工控自動化應用方案：國產高壓變頻調速技術在天津新開河水廠的應用

國產高壓變頻調速技術在天津新開河水廠的應用

1．前言
　　隨(sui)著(zhe)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)與(yu)電(dian)力(li)變(bian)流(liu)器(qi)件(jian)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，高(gao)壓(ya)大(da)功(gong)率(lv)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)技(ji)術(shu)在(zai)國(guo)內(nei)外(wai)均(jun)有(you)長(chang)足(zu)的(de)發(fa)展(zhan)，尤(you)其(qi)是(shi)近(jin)來(lai)隨(sui)著(zhe)智(zhi)能(neng)芯(xin)片(pian)技(ji)術(shu)在(zai)容(rong)量(liang)與(yu)速(su)度(du)方(fang)麵(mian)新(xin)的(de)突(tu)破(po)，智(zhi)能(neng)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)再(zai)上(shang)一(yi)個(ge)新(xin)台(tai)階(jie)，其(qi)與(yu)高(gao)壓(ya)大(da)功(gong)率(lv)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)技(ji)術(shu)的(de)結(jie)合(he)使(shi)其(qi)如(ru)虎(hu)添(tian)翼(yi)，新(xin)的(de)設(she)備(bei)產(chan)品(pin)不(bu)斷(duan)湧(yong)現(xian)。這(zhe)些(xie)年(nian)我(wo)們(men)已(yi)經(jing)大(da)量(liang)地(di)接(jie)觸(chu)了(le)日(ri)本(ben)東(dong)芝(zhi)、富士公司，德國西門子公司、法國阿爾斯通公司、瑞士ABB公司、丹麥丹佛斯公司、美國AB、GE、羅賓康公司等等的各種變頻調速技術。電力電子器件與技術的發展也經曆了SCR、GTO、GTR與SGCT，以及IGBT、IGCT技ji術shu。就jiu在zai這zhe國guo外wai變bian頻pin調tiao速su設she備bei技ji術shu的de日ri益yi湧yong現xian中zhong，現xian在zai出chu現xian了le我wo們men國guo內nei的de利li德de華hua福fu等deng公gong司si開kai發fa生sheng產chan的de高gao壓ya變bian頻pin調tiao速su技ji術shu，以yi及ji華hua為wei等deng公gong司si開kai發fa的de低di壓ya變bian頻pin調tiao速su技ji術shu，給gei我wo們men變bian頻pin調tiao速su技ji術shu國guo產chan化hua帶dai來lai了le新xin的de生sheng機ji。本ben人ren對dui此ci不bu做zuo綜zong合he評ping述shu，僅jin就jiu這zhe一yi年nian來lai在zai天tian津jin水shui司si新xin開kai河he水shui廠chang應ying用yong的de利li德de華hua福fu高gao壓ya大da功gong率lv6KV/1000 KW變頻調速裝置做一初步探討。
　　新開河水廠始建於86年，二期擴建通水在95年，其日產水能力100萬噸，僅該廠水泵電機調速技術就有多種。86年投產之初，在一期送水泵房采用的是國產西安整流器廠的2套6KV/1000KW繞線轉子電機串級調速裝置，二期擴建時，在計量泵上應用的是西門子公司的低壓小功率變頻調速器，在排水泵房應用的是低壓75KW富士變頻器，在二期送水泵房應用的是ABB公司2200V/1650KW GTO變頻調速裝置。水廠在水泵調速技術應用上已有一定的曆史。
　　2001年新開河水廠在一期泵房舊設備改造安裝使用了清華大學技術、利德華福公司生產的HARSVERT－A06/130型6KV/1000KW高壓直接變頻調速裝置，其拖動的設備水泵為：32SA－10型1983年9月生產的長沙水泵廠產品：電機為湘潭電機廠1983年9月生產的Y1000―10/1430普通鼠籠型產品。該泵組於87年投產運行，是至安裝該變頻調速裝置時已運行使用13年之久的舊設備。現場安裝極為簡單，隻將原6KV真空斷路器至6KV電機間串接該裝置即可，不需其他降壓、升壓變壓器等設備。6月27日現場吊裝安調，6月30日即拖動水泵開始並網送水，投入使用。
2．基本電氣原理與特點
2.1 基本電氣原理
　　HARSVERT―A06/130型高壓變頻調速係統基本電氣原理見附圖一所示。由三大部分組成：移相整流變壓器、功率單元和控製器組成。其中6KV係列有21個功率單元，每7個功率單元串聯構成一相。其基本工作原理是：6KV高壓電經過副邊7組三相輸出的降壓、移相、隔離變壓器輸送給各個功率單元，功率單元（見附圖二）為三相輸入、單相輸出，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控製，相鄰功率單元的輸出端串接起來，實現變頻後的高壓正弦波輸出，直接驅動高壓電機。
