【摘 要】 通過采用高壓變頻器在供水系統的技術改造，提高了供水系統自動控制水平，達到節能降耗的目標。
【關鍵詞】 供水系統 高壓變頻 節能
為進一步做好企業節能降耗挖潛工作，我公司動力工作部對所屬供水系統水泵類設備運行工況進行了調查，發現目前水泵實際運行效率不高，其主要原因是水泵的調速性能差；運行點遠離水泵的最高效率點；有的水泵如爐體泵組、轉爐濁環、凈環、連鑄濁環、連鑄凈環、氧槍、結晶器泵組；軋鋼加熱爐凈環、軋鋼濁環高低壓泵組均通過調整閥門組開度來保證出口流量與壓力穩定，部分泵組閥門開度在20—30%之間，造成大量能耗浪費在節流的閥門組上；部分泵組由于生產工藝要求需要頻繁的啟停，不但對設備穩定運行造成影響同時也造成能源浪費。
目前運行的水泵流量裕度為20%-30%，壓力裕度為15%-25%。這是因為在設計過程中，很難準確地計算出管網阻力，并考慮到長期運行過程中可能發生的各種問題，通常總是把系統的最大流量和壓力富裕量作為選擇風機型號的設計值。但風機、水泵的型號和系列是有限的，往往在選用不到合適的風機型號時，只好往大機號上靠。因此，風機、水泵的流量和壓力富裕度達20%-30%是比較常見的。
水泵的電機隨著工藝變化的需求經常運行在“大馬拉小車”與低負荷或變負荷狀態下，使電機消耗的電能中有相當部分以發熱、鐵損、噪音與振動等形式浪費掉。造成電機運行效率很低的主要原因是電機偏離最佳效率的額定功率運行。電機負載怎么變化，電機與電網之間的電壓和頻率不可調節的“硬性”供電方式，始終是造成負載消耗多余電能的重要原因。
從水泵組電動機的運行參數與工藝的變化來看，該類用電設備的節能空間較大，通過配置合理的節電裝置使電機的運行與工藝變化結合，達到良好的匹配，能達到很好的節能收益。
1. 高壓節能設備選型
從產品技術的先進性、可靠性以及高性能價格比角度考慮,我們選用北京動力源公司的HINV系列高壓變頻節能設備，該設備是一種高效節能的交流調速傳動設備，廣泛適用于各種風機泵類負載，減少了電網的諧波污染，不存在因諧波引起的電機發熱、轉矩脈動、噪音、共模電壓等。
具體選型清單如下:
2．系統結構圖
手動旁路柜的設計主回路的簡圖如下：
一拖一手動旁路方案系統一次接線如下：
一拖一手動旁路方案
注：TF為高壓變頻系統，虛線框內為旁路柜配置。
變頻系統旁路方案說明：
變頻運行時：斷開QS1，閉合QS2和QS3；
工頻運行時：斷開QS2和QS3，閉合QS1；
10kV電源經用戶輸入真空開關柜QF1，通過變頻裝置進線刀閘QS2到高壓變頻調速裝置，變頻裝置輸出經出線刀閘QS3送至電動機； 10kV電源還可以經旁路刀閘QS1直接起動電動機。變頻裝置的輸出刀閘QS3和旁路刀閘QS1互相閉鎖，即QS2和QS1不能同時閉合。
旁路作用：
當變頻裝置工程檢修時，可手動操作刀閘，形成明顯斷電點，能夠保證人身安全；
當變頻裝置出現故障時，也可手動操作刀閘，將變頻裝置隔離，使負載在工頻電源下正常運行，保證生產的安全、持續的運行。
變頻系統旁路設備組成：
旁路設備由1臺柜組成，高壓開關柜QF1，電動機M為現場原有設備。
一拖一手動方案適配手動旁路柜說明：
1) 隔離開關QS1選用GN19-10 400A/12.5系列單投，QS2.3雙投戶內高壓隔離開關，相間距為210mm；單投隔離開關的進線端的三個絕緣端子為高壓帶電顯示裝置HL1.2的三個傳感器SQ1.2。
2）照明燈為柜門式照明燈。
3）避雷器采用三相組合式。
4）旁路柜有外加輸入、輸出端子和帶電、工頻、變頻指示。
