高壓變頻器在銅陵首創(chuàng)水務(wù)有限責(zé)任公司
三水廠凈化站1#泵的應(yīng)用
銅陵市供水總公司前身為1962年設(shè)立的銅陵自來(lái)水廠,1997年更名為銅陵市供水總公司,系經(jīng)銅陵市人民政府批準(zhǔn)成立的國(guó)有企業(yè),公司主要生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)范圍為自來(lái)水生產(chǎn)、供應(yīng)、自來(lái)水管道安裝,維修,勞務(wù)服務(wù),水暖器材銷售。公司現(xiàn)有三座水廠,供水能力19萬(wàn)立方米/日,服務(wù)人口約40萬(wàn)人。日供水規(guī)模10萬(wàn)立方米的三水廠二期工程正在建設(shè)中。此次項(xiàng)目改造主要對(duì)三水廠凈化站1#泵實(shí)施高壓變頻節(jié)能改造。
一、設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)
5.1電動(dòng)機(jī)參數(shù)
電機(jī)型號(hào)：Y5002-6; 電壓等級(jí)： 10kV;額定電流： 40.5A
電機(jī)功率： 560kW; 額定轉(zhuǎn)速： 991r/min
5.2 負(fù)載參數(shù)
負(fù)載類型：離心泵; 配用功率：560kW
額定轉(zhuǎn)速：960 r/min; 額定流量：3000m3/h; 揚(yáng)程：49m
二、高壓變頻器的整體方案
應(yīng)用-84a28640-b62d-4263-9389-66d76591b291/高壓變頻器在供水行業(yè)應(yīng)用-84a28640-b62d-4263-9389-66d76591b291.003.png)
根據(jù)我公司在城市供水行業(yè)實(shí)際應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，為確保供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，供水泵560kW/10kV選用SUPERDRIVE A7-10-10-560KW帶手動(dòng)“一拖一”旁路的變頻器。它采用直接“高-高”形式，單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每相由8個(gè)功率模塊串聯(lián)而成，經(jīng)過(guò)多級(jí)移相疊加的整流方式，消除了大部分由獨(dú)立功率模塊引起的諧波電流，大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，實(shí)際測(cè)量后網(wǎng)側(cè)電流近似為正弦波，不用更換原來(lái)的電機(jī)和電纜，完全適合舊設(shè)備的改造。
推薦如圖旁路方案：其中：Q1、Q2、Q3為高壓隔離開關(guān)，QF高壓斷路器， VVVF表示高壓變頻器，M表示電機(jī)。
當(dāng)變頻運(yùn)行時(shí)，Q1和Q2閉合、Q3斷開。變頻器故障時(shí)，變頻器對(duì)高壓斷路器QF進(jìn)行連鎖，QF跳開。然后斷開Q1、Q2，合上Q3，當(dāng)判斷可以工頻運(yùn)行時(shí)，變頻器允許QF合閘，撤消對(duì)QF的跳閘信號(hào)，電機(jī)能正常通過(guò)QF合 閘工頻啟動(dòng)。這其中要求：Q2和Q3不能同時(shí)閉合，在機(jī)械和電氣上實(shí)現(xiàn)互鎖。
備注：圖中的QF高壓斷路器由招標(biāo)方提供。
三、 遠(yuǎn)程閉環(huán)控制方案
信號(hào)發(fā)送：
管網(wǎng)末端的壓力信號(hào)通過(guò)壓力傳感器采集，壓力傳感器的輸出為4-20mA。將這個(gè)4-20mA的壓力信號(hào)通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊直接變成可通信的數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS或CDMA無(wú)線發(fā)送出去。
信號(hào)接收：
遠(yuǎn)方的壓力信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至三水廠控制室。可通過(guò)GPRS或CDMA來(lái)進(jìn)行接收。
控制室的控制用PLC(S7-200)通過(guò)與GPRS（或CDMA） MODEM相連，從而可接收來(lái)自遠(yuǎn)方（長(zhǎng)途車站）的壓力信號(hào)。應(yīng)用-84a28640-b62d-4263-9389-66d76591b291/高壓變頻器在供水行業(yè)應(yīng)用-84a28640-b62d-4263-9389-66d76591b291.004.png)
分時(shí)段壓力調(diào)節(jié)
采用三水廠控制室的主控電腦進(jìn)行控制和操作，增加工控機(jī)組態(tài)控制畫面。畫面可通過(guò)設(shè)定不同時(shí)段的壓力信號(hào)與設(shè)定頻率的關(guān)系，可使變頻器自動(dòng)按照壓力變化分時(shí)運(yùn)行在不同的壓力段。
實(shí)施步驟：
1） 在長(zhǎng)途車站重新安裝壓力測(cè)量點(diǎn)，末端加裝一個(gè)壓力傳感器，該壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)成4-20mA信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的4-20mA信號(hào)通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊轉(zhuǎn)變成可用于GPRS或CDMA傳送的數(shù)據(jù)，無(wú)線發(fā)送出去。該步驟使壓力信號(hào)單獨(dú)測(cè)量，單獨(dú)發(fā)送，保證了信號(hào)的可靠穩(wěn)定傳輸。
