國產(chǎn)高壓變頻器在齊魯石化供排水廠的應(yīng)用

　　1引言

　　目前，全世界正在為能源緊缺而困擾，我國的能源形勢(shì)尤其嚴(yán)峻。面對(duì)這樣的現(xiàn)實(shí)，國家有一系列的對(duì)策，因此頒布了《節(jié)能法》，并號(hào)召全社會(huì)為建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)而努力。節(jié)能改造就是其中有效途徑之一，節(jié)能改造有許多方面，其中通過對(duì)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵的高電壓大功率電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)節(jié)能，無疑是潛力最大的節(jié)能方式。隨著高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，使得該項(xiàng)技術(shù)在水廠大功率水泵上應(yīng)用成為可能。中國石化齊魯股份有限公司供排水廠正是在這種形勢(shì)下，對(duì)水泵設(shè)備進(jìn)行高壓變頻技術(shù)研究改造的。

　　2設(shè)備概況及改造方案

　　中國石化齊魯股份有限公司被喻為中國石化的明珠，在山東可謂家喻戶曉。齊魯石化供排水廠擔(dān)負(fù)著全公司的供水任務(wù)，西夏配水站是供排水廠的下屬單位之一，日設(shè)計(jì)供水能力20萬噸，清水泵房配備了五臺(tái)水泵機(jī)組，機(jī)組功率均為550KW/6KV，改造前全部定速運(yùn)行，水量大小通過改變閥門開度大小的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用變頻器對(duì)水泵進(jìn)行控制的目的：通過變頻器實(shí)現(xiàn)水壓閉環(huán)控制，保持管網(wǎng)壓力的恒定;在水泵出口閥門開度最大的情況下，通過變頻器改變輸出頻率，進(jìn)而改變水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供水量，以節(jié)約原來通過改變閥門開度調(diào)節(jié)供水量時(shí)浪費(fèi)在閥門上的能源;減輕水泵啟停對(duì)管網(wǎng)的沖擊。

　　經(jīng)多方調(diào)研考察，比較性價(jià)比，最終齊魯石化供排水廠決定選用我山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37型高壓變頻器對(duì)西夏配水站2#、4#水泵機(jī)組進(jìn)行調(diào)速改造，經(jīng)過雙方技術(shù)人員的合作，共同制定了水泵機(jī)組的變頻改造方案。改造方案采用一帶二的形式，即高壓變頻器拖動(dòng)配水站2#、4#機(jī)組任一臺(tái)，當(dāng)其中一臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)故障或檢修時(shí)，變頻器拖動(dòng)另一臺(tái)機(jī)組變頻運(yùn)行。配水站2#、4#機(jī)組為同型號(hào)機(jī)組，其中2#機(jī)組電機(jī)和水泵的主要參數(shù)如下：

　　1)水泵

　　型號(hào) 20SHO

　　額定流量 2016m3/h

　　額定揚(yáng)程 59m

　　額定軸功率 390KW

　　額定效率 83%

　　額定轉(zhuǎn)速 970rpm

　　2)電機(jī)

　　型號(hào) JQS158-6

　　額定功率 550KW

　　額定電壓 6KV

　　額定電流 64A

　　額定功率因數(shù) 0.89

　　額定轉(zhuǎn)速 987rpm

　　3風(fēng)光牌JD-BP37-630F高壓變頻器

　　齊魯石化供排水廠決定選用我公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37-630F高壓變頻器一拖二控制系統(tǒng)對(duì)2#、4#水泵機(jī)組作調(diào)速改造。以下是對(duì)風(fēng)光牌JD-BP37-630F高壓變頻器的一些介紹。

　　3.1JD-BP37-630F高壓變頻器的主要性能指標(biāo)：

　　變頻器額定功率 630KW

　　額定輸出電流 80A

　　輸入頻率 45Hz到55Hz

　　額定輸入電壓 6KV

　　允許電壓波動(dòng) ±20%

　　輸入功率因數(shù) ≥0.96(額定負(fù)載時(shí))

　　輸出電壓范圍 0～6KV

　　變頻器效率 ≥96%(額定負(fù)載時(shí))

