谈送水泵站引进设备的国产化改造

天津市自来水集团有限公司  孙有春

　　摘要：本文通过理论与实践的结合，阐述了天津水司新开河水厂送水泵站十年前引进的ABB公司设计制造的设备的技术状况与缺陷，以及对其进行国产化技术改造的方案和工程实施的具体做法。

　　关键词：送水泵站、引进、技术设备、国产化、改造

　　一 引言

　　天津自来水集团公司新开河水厂在十年前进行二期建设时，曾利用日本政府OECF贷款，大规模地引进了国外技术与设备。十多年过去了，设备已进入老化期，计算机控制系统亦需要升级更新，自然引进技术与设备的改造工作提到日程上来了。2003年底我们进行了这方面的工作，本文仅就该泵站引进技术与设备国产化改造的方案和措施做一介绍。

　　二 天津水司新开河水厂送水二泵站现状：

　　新开河水厂是1983年天津市“引滦”工程配套建设的日产水100万吨能力的大型水厂。其中一期工程86年建成投产，日产水能力50万吨，采用的是国产化设备；二期工程95年建成投产，日产水能力50万吨，采用的大部分是引进国外的技术设备。其中二泵站具体引进的有：ABB公司的一套6KV开闭站配电设备，两套2KV GTO技术变频调速设备，两套6KV降压启动设备，两台2KV调速电机与两台6KV定速电机，电机功率均为1650KW。为实现计算机自动化控制，引进了ABB DCS System一套，包括硬件设备与软件程序以及相应的仪器仪表。此外还有西班牙Sulzer公司4台大型水泵，其流量是10800m³/_h、扬程是45m，还有日本KUBOTA公司4套液压驱动多功能球阀，共同组成了二期加压送水泵站，并全部实现了计算机自动化监测与控制。

　　特别需要说明的是引进ABB公司的变频调速设备，是1992年世界领先技术的2KV电压等级的GTO可关断晶闸管逆变变频器，三电平、单桥、六脉波、SPWM技术。但两台逆变变压器的联结组别却分别是Ｙ／Δ_－１１和Ｙ／Ｙ_－１２两种组别，只有其并联在一个电源下时可成双桥并联１２脉波，方可获得很好的抑制基本谐波的效果。但为方便水泵调速调度工艺着想，实际安装却是一台调速水泵和一台定速水泵分别组合联结在两段电源母线上。即1#调速泵与３＃定速泵接在一个电力专用电源上；而２＃调速泵与４＃定速泵接在一个电力公用电源上。由于该产品没能按照ＧＢ中国标准制造，其电源电压适用范围是±５％Ｕｅ，但国内电网电压实际波动范围是≥±１０％Ｕｅ，又因为该产品采用的继电保护是ＳＰＡ系列高灵敏度智能综合保护装置，所以当欠电压或过电压时，保护相当严格和灵敏。所以Ｔ接在公共电源上的２＃调速泵和4#定速泵的电机开关经常保护跳闸。而T接在专用电源上的1#调速泵和3#定速泵的电机运行相对稳定。此其缺陷之一。

　　因为ABB公司在3#、4# 6KV定速电机的启动方式采用的是自耦变压器降压启动方式，但负载是恒转矩水泵负载，所以启动电流较大。但ABB公司制造的自耦变压器是按欧洲EN标准和IEC标准设计制造的，其设计裕量太小、绝缘强度较低，均低于GB中国国家标准。所以在95年3#、4#两台定速电机在带水试泵时该两台自耦变压器即先后被烧毁，后来两台自耦变压器是当时又重新绕制的。再后来3#水泵电机在99年的一次启动过程中，由于dv/dt较高，操作过电压较大，致使该自耦变压器再次烧毁。此其缺陷之二。

　　由于ABB计算机控制系统的硬件设备是其专用的ABB Masterpiece 200/1型主控站计算机和ABB Masterview830/1型操作计算机和专用CRT，其应用程序是用ABB Master系统专用的编程工具软件编写的，同时该硬件和软件是93年引进的产品，所以其通用性和兼容性几乎没有，自成系统无法和其他系统联接，并且自己无法开发升级换代。此其缺陷之三。

