水厂送水泵的变频调速改造

谢喜平
(太仓市自来水公司，江苏　太仓　215400)

　　摘　要： 分析了水厂送水泵房原工艺控制系统存在的问题，阐述了送水泵进行变频调速改造的设计要求和系统配置，并对如何实现水泵的变频控制作了较详细的介绍，最后就目前市场上常见的几种中压变频器进行了比较。
　　关键词： 中压变频器； 变频调速； 水泵； 闭环控制
　　中图分类号：TU991.35　　　文献标识码：C　　　文章编号：1000-4602(201)4)06-0077-03

　　太仓水厂随着供水能力的提高以及所覆盖的用户群的增大，为了稳定供水，对水厂送水泵房变频调速系统进行了改造。太仓水厂二期改造送水量为20x10⁴m³／d，送水泵4台(2台为10x10⁴m³／d，2台为5x10⁴m³／d)，用水量低谷时为(10-15)x10⁴m³／d，高峰时为(15～20)x10⁴m³／d。现决定将其中1台10x10⁴m³／d的送水泵(电机型号为Y560-8，功率为800 kw，转速为744 r／min，电流为94.1A，电压为6kv，功率因数为0．873)进行变频改造，与送水量分别为5x10⁴m³／d和10x10⁴m³／d的两台泵配合使用，以满足实际的供水要求。
1　改造前的状况
　　经多年的运行发现有以下问题制约着生产的安全、稳定运行：
　　① 用户的用水量随季节、时间的变化而变化，使供水量难以控制；而整个供水系统为了能够满足最大供水量的要求，做出了较大的设计余量，这样使得在用水量较低时浪费了大量的电能。
　　② 操作人员需要频繁增减泵的运行台数或者通过调节阀门来保持水量的平衡，这样不但增加了操作人员的劳动强度，而且难以保证供水压力的恒定，影响了供水质量。
　　③ 频繁开启水泵增加了对电机、泵的机械冲击，缩短了它们的检修周期和使用寿命，增加了设备的检修费用，尤其是当大容量水泵启动时引起的电压波动会对其他设备运行带来不良影响。
2　改造的目的和要求
　　为了解决上述问题，达到优化工艺控制、节能降耗和稳定生产的目的，通过广泛调研最终决定对送水泵进行变频调速改造，理由如下：
　　①节能降耗
　　a．变频调速节能
　　恒速电机利用阀门调节供水量，扬程特性不变而管阻特性改变，使得大量的能量损失在阀门上。而变频调速时的阀门为完全打开状态，使得管阻特性不变，扬程特性则随电机转速的变化而变化，在保证管网压力的前提下改变了供水量，真正实现“所供即为所需”，从而节省了电能。
　　b．高效节能区运行
　　水泵的工作效率为：
　　　　η＝Ｃ_１（Ｑ／n）－Ｃ_２（Ｑ／n）^２　　　　　　　　　　　　　（１）
　　　　式中　Ｃ_１、Ｃ_２——常数，且Ｃ_１－Ｃ_２＝１
　　　　　　　Ｑ——流量　　　　　　n——转速
　　　　对于离心式负载：Ｑ_１／n_１＝Ｑ_２／n_２　　　　　　　　　　　（２）
　　可见水泵在变频调速的过程中始终处在高效区。而电机在变频调速过程中，由于电机电压随着转速的变化而变化，所以确保了电机在轻载时也能工作在高效区。
　　② 自动恒压供水
　　水压的闭路循环控制可以通过变频器对电机转速的调节来实现，调节过程中无需进行阀门操作即可完全自动实现，并且还可根据给定的压力指令对管内水压自动跟踪，这样使得管网压力变化基本为零（见图１）。