3. 高壓變頻原理
電網電壓經主變壓器隔離移相后為功率單元供電，每個功率單元為一個單相交-直-交電壓型逆變器，單元串聯星接后形成三相變頻電源給高壓電動機供電。根據串聯單元級數的不同，產品分為3kV、6kV、10kV三個系列。HINV系列高壓變頻節能設備采用功率單元串聯，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術，因而具有很高的可靠性。隔離變壓器為三相干式整流變壓器，風冷，有使用壽命長、免維護等優點。10kV系列為功率單元24個，延邊三角形接法，為每個功率單元提供三相電源輸入。為了最大限度抑制輸入側諧波含量，同一相的副邊繞組通過延邊三角形接法移相，由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，從而消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，所以HINV系列高壓變頻節能設備輸入電流的總諧波含量（THD）遠小于國家標準4%的要求，另外主變壓器采用移相整流方式，輸入功率因數高，輸入電壓電流諧波小。滿足IEEE519-1992和GB/T 14549-93對電壓和電流最嚴格的諧波失真要求。無需任何功因補償和諧波抑制裝置。變頻器輸出采用多重化PWM技術，輸出為近乎完美的正弦波，無須加裝輸出濾波器。電動機諧波損耗小，轉矩脈動小，無明顯電動機噪聲。電動機不需降額使用。輸出dV/dt和共模電壓小，對電動機無附加電應力損害。
3.1 二次回路及控制
控制系統由控制器、I/O板\和人機界面組成。控制器由光纖板，信號板，主控板和電源板組成。各部分之間的聯系如下圖。
人機界面為用戶提供友好的全中文操作界面，負責信息處理和與外部的通訊聯系，可選上位監控而實現變頻器的網絡化控制。通過主控板和I/O接口板通訊來的數據，計算出電流、電壓、功率、運行頻率等運行參數，實現對電機的過載、過流告警和保護。通過RS232通訊口與主控板連接，通過RS485通訊口與I/O接口板連接，實時監控變頻器系統的狀態。
I/O接口板用于變頻器內部開關信號以及現場操作信號和狀態信號的邏輯處理，增強了變頻器現場應用的靈活性。
HINV系列高壓變頻控制系統圖
從流體力學的原理得知，使用感應電動機驅動的風機負載，軸功率P與流量Q，揚程H的關系為： 
當電動機的轉速由n1變化到n2時,Q、H、P與轉速的關系如下:
(1) 
(2) 
(3) 
可見流量Q和電機的轉速n是成正比關系的，而所需的軸功率P與轉速的立方成正比關系。所以當需要80％的額定流量時，通過調節電機的轉速至額定轉速的80％，即調節頻率到40Hz即可，這時所需功率將僅為原來的51.2％。
如下圖所示，從水泵運行曲線圖來分析采用調速后的節能效果。
水泵運行曲線圖
當所需風量、流量從Q1減小到Q2時，如果采用調節閥門的辦法，管網阻力將會增加，管網特性曲線上移，系統的運行工況點從A點變到新的運行工況點B點運行，所需軸功率P2與面積H2×Q2成正比；如果采用調速控制方式，風機轉速由n1下降到n2，其管網特性并不發生改變，但水泵的特性曲線將下移，因此其運行工況點由:
A點移至C點。此時所需軸功率P3與面積HB×Q2成正比。從理論上分析，所節約的軸功率Delt(P)與（H2-HB）×（C-B）的面積成正比。
通過實踐的統計，水泵通過調速控制可節能20％～50％，有些風機負載節能比例更高。
4. 節能分析及經濟效益