　　客观上讲，尽管其有上谈的三点缺陷，但ABB公司的计算机系统、高压配电设备、变频调速设备和水泵电机机组一直是稳定运行的。2002年因为二泵站ABB计算机系统需要与水厂Siemens WinCC计算机调度系统联网，同时ABB公司Master 系统专用的CRT已损坏报废需更新，无法找到同类产品。提出了ABB计算机系统升级改造、更换计算机后台设备为通用的开放型的硬件设备与软件平台。同时由于定速电机启动变压器烧毁需更新，进口同型号产品价格太昂贵，提出了原定购两台启动变压器改为购置一台高压变频器“一拖二”使用，联接3#、4#两台定速水泵电机，既可以变频调速、又可以做软启动使用。结合此次重大改造，同时解决ABB GTO变频器外接电源电压适用范围窄，调整1#、2#调速水泵变频器上口电源使其适合国内电源电压波动范围宽的问题。几方面的改造结合在一块，花一次钱同时解决几个问题，使得二泵站的计算机系统、调速系统和供电系统的整体技术水平就有了一个质的升华提高。

　　三 送水泵站引进设备改造方案概述

　　（一）6KV配电系统结线方式的改造

　　6KV配电系统结线方式的改造比较简单，原来的结线方式是：6KV电源是双回路进线，联络开关不投入、分列运行。一路来自35KV电站313线路的水厂专用电源，在二泵站6KVⅠ段馈出下接1#ABB GTO 2KV调速泵电机和3# ABB 6KV定速泵电机；另一路来自35KV电站314线路的社会公用电源，在二泵站6KVⅡ段馈出下接2#ABB GTO 2KV调速泵电机和4# ABB 6KV定速泵电机。此次6KV配电系统结线方式改造，就是将3#定速水泵电机馈线与2#调速水泵电机馈线对调，使得1#、2# ABB GTO变频调速装置上口电源接在313线路的水厂专用电源上，而3#、4# 6KV定速泵电机改为高压变频调速“一拖二”使用时，要求高压变频器的电源电压波动适用范围要拓宽，使其上口电源接在314线路的社会公用电源上。这样就解决了上述的缺陷之一的问题。

　　虽然6KV配电系统结线方式的改造比较简单，但是由此而引起的计算机Master系统的改造就显得复杂了。因为该泵站已经实现了对6KV高压断路器、2KV高压断路器、GTO变频器、电动机、KUBOTA多功能球阀及其液压控制系统的完全计算机自动化控制。如此的改造就要求将ABB Master系统原来的程序读懂、分解、删除、重编、调整，然后再空载与带载重新调试新编写的程序。可见程序软件改造的工程量与难度要远远超过6KV配电系统结线方式的改造。此工作一并并入ABB Master系统硬件与软件的统一升级改造工作之中。

　　（二）   定速水泵电机加装高压变频器“一拖二”调速使用的改造

　　二泵站在装的3#、4#2台6KV 1650KW的电机是ABB公司630M-10型水风冷式电机，其额定电流Ie=203^A。因为负载为水泵其电机启动电流很大，所以必须采用降压或软启动方式。ABB公司原采用自耦变压器降压启动方式，是常规和可用的。只是其在设计制造时，遵循的是EN欧洲标准与IEC国际标准，电压波动范围窄。虽然ABB电气设备电压适用范围是≤±5%Ue，仍低于GB标准。实际上电网供电电压波动范围经常是±10%Ue，甚至还要超过此范围。故使该产品在实际电网供电的条件下，使用不久即烧毁报废了。若同型号更新肯定是错误的选择，其进口或国内制造报价均在120万元左右。针对此我们大胆地提出采购按装一台高压变频器“一拖二”使用。既可以做软启动又可以做水泵调速使用，使其适应水泵变扬程、变流量供水的调度方式，同时可以降低配水电耗，一举多得。经过反复的方案论证、技术性能/价格比，决定采用这种改造方案。

　　方案确定后的关键问题是高压变频器的选型确定。至目前为止作为中、高压变频调速产品制造技术的突破和实现商业化使用只不过15年的时间，虽有成熟的产品问世使用，但各家的技术路线却完全不同。目前国内外基本有如下几种类型：

　　（1），三电平、IGBT技术产品、多为单桥或双桥、6脉波或12脉波、PWM脉宽调制技术，目前可以作到3.3KV、4.16KV和6KV标准电压等级，要求配套电机最好是专用电机、一般电机也可以。由于其整流波形是6脉波或12脉波，存在5次或11次以上谐波，故其谐波污染较厉害、谐波电流较大，应考虑加装专用的谐波滤波器，同时功率因数不理想。

