都降低了。但從效率曲線л-Q看,Q2與Q1點的效率值基本是一樣的。也就是說當轉速降低時,額定工作參數相應降低,但效率不會降低,有時甚至會提高。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。
       降低了轉速,流量就不再用關小閥門等來控制,閥門等始終處于全開狀態,避免了由于關小閥門等引起的損耗,也就避免了總效率的下降,確保了能源的充分利用。
3 風光JD-BP38系列高壓變頻系統技術參數
      2007年9月,風光牌JD-BP38系列高壓變頻器榮獲“中國名牌”稱號,山東新風光是國家高新技術企業,生產的風光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心,采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術,屬高-高電壓源型變頻器,其諧波指標遠小于IEEE519-1992的諧波標準,輸入功率因數高,輸出波形質量好,不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器;不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題,可以使用普通的異步電機。
       JD-BP38-630F高壓變頻器技術參數如表1所示。
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4變頻改造控制方案
       變頻調速系統操作方面,有遠程控制和本地控制兩種控制的方式,這兩種控制方式可提高系統的安全性能。通過上位機對高壓變頻器運行狀態進行監控,通過遠控和本地對變頻器進行控制,上位機監控系統如圖1所示,具有以下功能:變頻啟動、變頻停止、故障復位、變頻運行指示、變頻停止指示、故障輸出、通訊指示,并可在上位機上顯示變頻器的運行數據、設定壓力、反饋壓力和當前狀態,實時監控系統運行。
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圖1 上位機監控系統
       為了保證水廠供水系統的可靠性,變頻器裝置具有工頻手動旁路裝置,當變頻器發生故障,停止運行時,在確認水泵及電機沒有故障的情況下,電機可以手動切換到工頻下運行,這樣可以保證水泵的供水要求,提高了整個供水系統的安全穩定性。
       水泵變頻系統具有如下特點:為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時,由于變頻器的控制電源和主電源沒有相位及同步要求,變頻器可以使用UPS繼續運行,不會停機;在現場水壓給定信號掉線時,變頻器提供報警的同時,可按原轉速繼續運行,維持水泵機組的工況不變;變頻器配置單元旁路功能,在局部故障時,變頻器可將故障單元旁路,降額繼續運行,減少突然停機造成的損失,如果變頻器出現3個以上的故障單元,當前水泵可轉工頻運行,可保證供水不受影響。 
5 變頻改造主回路介紹
       永州市零陵區自來水公司水泵系統變頻改造采用1#、2#水泵(電機功率630kW /10kV)共用一套JD-BP38-630F(適配630kW /10kV電機)高壓變頻器,高壓變頻器采用“一拖二”手動旁路方案。1#、2#水泵一次系統接線圖路如圖2所示,通過切換高壓隔離開關把高壓變頻器切換到要運行的水泵上去。高壓變頻器可以拖動1#供水泵電動機實現變頻運行,也可以通過切換拖動2#供水泵電動機實現變頻運行。兩側供水泵電動機均具備工頻旁路功能。
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圖2 高壓變頻一次系統接線圖
       QF1和QF2分別為現場1#和2#供水泵電源高壓斷路器;
       QS11和QS21分別為1#、2#供水泵電源高壓隔離開關;
       QS12、QS22、QS13、QS23為變頻器旁路開關柜高壓隔離開關;
       變頻器為風光JD-BP38-630F高壓變頻器。
       高壓變頻器控制電機為一拖二控制,旁路開關柜用于工/變頻切換。QS11和QS21為2個高壓隔離開關,變頻器運行時,要求QS11和QS21同時閉合。QS12閉合,QS22斷開,QS13斷開,1#水泵變頻運行;QS12斷開,QS13閉合1#水泵工頻運行;QS22閉合,QS12斷開,QS23斷開,2#水泵變頻運行;QS22斷開,QS23閉合,2#水泵工頻運行;其中,QS12與QS13、QS22實現電氣互鎖,QS22與QS23、QS12實現電氣互鎖;將控制柜“遠控/本控”開關打至“遠控”位置,將相應水泵斷路器“就地/遠方”開關打至“遠方”位置,通過上位機可實現水泵的遠控操作。
6 恒壓供水系統原理、PID設定及運行