　　由電氣原理圖可見6KV輸入側為二極管全波整流42脈衝構成多極移相疊加的整流方式極大地改善網側的電流波型，使其負載下的網側功率因數接近1.0。輸出側由每個功率單元的U、V輸出端子相互串聯而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波型進行重組，得到階梯的PWM波型，該波型正弦度好，dv/dt小，可以降低輸出諧波及由此引起的電機振動、電機發熱、噪zao音yin等deng。從cong而er減jian少shao對dui輸shu出chu電dian纜lan和he電dian機ji的de絕jue緣yuan損sun壞huai，無wu須xu濾lv波bo器qi，電dian機ji不bu需xu降jiang額e使shi用yong，可ke直zhi接jie驅qu動dong普pu通tong鼠shu籠long電dian機ji，同tong時shi可ke用yong於yu舊jiu設she備bei的de改gai造zao。
　　該裝置在控製櫃的麵板上設置一個工業現場型的觸摸屏與彩色液晶顯示屏，內置一台PLCyongyuguitineikaiguanxinhaodeluojichuliyijiyuxianchanggezhongcaozuoxinhaohezhuangtaixinhaodexietiao，zengqianglexitongdekekongxingyulinghuoxing。youyukongzhiqiyugonglvdanyuanzhijiancaiyongguangxiantongxunjishu，diyahegaoyawanquangeli，xitongjuyoujigaodeanquanxinghehenhaodekangdianciganraoxingneng。kongzhizhuangzhikeyitongguobiaozhunjisuanjijiekouyugongkongPC鏈接，提供友好的全中文Windows98監控和操作界麵，與機裝控製器協同運算，達到最優的運行性能。同時可以實現遠程監控和網絡化控製。其實現的功能包括：係統功能設定，參數設定、故障信息查詢、運行波形顯示、運行數據記錄、運行模式設定、報警及報警解除與係統複位等等。
2.2 該裝置的特點
　　2.2.1 適合中國國情的設計：由於每個功率之內有濾波電容，再加多組串聯結構，可適用於中國電網電壓波動大的現狀、裝置額定輸入電壓6KV +5% ~ -10%，實際使用適用範圍還要大。
　　2.2.2 無論是設備上的控製器，還是外聯的工業PC，人機界麵均設計成全中文漢化的人機界麵，特別適合工廠現場工人操作的現實。
　　2.2.3 由於係統不是高低高或高低的傳統的加降壓、升壓變壓器或電機降壓使用的係統結構，所以係統的效率極大的提高，變頻器的效率在額定負載下＞0.96。
　　2.2.4 由於功率單元采用二極管全波整流、且有濾波電容設計，所以係統的功率因數很高，Cosф＞0.95，甚至接近1.0。
　　2.2.5 由於功率單元分為7個不同相位組，相差8.6度電角度，故二極管全波型流形成42脈波的效果，理論上41次以下諧波基本不存在，故諧波幹擾很低。
　　2.2.6 由於裝置上設置了高速PLC控製器，可以適用不同的控製要求與控製方式。
　　2.2.7 如原理所述其有很好的變頻正弦波輸出，波紋係數低，從而被拖動的電機低噪音，低振動、不易發熱，特別適合舊設備改造。
　　2.2.8 對被拖動的電動機可以實現過載、過流保護的電機保護。
　　2.2.9 具有高可靠性、高抗幹擾能力。
3．在天津公司的實際應用情況
3.1 變頻器一體化設計、體積小，方便安裝與調試
　　由於HARSVET―A06/130型變頻器不需另外加裝變壓器、電抗器、濾波器、補償電容器、啟動設備等一係列其他裝置，其自成係統，所有設備、器件都裝設在自己的裝置內，所以一體化設計體積很小，結構緊湊，現場占地很小、接線很少、安裝調試簡單周期短，三天安調完畢，水泵並網投運。
3.2 變頻器運行穩定、性能良好，對電網諧波汙染少。
　　變頻器投運以來，運行穩定，電壓、電流穩定，沒有波動現象，轉速調節平滑可靠，升、降速平穩，表現出變頻器良好的性能。運行期間經由中國電力科學研究院對變頻器做了諧波測試，結果表明：水泵機組在整個調速範圍內，變頻器網側功率因數都在0.97以上，效率均高於96%，滿載時網側電流諧波總含量小於3%，優於天津水司同類進口設備。
3.3 水泵電機運行平穩。
　　此次HARSVERT―A06/130型變頻器調速拖動的是一期送水泵房2# 機組，電機是83年9月出廠的87年(nian)投(tou)入(ru)運(yun)行(xing)的(de)舊(jiu)的(de)鼠(shu)籠(long)電(dian)機(ji)。此(ci)次(ci)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)運(yun)行(xing)以(yi)來(lai)，絕(jue)緣(yuan)未(wei)受(shou)影(ying)響(xiang)，沒(mei)有(you)出(chu)現(xian)異(yi)常(chang)振(zhen)動(dong)和(he)噪(zao)音(yin)，溫(wen)升(sheng)也(ye)處(chu)於(yu)正(zheng)常(chang)範(fan)圍(wei)，同(tong)時(shi)改(gai)善(shan)了(le)機(ji)組(zu)啟(qi)動(dong)電(dian)流(liu)與(yu)機(ji)械(xie)衝(chong)擊(ji)。
3.4 變頻調速裝置適應能力強，運行可靠。
