高壓變頻器在除磷泵上的應用

　　一.引言

　　福建省三鋼(集團)有限責任公司前身為福建省三明鋼鐵廠，建于1958年。2000年4月，經福建省人民政府批準改制設立福建省三鋼(集團)有限責任公司。歷經50多年的發展，三鋼集團已形成年產鋼500萬噸以上規模和以鋼鐵業為主、集多元產業并舉的跨行業、跨地區、跨所有制的大型企業集團，是福建省最大的鋼鐵生產基地和化肥生產基地。

　　二.設備工藝及變頻調速系統

　　高壓除磷泵站是為粗除磷供給高壓水，其作用是用高壓水除去板坯表面的氧化鐵皮，提髙成品板帶的表面質量。采用調節閥門的大小進行調節供水量，過去根據供水的高低峰進行人為調節，并且調節精度不夠，造成水資源和電能的浪費。因此，改進水泵的調節方式是降低水泵耗電量的最有效途徑。采用高壓變頻調速系統恒壓供水，節能效果顯著。

　　圖除磷泵現場工藝

　　現場高壓除磷泵站共2臺泵，一用一備。電機額定電壓：10KV;額定電流：185A;額定轉速：2982r/min;功率因數：0.9;額定功率：3000KW。采用Harvest-VA10/180型號變頻器。

　　1.改造前系統存在的問題：

　　1.1該機組屬于小流量，大壓力工作機組，電機工頻運行，不噴水時壓力過高，造成能源浪費。

　　1.2由于流量和壓力的不能調節，使水泵不能運行在最佳工況點，管網阻力曲線發生變化，泵的揚程損失較大，電機的能耗浪費較大，設備運行不經濟。

　　1.3電機在工頻電網下依托電網容量軟啟動。大容量的高壓電機軟啟動會產生巨大的沖擊電流與沖擊轉矩，巨大的沖擊電流能夠造成定子繞組絕緣的機械損傷和磨損，從而導致定子絕緣繞組擊穿。直接啟動時的沖擊電流還會引起鐵芯振動，引起電機發熱，電機的損耗增加。

　　1.4原高壓電機以工頻電源驅動時，電機定速運行，不僅浪費能源，而且會產生“憋泵”現象，對管網造成巨大的危害，無形中增加了維修維護的費用。.

　　2、高壓變頻在此系統上的應用

　　除磷泵采用Harvest-VA系列高壓變頻調速系統，其基本原理：采用單元串聯多電平技術，屬于高-高電壓源型變頻器。變頻器主要由移相變壓器、功率單元和控制器組成：

　　移相變壓器：電網電壓經過干式移相變壓器降壓后給變頻器功率單元供電，變壓器采用移相多重化設計，以達到降低輸入諧波電流的目的。

　　功率柜：功率柜為三組輸入、單組輸出的交一直一交電壓源型逆變器結構，功率單元通過整流、逆變過程實現對驅動電機供電電源的頻率調節。變頻器采用8個獨立功率單元串聯的方式來實現高壓輸出。有利于改善輸出波形，由諧波引起的電機發熱，噪音和轉矩脈動都大大降低，所以這種變頻器對電機沒有特殊要求，可直接用于普通異步電機，不需要輔出濾波器。

　　控制器：控制器是變頻器的控制中心，它完成變頻器頻率調節的全過程控制、變頻器電氣保護功能實現、以及變頻器的人機交互與通訊接口功能實現。

　　圖高壓變頻調速系統外形圖

　　圖變頻器的功率單元示意圖

　　三.除磷系統改造的實施

　　1.技術原理

　　除磷系統使用的是高壓離心泵，空轉時電能消耗較大，一般除磷工作時間只占40~50%，因此如果讓高壓離心泵在整個生產周期中都工作，其大部分時間都會處于空轉狀態，有較多的的電能被浪費掉。采用髙壓變頻調速控制除磷水泵轉速，即根據除磷系統蓄能器液位(或壓力)調節高壓離心泵的轉速，當蓄能器液位達到上工作液位或壓力達到上限時，離心泵降速運行;當蓄能器液位達到下工作液位壓力達到下限時，離心泵升速運行，達到穩定控制輸出壓力，保證輸出流量，并達到節能的效果，這是帶鋼高壓除磷系統最佳的節能控制模式。

