风光 高压变频器在永州市零陵区自来水公司中的应用

• 关键词：高压变频器,,水泵,,节能
• 摘要：本文介绍了高压变频器在永州市零陵区自来水公司水泵机组中的应用情况，通过对水泵变频改造方案的介绍及改造后节能效果的比较分析，表明水厂水泵机组变频改造节能效果显著，具有较高的经济效益。

1引言

      永州市零陵区自来水公司位于零陵区南津南路东侧美丽的潇水河畔，是零陵区政府管辖的正科级事业单位，属自收自支、企业化管理性质，担任着永州市零陵区城区30万人口的供水任务，日设计供水量为20万吨。水厂送水泵房共有4台水泵机组，630kW /10kV二台，280kW /10kV二台，采用工频运行方式，泵站在实际运行中，但由于实际需求输水量远远小于供水能力，所以只能依靠调节出口阀开度及频繁开停泵来调节流量。以保证生产厂的处理平衡的需求。这不但操作麻烦、难以控制，而且能源浪费大。鉴此，为了资源的合理利用和能源的节约，保证输水管网的安全可靠运行，拟考虑安装变频调速装置，并经过经济技术评估，认为是可行的。通过调查和对比，经过招标形式选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-630F（630kW /10kV）高压变频调速装置，并于2014年5月投入使用。改造达到了预期目的。

2变频器节能的理论依据

      永州市零陵区自来水公司，供水量是不均匀的，这是由于春夏秋冬气候和人们生活以及生产规律所决定的。水泵站的装机是按最不利条件下、最大时流量和所需相应扬程决定的。而实际上每天内只有很短时间能达到最大时流量，大多数时间里，水泵站都处在小流量下工作。为了适应流量的变化，先前泵站在运行中采取关小出口闸门的办法来控制流量，从而造成出口闸门前后的压力差值就白白地浪费于闸门阻力上。

      变频调速运行是根据水泵转速的变化要求，通过改变电动机工作电源频率达到改变水泵电机转速的目的，以获得合理的水泵运行工况。在不同的转速情况下，均保持较高的运行效率，不仅降低了电能消耗，同时能改善水泵启动性能，延长其工作寿命，还提高供水质量。变频技术用于泵类设备驱动控制场合的节电效果，普遍节电达到20%以上。

      根据流体力学的基本定律可知：水泵类设备均属平方转矩负载，其转速N与流量Q、压力（扬程）H以及轴功率P具有如下关系：

      Q1/Q2=N1/N2     （1）；

      H1/H2=（N1/N2）2（2）；

      P1/P2=（ N1/N2）3（3）；

     Q1、H1、P1----水泵在N1转速时的流量、压力（或扬程）、轴功率；

     Q2、 H2 、P2-----水泵在N2转速时的相似工矿条件下的流量、压力（或扬程）、轴功率。

      因此理论上采用转速控制，当风量、流量减小时，所需功率近似按流量的3次方大幅度下降。

      假如转速降低一半，即：N2/N1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。当转速由N1降为N2时，水泵的额定工作参数Q、H、P都降低了。但从效率曲线л-Q看，Q2与Q1点的效率值基本是一样的。也就是说当转速降低时，额定工作参数相应降低，但效率不会降低，有时甚至会提高。因此在满足操作要求的前提下，水泵仍能在同样甚至更高的效率下工作。

      降低了转速，流量就不再用关小阀门等来控制，阀门等始终处于全开状态，避免了由于关小阀门等引起的损耗，也就避免了总效率的下降，确保了能源的充分利用。

3 风光JD-BP38系列高压变频系统技术参数

     2007年9月，风光牌JD-BP38系列高压变频器荣获“中国名牌”称号，山东新风光是国家高新技术企业，生产的风光牌JD-BP38系列高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，其谐波指标远小于IEEE519-1992的谐波标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。

      JD-BP38-630F高压变频器技术参数如表1所示。

4变频改造控制方案

      变频调速系统操作方面，有远程控制和本地控制两种控制的方式，这两种控制方式可提高系统的安全性能。通过上位机对高压变频器运行状态进行监控，通过远控和本地对变频器进行控制，上位机监控系统如图1所示，具有以下功能：变频启动、变频停止、故障复位、变频运行指示、变频停止指示、故障输出、通讯指示，并可在上位机上显示变频器的运行数据、设定压力、反馈压力和当前状态，实时监控系统运行。

                     图1 上位机监控系统

      为了保证水厂供水系统的可靠性，变频器装置具有工频手动旁路装置，当变频器发生故障，停止运行时，在确认水泵及电机没有故障的情况下，电机可以手动切换到工频下运行，这样可以保证水泵的供水要求，提高了整个供水系统的安全稳定性。

      水泵变频系统具有如下特点：为变频器提供的交流220V控制电源掉电时，由于变频器的控制电源和主电源没有相位及同步要求，变频器可以使用UPS继续运行，不会停机；在现场水压给定信号掉线时，变频器提供报警的同时，可按原转速继续运行，维持水泵机组的工况不变；变频器配置单元旁路功能，在局部故障时，变频器可将故障单元旁路，降额继续运行，减少突然停机造成的损失，如果变频器出现3个以上的故障单元，当前水泵可转工频运行，可保证供水不受影响。

5 变频改造主回路介绍

      永州市零陵区自来水公司水泵系统变频改造采用1#、2#水泵（电机功率630kW /10kV）共用一套JD-BP38-630F（适配630kW /10kV电机）高压变频器，高压变频器采用“一拖二”手动旁路方案。1#、2#水泵一次系统接线图路如图2所示，通过切换高压隔离开关把高压变频器切换到要运行的水泵上去。高压变频器可以拖动1#供水泵电动机实现变频运行，也可以通过切换拖动2#供水泵电动机实现变频运行。两侧供水泵电动机均具备工频旁路功能。