　　（2）三电平、IGCT技术产品、多为单桥或双桥、6脉波或12脉波、PWM脉宽调制技术，目前可以作到3.3KV、4.16KV和6KV标准电压等级，不要求专用电机、一般电机就可以。存在5次或11次以上谐波但抑制得好，有一定的谐波污染和谐波电流，不强调加装谐波滤波器与功率因数补偿装置。

　　（3）多电平、IGBT技术产品、通过移相变压器构成五桥以上的多桥电路并获得30以上脉波、PWM脉宽调制技术，直接作到6KV和10KV标准电压等级，不要求专用电机、一般电机就可以。由于其整流波形是30脉波以上，存在29次以上谐波，几乎无谐波污染，无须加装谐波滤波器和功率因数补偿装置。

　　（4）近两年还有一种直接串联IGBT元件构成高压变频器的技术产品,其直接输入与输出高压电源,电压可达6KV、10KV,作到直接输出变频高压电源用于电机调速。由于此种技术理论还待讨论、其产品商业化后的实际应用尚待考察，暂时不敢贸然承担风险使用。

　　上述四种高压变频调速技术产品进一步的技术原理、技术细节、技术参数指标等在此不做展开讨论，这里仅概要的介绍其基本技术上的差异。经论证比较后决定选用上述第三种技术：即多电平、几乎无谐波的IGBT技术产品。目前此种产品形成规模生产的有两家，一家是美国的ROBICON公司，另一家是中国的利德华福公司。两家产品的技术路线基本上是一致的、属于同一类型。但是在具体的技术细节、使用的标准、人机界面与适用的现场环境还是有很大差异的。考虑后者在电源电压波动适用范围较宽、人机界面全汉化、售后服务较方便，尤其是两者的商业报价竟然相差40%的差别，最后权衡技术性能/价格比后，决定选用北京利德华福公司的产品。确定采用其6KV、2000KVA、多电平、IGBT技术的5桥30脉波的变频器一台，“一拖二”使用。用来拖动新开河水厂二泵站3#与4#原6KV、1650KW的定速水泵电机。

　　（三）   泵站计算机自动化系统升级改造方案

　　天津水司新开河水厂二泵站的计算机控制系统使用的是ABB DCS系统，它是由ABB Masterpiece 200/1主控站系统（简称MP200/1）作为全泵站的控制，ABB Masterview830/1人机界面后台系统（简称MV830/1）作为计算机控制系统的监控操作。该系统自1995年投产到现在已经运行多年，运行状况一直良好。虽然因为种种原因没有实现闭环控制，但是作为状态监测、数字采集与送水泵站开环控制系统，该计算机控制系统是非常成功的。但此次改造是基于如下三点原因，即：

　　（1）目前该系统中的MV830/1及其两台监控专用CRT显示器有故障，现场操作员使用非常不方便。而ABB公司现已不再生产MV830/1及其专用CRT显示器，现在全部升级为ABB Advant station 500产品。采用普通的CRT显示器与ABB原系统不兼容，所以无法使用，必须升级更换。

　　（2）现在新开河水厂二级调度的SCADA计算机系统已经由原来的DEC公司主控站+TI565 PLC的系统更新升级为SIEMENS WiCC C/S+Siemens S₇PLC系统。原来的ABB公司Masterview830/1系统就没有实现与调度原DEC公司主控站+TI565 PLC系统的联接与通讯。但是此次升级改造必须作到ABB Advant station 500系统与SIEMENS WiCC C/S+Siemens S₇PLC系统的联接与通讯。

　　（3）此次由于6KV配电系统结线方式改造，将3#定速水泵电机馈线与2#调速水泵电机馈线对调，使得1#、2# ABB GTO变频调速装置上口电源接在313线路的水厂专用电源上，同时使得3#、4# 6KV定速泵电机改为高压变频调速“一拖二”使用，要求高压变频器的电源电压波动适用范围要拓宽，使其上口电源接在314线路的社会公用电源上。如此的高压供配电系统的改造与高压大功率水泵电机拖动的改造，必然要求ABB DCS计算机控制系统进行改造和重新编制程序。

　　基于以上原因，我们必须对新开河水厂二泵站的ABB DCS计算机控制系统进行升级改造。从计算机控制系统的角度考虑，改造后的系统应该实现与ABB Advant系统接轨，与上位水厂调度SCADA Siemens计算机系统联网，另一方面实现对6KV配电系统、改造后的ABB GTO 1#、2#水泵变频调速系统、新装的利德华福多电平 IGBT 3#、4#水泵“一拖二”变频调速系统、KUBOTA多功能液压球阀系统等的监测、数字采集与自动化控制。其具体改造方案如下：