　　2.性能指標

　　2.1以多點不間斷連續測控實時參數為依據的恒壓閉環運行控制方式，實際壓力信號來自于現場信號，變頻器通過調節速度，使實際壓力逼近壓力設置值，以保證系統的壓力恒定。

　　2.2避免高壓水除磷系統突然泄壓和突然增壓。

　　2.3變頻器上下限頻率的設定，一定要確保的出水輸出壓力能達到工藝要求的除磷壓力。

　　四.冷卻系統

　　高壓變頻器對運行環境溫度通常要求在0～40℃，環境粉塵含量低于950ppm。過高的溫度會造成變頻器溫度過熱保護而跳閘，粉塵含量過高導致變頻器通風濾網更換清洗維護量過高，增加維護費用。三鋼中板廠采用BLH-CK系列空-水冷卻系統。該系統從根本上解決了單位散熱密度高、功率大，有效提高系統安全可靠性、降低運營成本的問題。

　　其主要原理是：將變頻器的熱風通過風道直接通過空冷裝置進行熱交換，由冷卻水直接將變頻器散失的熱量帶走;經過降溫的冷風排回至室內。空冷裝置內通過冷水溫度低于33℃，即可以保證熱風經過散熱片后，將變頻器室內的環境溫度控制在40℃以下滿足變頻器對環境運行的要求。從而，保證了變頻器室內良好的運行環境。冷卻水與循環風完全分離，水管線在變頻室外與高壓設備明確分離，確保高壓設備室不會受到漏水、絕緣破壞等安全威脅和事故。

　　同時，由于房間密閉，變頻器利用室內的循環風進行設備冷卻，具有粉塵度低，維護量小的特點;減少了環境對變頻器功率柜、控制柜運行穩定性的不利影響。

　　圖空-水冷卻系統室內引出風道

　　圖空-水冷卻系統室外冷卻器裝置

　　五.節能效果

　　采用高壓變頻調速后取消了閥門調節，閥門全開，電機負荷隨水泵負荷上下波動，節能一般在20%以上。由流體力學三定律可知，流量與轉速成正比，揚程與轉速平方成正比，功率與轉速立方成正比，從理論上得出轉速降10%的時候，會帶來30%的功率下降，由于功率的大幅度下降，可獲得顯著的節電效果。

　　由于除磷泵的特殊性，現場運行頻率低檔為22HZ，高檔為46HZ，設備投入運行時間較短，采集不到現場數據，理論上分析其節能效果最少能在25%。

　　六.總結

　　對該系統進行變頻改造后會產生的一些其它影響總結如下幾個方面：

　　(1)變頻改造后，實現電機軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。

　　(2)系統效率得到提高，消除了閥門損失，取得節能效果。

　　(3)由于除磷泵采用轉速調節后，工作特性改變，設備工況得到改善，延長設備使用壽命。

　　(4)除磷泵改變頻后，由于變頻器采用單元串聯移相技術，因此在理論上可以消除41次以下諧波。由于實際制造工藝的限制，網側電壓諧波總含量可以控制在2%以內，電流諧波總含量小于4%。

　　(5)現場運行頻率低檔為22HZ，高檔為46HZ，從低檔到高檔加速時間為8秒，完全滿足工藝要求。

　　(6)該變頻器為電壓源型結構，功率因數可高達0.95。

　　三鋼中板廠高壓除磷系統的成功應用，為以后更大功率電機的應用提供了良好的應用經驗，同時也證明了北京利德華福電氣技術有限公司生產的高壓變頻調速系統在矢量控制等方面的技術成熟，滿足現場工藝的特殊要求。