风光 信发铝电氧化铝循环水泵变频改造
- 关键词：高压变频器,,水泵,,节能
- 作者：胡令芝 田利润 郎国明
- 摘要：本文介绍了高压变频器在广西信发铝电集团氧化铝循环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，表明氧化铝企业循环水泵机组变频改造节能效果显著，具有较高的经济效益。
Abstract: This paper describes the high voltage inverters Xinfa Aluminum Group in Guangxi alumina circulating water pump in the application. Through the pump frequency transformation and reconstruction program after the introduction of energy-saving effect of the comparative analysis, it shows that the alumina business unit circulation pump frequency transformation of energy-saving effect is remarkable, with high economic efficiency.
Key words: High voltage inverter Pump Energy-saving
1前言
广西信发铝电有限公司是山东信发集团实施“走出去”战略，在广西百色靖西投资兴建的一家集发电、矿山、氧化铝、碳素、铝深加工等产业于一体的现代化企业。集团总公司山东信发集团始建于1972年，现有总资产800余亿元，广西信发铝电有限公司一期工程包括3×155MW发电机组、160万吨氧化铝、16万吨电解铝矿山的选矿、洗矿等辅助工程。
广西信发铝电有限公司氧化铝（一期）的循环水系统配置4台水泵，根据季节不同，气温差异开启两台或三台循环水泵，对氧化铝有关生产设备进行冷却。由于水泵机组密封、机组效率、季节性温差等原因，往往是为了保证生产冷却需要，通常存在循环水系统开两台流量不够，开三台流量过大的情况，夏季运行流量却不足等现象，这就无法保证水泵机组的长期经济稳定运行，无法实现循环泵的功耗跟生产负荷随机调整，循环泵能耗居高不下。在保证生产冷却的同时减少循环水浪费、节约电耗即循环水泵改造的目的。
为了降低循环水泵的用电，提高水泵的运行效率，在2011年厂技改项目中，信发铝电公司氧化铝厂领导决定在循环水泵上采用山东新风光电子科技发展有限公司生产的2套1120 kW /10kV高压变频器对1#～4#循环水泵进行调速改造。
2 改造设备现场参数
循环水泵主要负责分解槽的板式换热和精液降温，并为分解槽和立下软水系统，真空泵系统提供用水。通过凉水换热后的回水进行降温重新利用。循环水工艺流程如图1所示。
循环水泵房配置4台完全相同的循环泵，根据生产需要添加或减少投入的水泵数量。设备详细参数如表1、表2所示。
3循环水泵节能原理
根据水泵的压力-流量特性曲线按照工艺要求实现变速变流量控制，是节电的有效方法。
按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：
（1）
其中p为电机极对数，f为电机运行频率，s为滑差。
从式（1）看出，电机的同步转速正比于电机的运行频率（），由于滑差s一般情况下比较小（0～0.05），电机的实际转速约等于电机的同步转速。从所以调节了电机的供电频率，就能改变电机的实际转速，进而控制水泵流量的大小。
水泵功率与转速有下列三次方关系：
（2）
其中P为水泵消耗功率，KP为功率常数，n为电动机拖动水泵的转速。
由式（1）和式（2），得式（3）：
（3）
根据式（3）可以计算出：当频率从50Hz降至45Hz时，可节约水泵能耗27%左右。
更直观的水泵工作曲线图如图2所示，泵的轴功率与流量和扬程有以下关系，P∝KQH，Q为流量，H为泵出口压力。由于循环水泵受管道阻力影响较小，在出口压力基本恒定的情况下，转速降低，流量降低，使泵的输出功率减小。这种情况下节能效益比恒压供水要显著得多。图2中阴影部分为节能功率。
4 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IEE519-1992的谐波国家标准，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-BP38-1120F高压变频器技术参数如表3所示。
5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。通过目前氧化铝厂已有的DCS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，远控盒具有以下功能：开机、停机、急停、变频运行指示、变频停止指示、变频故障、频率指示及电流指示，并可在DCS上显示变频器的运行数据和当前状态，实时监控系统运行。
为了保证循环水泵系统的可靠性，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，这样可以保证循环泵的供水要求，提高了整个系统的安全稳定性。
循环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；在现场速度给定信号掉线时，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，可保证生产不受影响。
6 变频改造主回路介绍
氧化铝循环水泵系统变频改造采用1#、2#水泵共用一套高压变频器，3#、4#水泵共用一套高压变频器。高压变频器采用一拖二手动旁路方案，即配备两台高压变频器。以1#、2#水泵为例说明其控制思路，其一次系统接线图路如图3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。如图所示高压变频器可以拖动1#给水泵电动机实现变频运行，也可以通过切换拖动2#给水泵电动机实现变频运行。两侧给水泵电动机均具备工频旁路功能。
QF1和QF2分别为现场1#和2#循环水泵电源高压断路器；
QS11和QS21分别为1#、2#循环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系列高压变频器。
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，可实现水泵的远控操作。
7循环水泵电机变频注意事项
（1）目前，1#、2#电机共用一台变频器，3#、4#电机共用一台变频器。
（2）每次起泵、倒泵前电话通知电气值班人员电话、确认哪台电机使用哪台变频器。
（3）开机：每次变频启动电机确认给定最小频率35Hz后方能启动，待电机转速达到35Hz后手动把电磁阀门打开，直到全开后，把电磁阀手动开关转到自动，再把水泵频率开到生产所需的频率。
（4）停机：先把电机运行频率降到35Hz以下，看电磁阀门是否关闭，确认电磁阀门完全关闭后再点“停机”按钮，把设备完全停下来。
8 现场设备改造测试节能效果
循环水泵变频改造后，2011年6月，两套高压变频器一次性投入生产，至今运行正常。经过厂节能服务中心测试，系统达到了预期的效果。水泵变频改造后，循环水泵输入电流有明显下降，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。改造后的实际测量数据如表4所示。
为了对比改造前后的节能效果，在生产负荷基本相同的条件下，当工频运行时，原系统为1#、2#、4#循环水泵投入运行，经统计三台泵总的耗电量平均约为3300kW/h。当变频运行时，此时设备1#、4#循环水泵为变频运行，2#循环水泵为工频运行（全开阀门），3#循环水泵作为备用。抄录分解循环水耗电计量表数据如表5所示。
变频耗电=692.6+1100.57+697.7=2490.87kW/h
节电量=原工频耗电-变频耗电=3300-2490.87=809.13kW/h
节电率=节电量/原工频耗电=809.13/3300=24.5%。
另外循环水泵变频改造后，具有软启动、软停止；提高了机组水泵的运行效率；现场噪音大大降低，有效改善现场的运行环境，操作人员反映良好；便于实现厂循环水泵机组控制系统自动化管理。
9结束语
经过国内变频器厂家的不断努力，国内变频器产品以其性能良好，性价比高，良好的本地化服务，广泛应用于各行各业，并且综合效益显著，能短期内为用户收回投资。随着国家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。