　　輸出頻率范圍 0～50Hz

　　整流方式 36脈沖二極管全波整流

　　輸出方式 每相6單元正弦波脈寬調(diào)制輸出，直接輸出6KV

　　頻率分辨率 0.01Hz

　　過載能力 <120%長期運(yùn)行 150%連續(xù)1min >150%立即保護(hù)

　　操作鍵盤 中文彩色液晶觸摸屏

　　界面語言 簡體中文

　　控制電源 220VAC 10KVA

　　冷卻方式 強(qiáng)制風(fēng)冷

　　防護(hù)等級(jí) IP20

　　模擬量輸入 四路，0～10v/4～20mA,任意設(shè)定

　　模擬量輸出 兩路，0～10V/4～20mA可選

　　開關(guān)量輸入輸出 4入/16出(可按用戶要求擴(kuò)展)

　　通訊接口 RS232、RS485接口。

　　運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)記錄和輸出、自動(dòng)故障記錄、限流功能、輸出電壓自動(dòng)調(diào)整功能、單元旁路功能等。

　　可根據(jù)用戶要求作特殊設(shè)計(jì)。

　　3.2變頻器設(shè)計(jì)要求

　　風(fēng)光牌JD-BP37-630F為我公司生產(chǎn)的全數(shù)字交流高壓變頻器控制裝置，采用先進(jìn)的功率單元串聯(lián)載波移相技術(shù)、正弦波PWM調(diào)制方法，全中文操作界面，具有可靠性高，性能優(yōu)越，操作簡便等特點(diǎn)，具體設(shè)計(jì)要求如下所述：

　　(1)系統(tǒng)效率高，額定工況下，總效率在96%以上，其中變頻器部分效率大于98%。

　　(2)輸入側(cè)為36脈沖整流，變頻器引起的電網(wǎng)諧波電壓和諧波電流含量滿足IEEStd519-1992和GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》技術(shù)要求。

　　(3)變頻器額定輸入功率因數(shù)大于0.96，無須功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。

　　(4)變頻器輸出諧波含量低，可以驅(qū)動(dòng)普通高壓電動(dòng)機(jī)，而不會(huì)增加電機(jī)溫升，降低電機(jī)容量，電機(jī)電纜無任何長度限制;保護(hù)電機(jī)絕緣不受dv/dt應(yīng)力的損害;不會(huì)因?yàn)橹C波力矩而降低設(shè)備使用壽命。

　　(5)具有單元旁路功能，當(dāng)某個(gè)單元出現(xiàn)故障，系統(tǒng)可以自動(dòng)將其旁路，并降額繼續(xù)運(yùn)行，保證系統(tǒng)的可靠性。

　　(6)采用全中文操作平臺(tái)，10.4英寸真彩LCD顯示，觸摸屏直接操作，更適合國人使用習(xí)慣。

　　(7)功率單元模塊化結(jié)構(gòu)，可以互換，維護(hù)簡單。

　　(8)輸入電壓范圍寬，在6KV(&plusmn;20%)內(nèi)可連續(xù)運(yùn)行。

　　(9)功率單元采用光纖通訊控制，完全電氣隔離，抗干擾性強(qiáng)。

　　(10)內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行。

　　(11)內(nèi)置PLC，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的靈活控制。

　　3.3系統(tǒng)的構(gòu)成

　　(1)高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　(2)功率單元結(jié)構(gòu)圖

　　(3)一次回路及保護(hù)

　　DL、DL1、DL2 用戶原有高壓開關(guān)柜

　　BPQ JD-BP37-630F高壓變頻器

　　K1、K2高壓隔離開關(guān)

　　M1、M2 2#、4#水泵電機(jī)

　　變頻器供電電源及其保護(hù)由DL提供，速斷保護(hù)整定值按630KW重新整定。同時(shí)增加一面旁路柜，旁路柜有2個(gè)高壓隔離開關(guān)，通過開關(guān)組合，兩臺(tái)電機(jī)均可變頻運(yùn)行。