　　③ 减小电网和机械冲击
　　变频器可以在提供足够启动转矩的前提下保证电机平稳启动，启动电流可以控制在额定电流以下且电网不会受到启停泵引起的不利影响，从而保证了其他设备的安全运行。
　　管网在水泵直接启停时会产生水锤，长期如此将会造成管道的破裂或塌陷。变频器的软启软停特性则从根本上解决了“水锤效应”对管网的危害，同时电机本身也免除了因直接启动带来的损坏。
　　在确定了变频改造的目标后，又对改造中可能出现的问题进行了充分的论证，并提出如下要求：
　　① 所需改造的变频器装置必须性能稳定可靠，否则不但起不到节能降耗的作用，反而会给安全生产带来巨大隐患。
　　② 在原有配电系统的基础上进行改造，应尽量减少对原系统电气设备、土建等方面的改动，否则会使追加成本过高。
　　③ 受空间的限制需尽量减小所需设备的占地面积。
　　④ 要保证良好的售后服务。
3 变频器的比选
　　为了更好地完成中压变频器的选型，对目前市场上常见的中压变频器进行了比较分析：
　　①　高—低—高形式
　　利用现有低压变频器，通过降压和升压变压器来实现中压变频器方案。此方案效率低，变频器的负载由电动机转变成变压器，在低频段和启动过程中均有较大的局限性，故此方案的应用并不多见。
　　②　功率元件串联形式
　　通过对进线裂相变压器的降压，使每个功率单元的耐压要求降低，从而实现中压变频器方案，但是由于设备内部环节过多(6kv变频器功率元件多达150个)，设备的稳定性有待于进一步提高。此方案由于进线为多脉冲整流使得电网的进线谐波含量较低，每个功率单元可依然采用传统的低压IGBT与二极管的组合，使得此方案的产品造价较低，从而降低了用户的初期投入。
　　③　三电平形式
　　通常功率元器件整流侧为二极管，逆变侧为IGBT或IGCT与二极管构成。此形式通过直流侧电容器分压，降低了单个元件的耐压要求，但受目前大容量功率元器件的限制，此方案多应用于3 kv电机，即变频器只能提供3 kv的输出电压，在6 kv系统中用户需进行电机的星一角转换或在变频器的输出侧增加升压环节，以提高输出电压。
　　另外，也有些产品通过功率元器件的串联来提高电压的输出水平，但此举违背了三电平分压以降低单体元器件耐压的初衷，同时也增加了控制的复杂程度。此形式的变频器元器件数量与串联形式的相比减少了许多，且设备稳定性也有所提高。
　　④　双PWM电流源型
　　变频器采用SGCT作为整流与逆变侧功率元件，SGCT单体耐压为6.5kv，使得变频器元件数量大大降低而整体结构更加简单、可靠。整流侧采用脉宽调制技术进行变流，使得在整个调速范围内的电机功率因数始终接近1。另外，此方案无需进线变压器，由此提高了设备的运行效率和减小了占地。电流源型的构造使得电机可以四象限运行。此方案由于整流、逆变侧均采用大容量的高压元器件，所以设备的整体造价较高，初期投入较大。
　　选择变频器时还应注意以下问题：
　　①　变频器应在整个调速范围内满足IEEE519—1992对电网的谐波要求，即整流侧应为18及18脉冲以上或PWM形式的整流方式，否则将对电网带来污染。变频器的输出dv/dt对电机的影响同样不可忽视，如多重化电压源型变频器的输出dv／dt>1kv／ms，长期运行则会使电机出现发热、噪音、震动等问题。
　　②　作为变频器的核心一功率元器件，决定了整个设备的性能。变频器的发展过程也是功率元件发展的过程，尤其当电压等级、容量提高以后，一些在使用低压变频器时可以忽略的问题则变得比较突出，故中压变频功率元件应从耐压水平、容量、故障率、故障模式、冷却方式等多方面进行比较。
　　③　变频器的结构、元件数量与产品的稳定性直接相关。经过调研，设备的后期投入同样不可忽视。变频器的性价比计算公式如下：

　　权衡后最终选择了罗克韦尔自动化公司的PowerFlex7000双PWM中压变频器。
　　该设备为一体化设计(包括进线开关)，变频器体积为2800mm x l000mm x 2300mm，设备可靠墙安装。由于设备为整体设计，故仅需提供进出线动力电缆即可。根据工艺要求将设备提供的转速、功率、状态等信息反馈至主控室。
　　设备投入使用后运行稳定。经测试，进线谐波电流THD＜4％、电压THD＜1.5％，整个调速范围内功率因数接近1，系统效率＞98％，电机噪音不明显且无明显额外温升。
　　在节能方面，与改造前相比较节电为131.4x10⁴(kw·h)／a。若按0.473元／(kw·h)计算，则可节约电费约62万元／a，设备的投入可在2～3年内收回。

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