　　1，将现有的MP200/1的CPU主机板、内存板升级为Advant410，原有的MP200/1的机柜和电源系统、I/O接口等继续使用。修改后的主机系统升级为Advant系统。此时的编程工具软件使用的是ABB AMP1.7。

　　AC410是ABB OCS 系统中的中等规模的全功能控制站。其控制功能有逻辑控制、顺序控制、数据处理、数学运算、PID调节等等。CPU处理器为Motorola 68020 32位机，主频25MHz，RAM是4M，可带480个I/O，通过Field Bus 100总线及远程I/O可带2500个I/O。AC410通讯功能较强，可通过MB300以太网总线与Advant OCS系统的监控显示操作站及控制站联网。

　　2，将现有MV830/1及两台专用监控显示器更换为ABB Advant Windows NT系统和普通的显示器，该系统硬件选用适合于工业现场使用的普通工业PC机，（最后选用的是Sinmens工控机），以便于维护和更换。操作员站软件选用的是AdvaCommand for Windows NT系统。AC410与ABB Advant Windows NT联接使用MB300总线，其速度为10M/s，原系统MB200速度仅为153.6Kbit/s。

　　ABB Advant Windows NT新系统不仅支持原有MV830/1的各种显示图形，如：过程控制流程图、趋势图、组态显示、报警显示等等，还支持三维立体图形画面，其软件具有强大的三维图形库可以调用，且该图形库可以由用户自行补充。而做图软件为通用的Windows界面，作图简单，画面直观且更新时间为1秒。

　　3，为实现与水厂调度SCADA系统使用的Siemens上位机联网，在AC410处加装一块通讯板C1532VO3，其通讯速度为每秒19.2Kbit/s。该块通讯板从AC410联接到Sinmens  PLC S7-300上加装的CP341通讯板，且该板支持Siemens 3964R通讯协议。现在通讯距离≤15m。通讯数据＜100个。如果需要远距离数据传输，需要在两端加入2个Modom调制解调器，此时通讯距离可达10Km。

　　当然还有另外一种方法，就是使用Profibus通讯协议，采用主从式数据传递。可以在ABB AC410上加一块CI541V1通讯卡，与Siemens S7-PLCT通讯，实现两个不同系统的通讯与数据转换传递。但这里必须要求两家各自公开自己的底层通讯协议方可实现。限于当时的条件我们没有实现此种做法。

　　四结束语

　　此次新开河水厂送水二泵站引进设备的国产化改造，投资近300万元、历时两年、分两期工程进行实施与完成。现在已全部完工并交付使用，正在积累运行参数，测算节电数据。实践证明此次引进设备的国产化技术改造，其效果与效益非常良好。证明方案的选择是正确的、改造是成功的，有经验也有教训，初步体会如下：

　　1，改造以前必须对引进的技术设备进行全面的学习、消化，达到完全掌握的程度。

　　2，必须对准备采用的厂家、公司的技术设备有特别深入的调查研究，在选择厂家和技术设备时，一定要选择“大型厂商、知名品牌”成熟的技术、产品。

　　3，在制订技术改造方案阶段必须多方面接触、反复论证比较、制订切实可行的方案。

　　4，作为电气、计算机、自动化与高压变频调速技术设备，其发展之快是异忽寻常的。所以我们在选择该类技术产品时，一方面要考虑其高可靠性和高稳定性，另一方面还要强调技术的前瞻性、先进性。

　　5，在最终确定技术改造方案和技术设备选型后，同时还要作好改造工程的深入细致、切实可行的实施方案和工程完成后的模拟各种工艺运行工况的调试方案。后两种方案是技术改造方案的落实与结果，在某种意义上决定着技术改造的成与败，切勿忽视。

　　上述内容是笔者主持该项技术改造工程的经过与体会，整理出来与水工业同仁共同研讨，可能存在不妥之处，恳望批评指正。

　　 作者简介：孙有春，原天津市自来水集团有限公司副总工程师、设备部部长，教授级高级工程师，现天津自动化学会理事、天津市政府采购中心特聘专家评委、中国电工学会水工业专委会委员、中国土木工程学会机电委员会委员、中国水协企管委设备管理信息中心主任、中国水协科技委电气自动化专委会副主任，早年毕业于天津理工学院工业电气自动化专业，长期从事企业供电、计算机、自动化、仪器仪表、电机拖动与水泵调速的研究与应用。