　　2個(gè)隔離開關(guān)之間及其斷路器之間用電磁鎖聯(lián)鎖，K1、K2只允許一個(gè)合閘;DL1合閘狀態(tài)，K1不允許操作;DL2合閘狀態(tài)，K2不允許操作。

　　當(dāng)K1、K2及DL供電電源斷開時(shí)，變頻器處于安全狀態(tài)，便于檢修，維護(hù)和調(diào)試。變頻器與DL供電電源高壓斷路器聯(lián)鎖。

　　合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號(hào)串聯(lián)于高壓開關(guān)合閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，變頻器故障或不就緒時(shí)，變頻器高壓開關(guān)合閘不允許。

　　故障分閘：將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘?hào)串聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入。

　　工頻合閘：變頻器運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時(shí)，可以給出工頻合閘信號(hào)，啟動(dòng)備用機(jī)組工頻運(yùn)行。

　　(4)二次回路及控制

　　控制系統(tǒng)由光纖板、信號(hào)板、主控板、PLC和人機(jī)界面組成。用戶提供控制回路220VAC電源。

　　控制系統(tǒng)與功率單元之間采用光纖通訊，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)弱電之間的光電隔離。

　　PLC用于變頻器內(nèi)部開關(guān)信號(hào)以及現(xiàn)場(chǎng)操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的邏輯處理。PLC還有處理4路模擬量輸入和2路模擬量輸出的能力，模擬量輸入用與處理來自現(xiàn)場(chǎng)的流量、壓力等模擬信號(hào)或模擬設(shè)置時(shí)的設(shè)置信號(hào);模擬輸出量可以是運(yùn)行頻率、電流等。

　　人機(jī)界面采用中文操作系統(tǒng)，彩色液晶觸摸屏，免費(fèi)提供軟件升級(jí)。人機(jī)界面圖如下示：

　　圖4人機(jī)界面圖

　　3.4控制方式

　　變頻器具有以下三種控制方式：

　　本地控制：從變頻器操作界面控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止，并能完成變頻器的所有控制。

　　遠(yuǎn)程控制：通過內(nèi)置PLC接受來自現(xiàn)場(chǎng)或控制室的開關(guān)量或模擬量控制。

　　上位控制：通過RS485接口，接受上位機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)通信功能，并有變頻器運(yùn)行/停止/故障信號(hào)顯示及轉(zhuǎn)速顯示等。

　　(1)速度設(shè)定方式

　　變頻器具有多種速度設(shè)置方式，在閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，速度設(shè)置方式即為被控量的給定方式。

　　本地設(shè)置：通過操作觸摸屏設(shè)置運(yùn)行頻率。

　　模擬設(shè)置：接收DCS系統(tǒng)0～10V或4～20mA模擬信號(hào)設(shè)置運(yùn)行頻率或被控量給定值。

　　通信設(shè)置：通過通信方式接收來自上位機(jī)的運(yùn)行頻率或被控量的給定值。

　　(2)運(yùn)行方式

　　變頻器具有開環(huán)和閉環(huán)兩種運(yùn)行方式。

　　開環(huán)運(yùn)行：變頻器以設(shè)置頻率輸出。頻率的設(shè)置方式有本地設(shè)置、模擬設(shè)置、通信設(shè)置。

　　閉環(huán)運(yùn)行：對(duì)一個(gè)運(yùn)行參數(shù)(如流量、壓力、溫度等，此處以壓力為例)實(shí)現(xiàn)跟蹤控制。閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，實(shí)際壓力信號(hào)來自安裝于供水管道上的壓力變送器，而壓力期望值有4種設(shè)置方式，分別為本地設(shè)置、模擬設(shè)置、通信設(shè)置。變頻器通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使實(shí)際壓力逼近壓力設(shè)置值，以保證供水管道的壓力恒定。

　　3.5對(duì)外接口

　　模擬量輸入：4路，4～20mA或0～10VDC。4～20mA時(shí)輸入阻抗250&Omega;，0～10VDC電壓輸入時(shí)輸入阻抗&ge;10M&Omega;。用于接收速度設(shè)置或被控量設(shè)置的模擬信號(hào)，例如現(xiàn)場(chǎng)的流量、壓力、煙氣濃度等信號(hào)。