2）在三水廠高壓變頻器室的墻體安裝控制箱，控制箱內(nèi)包括無(wú)線接收模塊和PLC(S7-200),用來(lái)接收來(lái)自長(zhǎng)途車站的壓力信號(hào)，并轉(zhuǎn)變成PLC可識(shí)別的數(shù)據(jù)。同時(shí)控制箱內(nèi)的PLC(S7-200)與高壓變頻器通過(guò)硬接線方式連接，接收變頻器的操作、顯示信號(hào)。
3）變頻器室內(nèi)控制箱中的PLC（S7-200）通過(guò)MPI與S7-300站通信，與三水廠控制室的PLC(S7-300)連接?？刂剖覂?nèi)的工控機(jī)與PLC（S7-300）通過(guò)網(wǎng)線相連。
4）在控制室內(nèi)的工控機(jī)完成變頻器的控制畫面，該畫面可完成的功能有：變頻器的遠(yuǎn)程啟動(dòng)、停機(jī)、急停、復(fù)位操作；變頻器的運(yùn)行、就緒、報(bào)警、故障狀態(tài)顯示；變頻器的運(yùn)行頻率、輸出電流的顯示；水壓閉環(huán)控制功能。
5）在控制畫面可實(shí)現(xiàn)，當(dāng)遠(yuǎn)程傳輸?shù)膲毫π盘?hào)丟失一定時(shí)間或在閉環(huán)控制中發(fā)生頻率調(diào)節(jié)達(dá)到運(yùn)行頻率上限/下限時(shí)，畫面顯示報(bào)警。同時(shí)變頻器維持報(bào)警前的運(yùn)行頻率。若變頻泵運(yùn)行中不能滿足水廠供水要求，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示操作人員加入新的運(yùn)行泵。若連續(xù)兩個(gè)采樣周期壓力差值超過(guò)某一設(shè)定壓力值，顯示“壓力突變報(bào)警”。
通過(guò)以上步驟，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)途車站末端水壓的獨(dú)立測(cè)量、獨(dú)立無(wú)線傳輸與接收，保證了信號(hào)的穩(wěn)定可靠。在水廠控制室工控機(jī)完成的控制畫面，可實(shí)現(xiàn)變頻器的閉環(huán)控制、分時(shí)段分壓控制功能，以及變頻器工作狀態(tài)的監(jiān)控。
四、變頻器的運(yùn)行情況
三水廠取水泵采用開環(huán)運(yùn)行方式，一般頻率運(yùn)行在38Hz-45Hz之間。 三水廠供水泵采用閉環(huán)運(yùn)行方式，運(yùn)行參數(shù)如下表：
時(shí)間段 | 運(yùn)行壓力（MPa） | 運(yùn)行頻率（Hz） | 輸入電流（A） | 輸出電流（A） | 輸出電壓(KV) |
5:00-9:00 | 0.38 | 48.5 | 29.3 | 32 | 10 |
9:00-16:00 | 0.36 | 42.74 | 13.8 | 19.4 | 8.9 |
16:00-22:00 | 0.38 | 49.46 | 32.2 | 34 | 10 |
22:00-5:00 | 0.28 | 35 | 5.8 | 14.5 | 7.5 |
通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)變頻器運(yùn)行在37Hz及以下機(jī)泵不出水，所以我們把頻率限制在38Hz。在日常運(yùn)行中，早上4點(diǎn)加開一臺(tái)工頻機(jī)組，當(dāng)變頻器頻率達(dá)39Hz左右，關(guān)閉工頻機(jī)組，只運(yùn)行一臺(tái)變頻器；在下午16點(diǎn)用水高峰時(shí)，再加開工頻機(jī)組。這樣合理開關(guān)車既滿足了出廠水壓力，同時(shí)又節(jié)約了大量能源。
五、系統(tǒng)應(yīng)用效果
水泵電機(jī)采用高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行后，在有效的調(diào)速區(qū)段內(nèi)運(yùn)行十分平穩(wěn)，與原來(lái)全部工頻電機(jī)運(yùn)行相比，由于變頻器對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了柔性啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大大減小，對(duì)機(jī)組沒(méi)有任何沖擊，相應(yīng)延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，大大減輕了維護(hù)工作量，減少了維護(hù)成本。
· 變頻器有效的水壓閉環(huán)控制功能，使水壓調(diào)節(jié)平滑可靠，轉(zhuǎn)速無(wú)波動(dòng)。電機(jī)與多功能閥門聯(lián)動(dòng)，只要給定頻率，電機(jī)啟動(dòng)，多功能閥自動(dòng)開啟，使得開關(guān)機(jī)組變得簡(jiǎn)單。
· 變頻器投入運(yùn)行后，由于電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)提高到0.96以上，在各種負(fù)荷下，電網(wǎng)側(cè)電流大大下降，電機(jī)的無(wú)功電流由變頻器直接補(bǔ)償。
· 節(jié)能方面，我廠進(jìn)行了測(cè)試：在同種工況下，采用單臺(tái)機(jī)組電度表分別計(jì)量的方式，單臺(tái)機(jī)組節(jié)電率達(dá)32%，每年將節(jié)電100萬(wàn)元左右。