       由于永州市零陵區自來水公司,對用水負荷需要在實際運行時進行精確調整和測量,因此采用的是恒壓供水系統,其工作原理如圖3所示,測量元件為壓力傳感器,將它設在水泵機組出水口,Vi為恒定供水壓力設定值,供水壓力V作為輸出量,構成閉環控制系統。變頻器內部的PLC采集供水壓力值V與用戶給定值Vi進行比較和運算,通過PID進行調整,將結果轉換為頻率調節信號送至變頻器,直至達到供水壓力的給定值Vi。不管系統供水流量如何變化,供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。
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圖3恒壓供水系統工作原理框圖
       (1)在PID控制中,P系數加大,可以加快調節速度。但如果過大,系統容易因超調而震蕩。若P太小,又會使系統的動作緩慢。P可正可負。如果比例系數為正,那么該回路為正作用回路;如果比例系數為負,那么該回路為反作用回路。本變頻器P設定為0.30。
       (2)積分I的作用主要是消除系統的靜態誤差。但過強的積分作用使供水系統超調加大。所以在調節過程初期,應減弱積分作用,防止產生積分飽和現象;而到過程后期,應適當增強積分作用,以提高控制精度。本變頻器I設定為10.0。
       風光高壓變頻器內置PID功能,其中PID 結構參數具有以下選擇方式:
       0:比例 PID 控制只比例增益起作用
       1:積分 PID 控制只積分增益起作用
       2:比例+ 積分 PID 控制比例增益和積分增益同時起作用
       3:比例+ 積分+ 微分 PID 控制比例增益、積分增益和微分增益同時起作用
       本變頻器PID參數PID結構選擇2,比例+積分 PID 控制比例增益和積分增益同時起作用,完全可以滿足供水系統的供水壓力恒定要求,不需要設定微分參數。
       現場采用壓力閉環控制,每天分十個時間段來控制給定壓力,具體設定壓力分段如表2所示。
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       現場最大壓力設定:根據壓力變送器的最大量程來設定。本案例中壓力變送器的最大量程為950KPa,在950KPa 時變送器輸出信號為20mA,那最大壓力設置為950KPa,對應壓力設定百分值100%。如圖4中的給定壓力:399 kPa=42.00%*950 kPa。
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圖4 給定壓力顯示界面
       在上位機監控系統具有豐富的功能。除了可以具有以下功能:變頻啟動、變頻停止、故障復位外,還可以顯示變頻運行指示、變頻停止指示、故障輸出、通訊指示等,并可在上位機上實時顯示變頻器的運行數據、設定壓力、反饋壓力和當前狀態。上位機變頻器實時監控運行數據如表3所示。
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7 現場設備改造效果
       水廠水泵變頻節電改造后,2014年5月初,正式投入生產,至今運行正常。系統達到了預期的效果:實施變頻改造后,水泵用電量有明顯下降,設備實現了軟起動,改善了設備的運行工況,極大地減輕了設備起動時對供配電系統的沖擊。
       7.1節電效果
       經過廠能源利用監測中心測試,根據泵站供水系統改造之前一個月的報表計算得1000t水耗電率為102度電,改造之后的一個月1000t水耗電率為86度電,按此計算,泵站一年可節電(102-86)×50×360=288000度電。并且隨著供水量的增加泵站供水系統采用一臺工頻,一臺變頻兩臺高壓電動機供水方式節能效果更顯著。
       7.2其他效果
       (1)改善了工藝。在實際生產操作過程中,泵的流量需時常調整,不僅需要調節參數,而且備用設備需時常切換。調節參數時,主要通過調節出口閥來控制,人工關小或開大閥門不僅費事,速度慢,也縮短閥門的壽命(填料及閥桿的磨損)。
       (2)維護量減少。采用變頻調速后,大部分時間里,泵的運行轉速大大低于泵的額定轉速。由于水泵啟動緩慢及轉速的降低,減少了泵的零部件密封、軸承的磨損,相應地延長了水泵的壽命。
       (3)工作強度降低。采用變頻調速恒壓閉環調節就不用調節出口閥,操作工作由動手轉變為自動、監控,完全實現生產的無人操作,大大減輕了工人的勞動強度。
       (4)現場噪音大大降低,有效改善現場的運行環境,運行人員反映良好;便于實現廠循環水泵機組控制系統自動化管理。
8結束語
       經過實踐的證明,永州市零陵區自來水公司水廠的水泵變頻改造是成功的,取得的經濟效益和社會效益是顯而易見的。不僅節約了大量電能,降低了供水成本;而且增大了供水系統可調范圍,提高了工作效率,增強了系統安全可靠性。隨著國家目前對節能減排工作力度空前加大,變頻調速技術發展前景十分廣闊,已迎來歷史黃金發展時期。
 
 
 
 

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