石獅供水股份有限公司 王建浦
北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 賈恩存
一、前言
福建石獅供水公司設(shè)計(jì)有三臺(tái)供水泵組，前期為兩臺(tái)（#2、#3）供水泵組工頻啟動(dòng)運(yùn)行(#1供水泵組進(jìn)行技改)，#2機(jī)組電機(jī)功率為200kW/10kV，泵組額定流量為4200m3/h，#3機(jī)組電機(jī)功率為1120kW/10kV，泵組額定流量為8200m3/h，由于全天各個(gè)時(shí)間段電價(jià)的不同及水廠用水量變化較大的因素，水廠平時(shí)要靠經(jīng)常啟停供水泵組來(lái)控制系統(tǒng)的供水，會(huì)造成工頻啟動(dòng)供水泵時(shí)對(duì)泵組及供水管道所造成的沖擊威脅，并且通過閥門的開度來(lái)調(diào)節(jié)供水量，大量電能消耗在閥門上�？紤]到上述因素，供水站決定對(duì)#1供水泵組進(jìn)行技改。
二、變頻改造方案
經(jīng)過考察及研究，變頻調(diào)速在節(jié)能、調(diào)速精度、調(diào)速范圍等方面具有同其它調(diào)速裝置無(wú)法比擬的優(yōu)越性，以及可以方便實(shí)現(xiàn)同自動(dòng)化控制系統(tǒng)（如DCS系統(tǒng)等）的通訊，決定使用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司變頻裝置帶#1泵組運(yùn)行。并同時(shí)對(duì)#2、#3泵組進(jìn)行增加軟啟動(dòng)技改項(xiàng)目。
1、HARSVERT-A10/120型高壓變頻裝置原理
HARSVERT高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串聯(lián)而成，從而由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出，它對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)。
變頻裝置10KV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10KV系列有24個(gè)功率單元，每8個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。
每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)以及電氣性能完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)見圖1，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，可得到如圖2所示的波形。
圖1. 功率單元電路結(jié)構(gòu)
圖2. 單元輸出的PWM波形 輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成48脈沖整流方式；這種多級(jí)移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。
另外，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，每個(gè)功率單元等效為一臺(tái)單相低壓變頻器。
輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接成星型接法直接給高壓電機(jī)供電，通過對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖3所示的階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無(wú)須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(zhǎng)度很長(zhǎng)，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。
圖3. HARSVERT-A系列變頻器的輸出波形 當(dāng)某一個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，通過使圖1中的軟開關(guān)節(jié)點(diǎn)K導(dǎo)通，可將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其他單元的運(yùn)行，變頻器可持續(xù)降額運(yùn)行，可減少很多場(chǎng)合下停機(jī)造成的損失。
2、設(shè)備選型
引水一號(hào)機(jī)組技改配置水泵揚(yáng)程45M，流量8600m3/h，配套電機(jī)1600kW/10kV，配套一臺(tái)北京利德華福電氣技術(shù)有限公司1600kW/10kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，變頻系統(tǒng)安裝、調(diào)試在2004年7月份完成并開始運(yùn)行。
自水站引水通水以來(lái)，管路特性不斷惡化，后采用前加氯，管道特性開始好轉(zhuǎn)，但未達(dá)到設(shè)計(jì)值，選型時(shí)水泵揚(yáng)程只有根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算，水廠根據(jù)運(yùn)行情況將水泵揚(yáng)程設(shè)計(jì)值由50M降到45M，現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，額定點(diǎn)揚(yáng)程45M，流量8600m3/h，保證了水泵在最高效區(qū)的運(yùn)行。 三、改造后系統(tǒng)運(yùn)行情況