4. 1 節能分析
經過改造前對用電系統的分析，發現電能主要浪費在分配系統層面的效率、負荷側設備運行的效率。針對此用電系統所存在的問題，結合節電的技術特點，對部分運行狀況參數需要經常調整，以及通過閥門進行節流控制的水泵組電機進行變頻改造，以改善用電負載的運行狀況，達到優化設備運行、節約用電的目的。
采用變頻調速節電技術改造低效運行的水泵的可行性主要反映在以下幾個方面：
（1） 原機組的電機起動時會出現較大的沖擊電流，采用變頻節能系統控制后，可以使電機起動時電流平緩上升，沒有任何沖擊。另外，大功率電機停機時會產生很大的反生沖擊電流，對設備造成一定程度的損害，采用變頻節能控制后，可使電機實現軟停，避免反生電流造成的危害，有利于延長設備的使用壽命。
（2）采用變頻節能控制系統后，可調節水量及壓力大小，從而精確控制水量及水壓。
（3）采用了節能變頻控制系統后，可將水泵手動閥門全部打開，降低管網阻力。
（4）通過調整電機的轉速來調整水量，節省了大量的電能。
（5）降低泵組運行時的噪音及振動，提高工作環境的舒適程度和延長設備檢修周期。
4. 2變頻調速運行效果
在交流調速中，交流電機的調速公式N=60f1(1-s)/p,而電機功率P′=P(N′/N) ³
當電機頻率下降時，電機的轉速成比例減小，流量按（2）式比例減小，功率按（1）式大大降低，從而達到節能的目的。
其減少的功耗 △P=P0〔1-(N1/N0)³〕 （1）式
減少的流量 △Q=Q0〔1-(N1/N0)〕 （2）式
其中N1為改變后的轉速，N0為電機原來的轉速，P0為原電機轉速下的電機消耗功率，Q0為原電機轉速下所產生的流量。
由上式可以看出流量的減少與轉速降低的一次方成正比，功耗的減小與轉速降低的三次方成正比,因此改變頻率，節能效果顯著。
4. 3效益分析
根據安裝HINV系列高壓變頻節能設備使用后統計，每年可節約用電1078.64萬度，節約電費539.319萬元，設備運行30個月即可收回全部投資。
以上數據均為每天24小時，每月30天，電價按0.5元/KW.H計算。
5. 系統調試中的問題及解決辦法
在高壓變頻器通電之前，對進線變壓器進行耐壓實驗，可分三次以上不同的時間進行，完成之后，才能對高壓變頻器通電進行調試。調試時的速度由變頻器直接輸出，從10%到100%的額定速度，分段進行速度給定，這期間注意高壓變頻器及電機等設備運行情況。當運行正常后，即可開始帶負荷運行，速度也是由10%到100%的額定速度給定分階段進行升、降速。在此階段必須調節好高壓變頻器的升、降速時間，不能過快，否則變頻器會報故障而停機，甚至會燒壞IGBT模塊。
變頻器的速度輸出是由外部給定的模擬信號或上位機通過與變頻器本體PLC通訊來控制的，因此，在調試中必須確保模擬信號的穩定性和通訊狀態的穩定。變頻器設備會產生較大的電磁干擾信號，對于模擬信號的傳輸影響很大。因此，設計、施工時做好接地工作、選用屏蔽電纜之外，最好對信號電纜穿鐵管加以屏蔽。信號類型選擇電流信號而不要選用電壓信號。對于長距離的控制信號通訊最好使用光纖通訊，在軟件方面加上通訊判斷程序，并根據工藝需要加上控制信號丟失保護和連鎖程序。
另外鑒于風機水泵負載特性在進行恒壓或恒流量閉環控制時加上最低運行頻率設置，以免在調節時進入死區，造成水泵斷水或風機運行在臨界轉速點上，造成設備運行不穩定。
【參考文獻】
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