　　2001年7月中旬，天津連續高溫天氣，環境溫度高達40℃以上，一度輸入變壓器繞組溫度曾經達到110℃，但變頻器一直正常運行，未發生異常現象。
　　同時水廠6KV電網在用電高峰電壓峰穀波動經常超過5%，嚴重時達10%，當時引進的變頻器時常因此波動而停機，而HARSVERT―A06/130變頻器一切正常，運行穩定可靠。
3.5 使用中的故障情況
　　變bian頻pin器qi在zai使shi用yong中zhong，也ye遇yu到dao了le一yi些xie實shi際ji的de問wen題ti。變bian頻pin器qi安an裝zhuang運yun行xing後hou，正zheng值zhi夏xia季ji，暴bao露lu出chu變bian壓ya器qi溫wen升sheng太tai高gao的de問wen題ti，後hou來lai由you廠chang家jia對dui變bian壓ya器qi櫃gui的de通tong風feng結jie構gou進jin行xing了le更geng改gai，使shi變bian壓ya器qi的de溫wen升sheng在zai合he理li的de範fan圍wei之zhi內nei。
　　youyubianpinqiweikonglengjiegou，zaigonglvguicunzaijiaoqiangdekongqixunhuan，erbianpinqizhijieanzhuangzaichangkaidesongshuibengfang，zengjingfashengyouyuguineitaizang，dusaiguangxianlianjietou，erdaozhideguangxianguzhang。tongguogaijingonglvguidemifengjiegou，ciwentideyijiejue。
　　變頻器在水泵房的控製室內裝有上位機，上位機與變頻器采用RS485通訊，此通訊線在初期鋪設時走線不太科學，與強電線路距離太近，後來發生通訊接口板損壞的現象；更換接口板後，將線路重新合理鋪設，解決了這個問題。
　　對dui於yu自zi來lai水shui公gong司si來lai講jiang，變bian頻pin器qi屬shu於yu高gao技ji術shu產chan品pin，在zai工gong程cheng安an裝zhuang和he日ri常chang運yun行xing中zhong，還hai是shi要yao不bu斷duan提ti高gao操cao作zuo維wei護hu人ren員yuan的de水shui平ping，才cai能neng將jiang它ta用yong得de更geng好hao，發fa揮hui更geng大da的de效xiao益yi。
3.6 初步效益
　　由於使用了該套變頻調速裝置，可以非常方便地適應供水壓力、流量變化的不同工藝要求，隻須調節裝置頻率輸出而勿須頻繁開合高壓斷路器與調節出口閥門開啟度，減少了值班人員的工作量。
　　在初步測定水泵曲線的基礎上，核定了水泵高效運行區，一般限製水泵調速在此範圍內，故取得明顯的節電效果。初步記錄：在5月和6月份，采用ABB調速泵和兩台工頻定速泵並聯運行，千噸水電耗指標分別是：138.63度和134.80度。在7月和8月使用該套調速裝置，千噸水電耗指標分別是：128.61度和129.51度。綜合電耗指標下降了5.6%。可ke見jian節jie電dian潛qian力li很hen大da，若ruo與yu定ding速su泵beng比bi效xiao益yi更geng好hao。若ruo從cong社she會hui效xiao益yi講jiang，天tian津jin水shui司si試shi行xing以yi城cheng市shi管guan網wang服fu務wu壓ya力li為wei調tiao度du指zhi揮hui的de原yuan則ze以yi後hou，調tiao速su水shui泵beng技ji術shu的de應ying用yong，極ji大da地di方fang便bian與yu適shi應ying了le此ci種zhong調tiao度du方fang式shi，可ke任ren意yi地di調tiao節jie水shui泵beng轉zhuan速su以yi適shi應ying不bu同tong的de要yao求qiu。
　　新開河水廠自1986年6月投產至今已有16年的曆史，期間運行方式也發生了很大的變化，自1990年至今出廠壓力由最高的41.4m降至目前的平均31m左右。自2000年6月(yue)一(yi)期(qi)送(song)水(shui)泵(beng)房(fang)調(tiao)速(su)裝(zhuang)置(zhi)經(jing)調(tiao)試(shi)後(hou)，主(zhu)要(yao)運(yun)行(xing)的(de)是(shi)調(tiao)速(su)泵(beng)組(zu)，另(ling)外(wai)配(pei)用(yong)一(yi)台(tai)定(ding)速(su)泵(beng)組(zu)，二(er)期(qi)全(quan)部(bu)采(cai)用(yong)調(tiao)速(su)泵(beng)組(zu)運(yun)行(xing)，泵(beng)組(zu)效(xiao)率(lv)大(da)大(da)提(ti)高(gao)。因(yin)此(ci)我(wo)們(men)選(xuan)取(qu)在(zai)此(ci)期(qi)間(jian)前(qian)後(hou)穩(wen)定(ding)運(yun)行(xing)的(de)數(shu)據(ju)，比(bi)較(jiao)能(neng)耗(hao)情(qing)況(kuang)。
　　　　　　　　　　　一期送水泵房5#、6#水泵供水電耗（串級調速）表一