　　模擬量輸出：2路，4～20mA或0～10VDC輸出。4～20mA輸出時(shí)最大阻抗500&Omega;，0～10VDC電壓輸出時(shí)最小阻抗5000&Omega;。以模擬方式輸出變頻器的運(yùn)行速度、輸出頻率、電流等變量。

　　數(shù)字量輸入：24路，光電隔離，隔離電壓500VAC,接收遠(yuǎn)程控制信號(hào)、速度給定開關(guān)信號(hào)及各開關(guān)狀態(tài)等。

　　數(shù)字量輸出：16路，中間繼電器隔離，隔離電壓750VAC,接點(diǎn)容量2A,輸出變頻器狀態(tài)、控制主電源開斷等。

　　通信接口：RS485,實(shí)現(xiàn)與上位系統(tǒng)的通訊。

　　3.6特殊功能

　　變頻器除了以上基本功能以外，還具有如下特殊功能：

　　(1) 閥門真空度檢測(cè)。

　　變頻器在啟動(dòng)水泵以前，會(huì)自動(dòng)判斷真空度的值，如果沒有真空度或沒有達(dá)到要求，變頻器會(huì)提供報(bào)警信號(hào)，并拒絕啟動(dòng)水泵。

　　(2)配置工頻旁路。

　　變頻提供手動(dòng)旁路開關(guān)，使水泵機(jī)組既可變頻運(yùn)行，又可工頻運(yùn)行。

　　(3)具有閥門聯(lián)動(dòng)功能。

　　在開泵和停泵的過程中，值班人員無需再對(duì)閥門進(jìn)行任何操作，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)開停泵的全部自動(dòng)化。

　　(4)零流量自動(dòng)停機(jī)功能。

　　當(dāng)用戶用水量為零時(shí)，壓力比較高時(shí)，這時(shí)變頻器自動(dòng)停機(jī)。待用戶管網(wǎng)壓力到啟動(dòng)壓力后，變頻器自動(dòng)開機(jī)運(yùn)行。

　　4變頻器運(yùn)行情況

　　高壓變頻器一次調(diào)試成功，并通過齊魯石化供排水廠驗(yàn)收，我高壓變頻器運(yùn)行良好。從變頻器投入運(yùn)行的應(yīng)用效果來看，完全達(dá)到了用戶進(jìn)行水泵變頻改造的目的，較改造前其優(yōu)越性體現(xiàn)于：

　　(1) 操作簡便，易于觀察。

　　變頻器運(yùn)行時(shí)的所有數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)在上位機(jī)顯示屏都可顯示，如運(yùn)行頻率，輸入電壓，輸入電流，輸出電壓，輸出電流，開閉環(huán)，壓力值等。上位機(jī)顯示屏操作簡單明了，觀察方便。

　　(2)變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好。

　　風(fēng)光牌JD-BP37-630F高壓變頻器投入運(yùn)行以來，運(yùn)行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平滑可靠，電壓和電流正常，沒有出現(xiàn)異常現(xiàn)象。

　　(3)減輕了值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　由于變頻器具有閥門聯(lián)動(dòng)功能，隨著供水水量的變化， 值班人員在值班時(shí)通過微機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行操作，不再需要頻繁地開停大小泵及閥門，工作量大大減小。

　　(4)恒壓控制。

　　采用壓力閉環(huán)恒壓控制，用戶只需根據(jù)實(shí)際供水需要設(shè)定所需壓力，變頻器自動(dòng)恒壓運(yùn)行，壓力設(shè)定方便，精確穩(wěn)定，保證管網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，提高了供水質(zhì)量。

　　(5)降低了維護(hù)費(fèi)用。

　　由于變頻器對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小，對(duì)水泵機(jī)組沒有任何機(jī)械沖擊，通過泵變速調(diào)節(jié)來減小流量還有利于降低離心泵發(fā)生汽蝕的可能性，相應(yīng)地延長了水泵、電機(jī)及閥門的使用壽命，大大降低了維護(hù)工作量和維護(hù)成本。

