高壓變頻器在供水系統中供水泵的應用

石獅供水股份有限公司　王建浦
北京利德華福電氣技術有限公司　賈恩存


一、前言
　　福建石獅供水公司設計有三臺供水泵組，前期為兩臺（#2、#3）供水泵組工頻啟動運行(#1供水泵組進行技改)，#2機組電機功率為200kW/10kV，泵組額定流量為4200m3/h，#3機組電機功率為1120kW/10kV，泵組額定流量為8200m3/h，由于全天各個時間段電價的不同及水廠用水量變化較大的因素，水廠平時要靠經常啟停供水泵組來控制系統的供水，會造成工頻啟動供水泵時對泵組及供水管道所造成的沖擊威脅，并且通過閥門的開度來調節供水量，大量電能消耗在閥門上。考慮到上述因素，供水站決定對#1供水泵組進行技改。
二、變頻改造方案
　　經過考察及研究，變頻調速在節能、調速精度、調速范圍等方面具有同其它調速裝置無法比擬的優越性，以及可以方便實現同自動化控制系統（如DCS系統等）的通訊，決定使用北京利德華福電氣技術有限公司變頻裝置帶#1泵組運行。并同時對#2、#3泵組進行增加軟啟動技改項目。
1、HARSVERT-A10/120型高壓變頻裝置原理
　　HARSVERT高壓變頻調速系統采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯多電平拓撲結構，主體結構由多組功率模塊串聯而成，從而由各組低壓疊加而產生需要的高壓輸出，它對電網諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置；輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。
　　變頻裝置10KV系統結構由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10KV系列有24個功率單元，每8個功率單元串聯構成一相。
　　每個功率單元結構以及電氣性能完全一致，可以互換，其電路結構見圖1，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，可得到如圖2所示的波形。


圖1. 功率單元電路結構


圖2. 單元輸出的PWM波形

　　輸入側由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構成48脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網側的電流波形，使其負載下的網側功率因數接近1。
另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，每個功率單元等效為一臺單相低壓變頻器。
　　輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接成星型接法直接給高壓電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到如圖3所示的階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。


圖3. HARSVERT-A系列變頻器的輸出波形

　　當某一個單元出現故障時，通過使圖1中的軟開關節點K導通，可將此單元旁路出系統而不影響其他單元的運行，變頻器可持續降額運行，可減少很多場合下停機造成的損失。
2、設備選型
　　引水一號機組技改配置水泵揚程45M，流量8600m3/h，配套電機1600kW/10kV，配套一臺北京利德華福電氣技術有限公司1600kW/10kV高壓變頻調速系統，變頻系統安裝、調試在2004年7月份完成并開始運行。
　　自水站引水通水以來，管路特性不斷惡化，后采用前加氯，管道特性開始好轉，但未達到設計值，選型時水泵揚程只有根據實際情況計算，水廠根據運行情況將水泵揚程設計值由50M降到45M，現實際運行時，額定點揚程45M，流量8600m3/h，保證了水泵在最高效區的運行。

三、改造后系統運行情況
1、變頻試運情況
　　試運行時，電機在頻率24-26Hz之間存在機械共振，后設置變頻跳躍頻率點，避開共振區，供水泵組穩定運行；實際調速時，水泵轉速可降到額定的40%，即198轉/分鐘穩定運行，各種參數符合其特性曲線。
2、變頻操作及節能情況
　　這次技改，通過變頻可以減少工作人員的工作量、保護管道、節省電耗，在選型及可行性認證中水站投入了比較大的精力，引水變頻的使用屬于采用調速且管路特性不變的情況，水泵運行時單泵走單管，不屬于變頻和工頻水泵并聯運行的情況，應該算是比較簡單并且最省電的情況，但實際上，由于峰谷電價、調節池的水位調節、水廠用水量變化較大（水廠取水只可用開關水泵調節）等因素，不能單純地按流量來調節，需要建立一個有效的數學模型進行變頻的控制，現將變頻的控制做一個說明：
　〈1〉變頻的數據采集是通過變頻本身的PLC模塊實現，PLC模塊和工控機通過485卡通訊，水站通過原有控制系統AB的PLC和變頻器西門子的PLC進行Modbus通訊，通訊成功后信號非常穩定。
　〈2〉變頻控制分開環和閉環控制（恒壓供水）兩種，水站的運行方式為開環運行，即在AB的PLC內計算數值輸送到變頻進行控制，泵站控制系統上位機的控制分為手動和自動兩種，手動即手動輸入頻率，自動為AB的PLC根據調節池水位、峰谷電價、總用水量的情況計算出變頻頻率控制變頻，自動方式受影響方式較多，為了實現自動控制，水站先對中控調度主機進行軟件修改，穩定了數據傳送，并在調節池增加了水位信號。
　　在信號穩定之前，變頻控制采用手動控制，電價谷值開1、3號機，其余開1、2號機，峰值變頻頻率調在30Hz，平值根據水位手動調節，這樣整個供水系統可年省100萬元以上（日供30萬噸），但手動調節存在不能合理地分配平值電價時的流量及時間控制上的誤差以及對日供水量的估計不足等因素，因此，水站在日供水在27.5-31萬噸時建立一模型，和手動調節的唯一不同在平值電價時頻率根據調節池水位及總用水量（山兜取水量+20萬噸取水量）進行調節，調節池水位設定在3.3m，運行一星期，和手動調節相比，千噸水的耗電量由112度降到105度（日供30萬噸），以平均電價0.51元/度計算，日省1071元，年省38萬元，自動運行后，到晚上11:00調節池水位保持在3.28-3.38之間，達到設計理想值，若將保持水位降到3.3M以下，則省電效果更加明顯。
　　在日供水流量低于27.5萬噸或大于31萬噸時，要達到最佳省電效果要調節工頻機（2#、3#機組）的運行時間，更加復雜，現水廠正在努力進行計算，爭取可以拿出一個最佳的方案。可見，建立一個可行有效的模型是省電的關鍵，在做好日常維護的同時，需時時根據管道參數及水泵運行參數模型完善運行模型，使之可以讓變頻發揮最大的作用。
四、結束語
　　高壓變頻裝置其節能效果明顯，采用變頻調速后，實現了電機的軟啟動，延長了電機的壽命，減少了對引水管路的沖擊，引水管路擋板全開，也減少了引水管道的震動和磨擦。總之，希望以北京利德華福電氣技術有限公司為代表生產的高壓變頻調速系統能以其可靠的運行性能及良好的節能效果為石獅供水站及其他廣大用戶創造了更大的經濟效益和社會效益。