1、變頻試運(yùn)情況
試運(yùn)行時(shí)，電機(jī)在頻率24-26Hz之間存在機(jī)械共振，后設(shè)置變頻跳躍頻率點(diǎn)，避開共振區(qū)，供水泵組穩(wěn)定運(yùn)行；實(shí)際調(diào)速時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速可降到額定的40%，即198轉(zhuǎn)/分鐘穩(wěn)定運(yùn)行，各種參數(shù)符合其特性曲線。
2、變頻操作及節(jié)能情況
這次技改，通過變頻可以減少工作人員的工作量、保護(hù)管道、節(jié)省電耗，在選型及可行性認(rèn)證中水站投入了比較大的精力，引水變頻的使用屬于采用調(diào)速且管路特性不變的情況，水泵運(yùn)行時(shí)單泵走單管，不屬于變頻和工頻水泵并聯(lián)運(yùn)行的情況，應(yīng)該算是比較簡(jiǎn)單并且最省電的情況，但實(shí)際上，由于峰谷電價(jià)、調(diào)節(jié)池的水位調(diào)節(jié)、水廠用水量變化較大（水廠取水只可用開關(guān)水泵調(diào)節(jié)）等因素，不能單純地按流量來(lái)調(diào)節(jié)，需要建立一個(gè)有效的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行變頻的控制，現(xiàn)將變頻的控制做一個(gè)說明：
〈1〉變頻的數(shù)據(jù)采集是通過變頻本身的PLC模塊實(shí)現(xiàn)，PLC模塊和工控機(jī)通過485卡通訊，水站通過原有控制系統(tǒng)AB的PLC和變頻器西門子的PLC進(jìn)行Modbus通訊，通訊成功后信號(hào)非常穩(wěn)定。
〈2〉變頻控制分開環(huán)和閉環(huán)控制（恒壓供水）兩種，水站的運(yùn)行方式為開環(huán)運(yùn)行，即在AB的PLC內(nèi)計(jì)算數(shù)值輸送到變頻進(jìn)行控制，泵站控制系統(tǒng)上位機(jī)的控制分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種，手動(dòng)即手動(dòng)輸入頻率，自動(dòng)為AB的PLC根據(jù)調(diào)節(jié)池水位、峰谷電價(jià)、總用水量的情況計(jì)算出變頻頻率控制變頻，自動(dòng)方式受影響方式較多，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，水站先對(duì)中控調(diào)度主機(jī)進(jìn)行軟件修改，穩(wěn)定了數(shù)據(jù)傳送，并在調(diào)節(jié)池增加了水位信號(hào)。
在信號(hào)穩(wěn)定之前，變頻控制采用手動(dòng)控制，電價(jià)谷值開1、3號(hào)機(jī)，其余開1、2號(hào)機(jī)，峰值變頻頻率調(diào)在30Hz，平值根據(jù)水位手動(dòng)調(diào)節(jié)，這樣整個(gè)供水系統(tǒng)可年省100萬(wàn)元以上（日供30萬(wàn)噸），但手動(dòng)調(diào)節(jié)存在不能合理地分配平值電價(jià)時(shí)的流量及時(shí)間控制上的誤差以及對(duì)日供水量的估計(jì)不足等因素，因此，水站在日供水在27.5-31萬(wàn)噸時(shí)建立一模型，和手動(dòng)調(diào)節(jié)的唯一不同在平值電價(jià)時(shí)頻率根據(jù)調(diào)節(jié)池水位及總用水量（山兜取水量+20萬(wàn)噸取水量）進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)池水位設(shè)定在3.3m，運(yùn)行一星期，和手動(dòng)調(diào)節(jié)相比，千噸水的耗電量由112度降到105度（日供30萬(wàn)噸），以平均電價(jià)0.51元/度計(jì)算，日省1071元，年省38萬(wàn)元，自動(dòng)運(yùn)行后，到晚上11:00調(diào)節(jié)池水位保持在3.28-3.38之間，達(dá)到設(shè)計(jì)理想值，若將保持水位降到3.3M以下，則省電效果更加明顯。
在日供水流量低于27.5萬(wàn)噸或大于31萬(wàn)噸時(shí)，要達(dá)到最佳省電效果要調(diào)節(jié)工頻機(jī)（2#、3#機(jī)組）的運(yùn)行時(shí)間，更加復(fù)雜，現(xiàn)水廠正在努力進(jìn)行計(jì)算，爭(zhēng)取可以拿出一個(gè)最佳的方案。可見，建立一個(gè)可行有效的模型是省電的關(guān)鍵，在做好日常維護(hù)的同時(shí)，需時(shí)時(shí)根據(jù)管道參數(shù)及水泵運(yùn)行參數(shù)模型完善運(yùn)行模型，使之可以讓變頻發(fā)揮最大的作用。
四、結(jié)束語(yǔ)
高壓變頻裝置其節(jié)能效果明顯，采用變頻調(diào)速后，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)了電機(jī)的壽命，減少了對(duì)引水管路的沖擊，引水管路擋板全開，也減少了引水管道的震動(dòng)和磨擦�？傊�，希望以北京利德華福電氣技術(shù)有限公司為代表生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)能以其可靠的運(yùn)行性能及良好的節(jié)能效果為石獅供水站及其他廣大用戶創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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