     图2 高压变频一次系统接线图

      QF1和QF2分别为现场1#和2#供水泵电源高压断路器；

      QS11和QS21分别为1#、2#供水泵电源高压隔离开关；

      QS12、QS22、QS13、QS23为变频器旁路开关柜高压隔离开关；

      变频器为风光JD-BP38-630F高压变频器。

      高压变频器控制电机为一拖二控制，旁路开关柜用于工/变频切换。QS11和QS21为2个高压隔离开关，变频器运行时，要求QS11和QS21同时闭合。QS12闭合，QS22断开，QS13断开，1#水泵变频运行；QS12断开，QS13闭合1#水泵工频运行；QS22闭合，QS12断开，QS23断开，2#水泵变频运行；QS22断开，QS23闭合，2#水泵工频运行；其中，QS12与QS13、QS22实现电气互锁，QS22与QS23、QS12实现电气互锁；将控制柜“远控/本控”开关打至“远控”位置，将相应水泵断路器“就地/远方”开关打至“远方”位置，通过上位机可实现水泵的远控操作。

6 恒压供水系统原理、PID设定及运行

      由于永州市零陵区自来水公司，对用水负荷需要在实际运行时进行精确调整和测量，因此采用的是恒压供水系统，其工作原理如图3所示，测量元件为压力传感器，将它设在水泵机组出水口，Vi为恒定供水压力设定值，供水压力V作为输出量，构成闭环控制系统。变频器内部的PLC采集供水压力值V与用户给定值Vi进行比较和运算，通过PID进行调整，将结果转换为频率调节信号送至变频器，直至达到供水压力的给定值Vi。不管系统供水流量如何变化，供水压力值V始终维持在给定压力值Vi附近。

图3恒压供水系统工作原理框图

      （1）在PID控制中，P系数加大，可以加快调节速度。但如果过大，系统容易因超调而震荡。若P太小，又会使系统的动作缓慢。P可正可负。如果比例系数为正，那么该回路为正作用回路；如果比例系数为负，那么该回路为反作用回路。本变频器P设定为0.30。

      （2）积分I的作用主要是消除系统的静态误差。但过强的积分作用使供水系统超调加大。所以在调节过程初期，应减弱积分作用，防止产生积分饱和现象；而到过程后期，应适当增强积分作用，以提高控制精度。本变频器I设定为10.0。

      风光高压变频器内置PID功能，其中PID 结构参数具有以下选择方式：

      0：比例 PID 控制只比例增益起作用

      1：积分 PID 控制只积分增益起作用

      2：比例+ 积分 PID 控制比例增益和积分增益同时起作用

      3：比例+ 积分+ 微分 PID 控制比例增益、积分增益和微分增益同时起作用

      本变频器PID参数PID结构选择2，比例+积分 PID 控制比例增益和积分增益同时起作用，完全可以满足供水系统的供水压力恒定要求，不需要设定微分参数。

      现场采用压力闭环控制，每天分十个时间段来控制给定压力，具体设定压力分段如表2所示。

现场最大压力设定：根据压力变送器的最大量程来设定。本案例中压力变送器的最大量程为950KPa，在950KPa 时变送器输出信号为20mA，那最大压力设置为950KPa，对应压力设定百分值100%。如图4中的给定压力：399 kPa=42.00%*950 kPa。

                 图4 给定压力显示界面

      在上位机监控系统具有丰富的功能。除了可以具有以下功能：变频启动、变频停止、故障复位外，还可以显示变频运行指示、变频停止指示、故障输出、通讯指示等，并可在上位机上实时显示变频器的运行数据、设定压力、反馈压力和当前状态。上位机变频器实时监控运行数据如表3所示。

7 现场设备改造效果

      水厂水泵变频节电改造后，2014年5月初，正式投入生产，至今运行正常。系统达到了预期的效果：实施变频改造后，水泵用电量有明显下降，设备实现了软起动，改善了设备的运行工况，极大地减轻了设备起动时对供配电系统的冲击。

      7.1节电效果

      经过厂能源利用监测中心测试，根据泵站供水系统改造之前一个月的报表计算得1000t水耗电率为102度电，改造之后的一个月1000t水耗电率为86度电，按此计算，泵站一年可节电(102-86)×50×360=288000度电。并且随着供水量的增加泵站供水系统采用一台工频，一台变频两台高压电动机供水方式节能效果更显著。

      7.2其他效果

      （1）改善了工艺。在实际生产操作过程中，泵的流量需时常调整，不仅需要调节参数，而且备用设备需时常切换。调节参数时，主要通过调节出口阀来控制，人工关小或开大阀门不仅费事，速度慢，也缩短阀门的寿命（填料及阀杆的磨损）。

      （2）维护量减少。采用变频调速后，大部分时间里，泵的运行转速大大低于泵的额定转速。由于水泵启动缓慢及转速的降低，减少了泵的零部件密封、轴承的磨损，相应地延长了水泵的寿命。

      （3）工作强度降低。采用变频调速恒压闭环调节就不用调节出口阀，操作工作由动手转变为自动、监控，完全实现生产的无人操作，大大减轻了工人的劳动强度。

      （4）现场噪音大大降低，有效改善现场的运行环境，运行人员反映良好；便于实现厂循环水泵机组控制系统自动化管理。

8结束语

      经过实践的证明，永州市零陵区自来水公司水厂的水泵变频改造是成功的，取得的经济效益和社会效益是显而易见的。不仅节约了大量电能，降低了供水成本；而且增大了供水系统可调范围，提高了工作效率，增强了系统安全可靠性。随着国家目前对节能减排工作力度空前加大，变频调速技术发展前景十分广阔，已迎来历史黄金发展时期。