　　(6)節(jié)電效果分析：

　　這次改造的是齊魯石化供排水廠的生產(chǎn)用水，在生產(chǎn)用水中，電廠又是一個(gè)大戶，供水壓力以滿足電廠需求為主。水廠一般情況下開兩臺(tái)水泵即可滿足供水要求。在電廠補(bǔ)水時(shí)，需調(diào)高供水壓力至0.56MPa，一次補(bǔ)水大約20-30分鐘，其補(bǔ)水沒有一定的規(guī)律，不補(bǔ)水時(shí)，壓力維持在0.50MPa。變頻改造后，采用恒壓供水，由圖6可知變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的特性曲線，工頻泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的曲線如圖中F1所示，C點(diǎn)為單臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)，F(xiàn)2為兩臺(tái)相同的泵工頻運(yùn)行時(shí)的特性曲線，A為工作點(diǎn)，揚(yáng)程Ha=Hf，流量Qa=2Qf。當(dāng)流量由Qa變?yōu)镼b時(shí)，管網(wǎng)阻力曲線變?yōu)镽2，上述對(duì)應(yīng)關(guān)系仍然成立，此時(shí)在保證管網(wǎng)壓力不變的情況下，揚(yáng)程損失為&Delta;H=2*(Hb-Ha)(調(diào)節(jié)兩臺(tái)泵的閥門時(shí))或&Delta;H=He-Ha(調(diào)節(jié)一臺(tái)泵的閥門時(shí))。采用一臺(tái)變頻泵和一臺(tái)工頻泵并聯(lián)運(yùn)行供水時(shí)，F(xiàn)3為變頻泵單獨(dú)運(yùn)行的特性曲線，F(xiàn)3為F1下方的一簇曲線，根據(jù)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)工作揚(yáng)程相等，流量相加的原則，可得出兩臺(tái)泵的運(yùn)行曲線F4，此時(shí)流量Qb=Qd+Qf揚(yáng)程Ha=Hd=Hf，由圖5可知，當(dāng)流量減小越大時(shí)，變速調(diào)節(jié)的節(jié)能效率也越大。

　　變頻器投入正常運(yùn)行后，經(jīng)長時(shí)間觀察，變頻器大部分時(shí)間運(yùn)行40Hz-47Hz之間，變頻泵的流量保持在700m3/h-1800m3/h之間，管道壓力保持0.55MPa。只有少部分時(shí)間工作在高頻或低頻，在用水高峰時(shí)，變頻器工作在50Hz正好能滿足需求，可見變頻器的調(diào)節(jié)范圍能夠滿足用戶生產(chǎn)的需要。為了對(duì)比變頻器節(jié)能的情況，選取1#工頻機(jī)組和2#變頻機(jī)組作為參照，隨機(jī)抽取一個(gè)工作周，網(wǎng)側(cè)計(jì)量耗電量，每天耗電量數(shù)據(jù)分別記錄如下：

　　1#工頻機(jī)組一周耗電量為：87860 KWh，一周電費(fèi)為：39537元。

　　2#變頻機(jī)組一周耗電量為：61120 KWh，一周電費(fèi)為：27504元。

　　節(jié)電率=(87860 KWh -61120 KWh)/87860 KWh&times;100%=30%。

　　平均一天節(jié)電費(fèi)為：(39537-27504)元/7d=1719元。

　　一年按300天運(yùn)行計(jì)算，一年節(jié)省電費(fèi)：1719元&times;300天=515700元。

　　節(jié)電率達(dá)30%，節(jié)電效果還是非常可觀的。單從節(jié)電費(fèi)一項(xiàng)計(jì)算，用戶投資一年半基本可以收回。

　　5結(jié)束語

　　總之，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-630F高壓大功率變頻器在齊魯石化供排水廠西夏配水站給水泵上的成功運(yùn)行，再次證明其在水行業(yè)的水泵調(diào)速應(yīng)用中所無可比擬的優(yōu)越性。