時間	泵組配備情況	供水量（km3）	用電量（kWh）	送水電耗(kWh/km3)	出廠壓力（Mpa）
2000年1月	一期定速泵，二期調速泵	13038.26	1826818	140.11	0.295
2000年9月	一期5#、1定速泵，二期調速泵	12516.67	1595550	127.47	0.294
2001年5月	一期5#、1定速泵，二期調速泵	11659.59	1433471	122.94	0.296

　　　　　　　　　　　一期送水泵房2#水泵供水電耗（變頻調速）表二

時間	泵組配備情況	供水量（km3）	用電量（kWh）	送水電耗(kWh/km3)	出廠壓力（Mpa）
2000年4月	一期定速泵，二期調速泵	11690.89	1642520	140.50	0.301
2001年9月	一期定速泵，二期調速泵	12007.58	1482408	123.46	0.302

　　對比表一中數據:在出廠壓力基本相同的條件下,5#調速水泵節能率=140.11-127.47)/140.11=9.02 %，5#、6#調速水泵節能率=(140.11-122.94)/140.11=13.68 %。
　　對比表二中數據：得5#、6#、2#調速水泵並聯運行節能率=(140.50-123.46)/140.50=12.13 %。
　　通過上述數據分析可以得出以下結論：當出廠壓力(供水揚程)遠離高效區時，應用調速技術，改變工作點，使機組效率提高，並聯工況下節能率可達到10%左右。由於運行條件所限，未能進行單台泵組能耗的測定，以上表中所列均為並聯工況下運行數據。

設備投資回收期

　　根據《調度日報》的統計數據，5#水泵節電12.64 kWh/km3，2000年7月至2001年6月送水量為：128641.87km3 ，天津水司綜合電價為0.54元/kWh，則調速係統年節電費為：年節電量*電價=12.64*128641.87*0.54=87.8058萬元/年，收回設備投資需要28.8091萬元/87.8058萬元=3.9個月(28.8091萬元為1986年左右調速裝置成本)，當年可收回5#、6#水泵調速裝置成本。
　　2#水泵與5#、6#水泵並聯共節電17.04kWh/ km3，2001年7月至2002年6月送水量為：127945.81km3 ，天津水司綜合電價為0.54元/kWh，則調速係統年節電費為：年節電量*電價=17.04*127945.81*0.54=117.7306萬元/年。如果把這些效益全部歸為2#水泵節約的能源，那麼收回設備投資需要125.1504萬元/117.7306萬元=12.8個月。設備投資回收期短，節能效果顯著。
4．該裝置性能指標的測定與評價
4.1 設備的主要技術參數
　　輸入頻率（HZ）：　　　　　　　　　45HZ ~ 55HZ
　　額定輸入電壓：　　　　　　　　　　6KV（+5% ~ -10%）
　　輸入功率因數：　　　　　　　　　　0.95（＞20%負載）
　　變頻器效率：　　　　　　　　　　　額定負載下＞0.96
　　輸出頻率範圍(HZ)：　　　　　　　　0 ~ 120HZ
　　輸出頻率分辨率(HZ)：　　　　　　　0.01HZ
　　過載能力：　　　　　　　　　　　　120% 一分鍾，150%立即保護
　　加減速時間：　　　　　　　　　　　0.1 ~ 3000秒
4.2 主要性能指標的測定與評價
　　該(gai)套(tao)裝(zhuang)置(zhi)在(zai)天(tian)津(jin)水(shui)司(si)運(yun)行(xing)期(qi)間(jian)，由(you)國(guo)家(jia)電(dian)控(kong)配(pei)電(dian)設(she)備(bei)質(zhi)量(liang)監(jian)督(du)檢(jian)驗(yan)中(zhong)心(xin)和(he)中(zhong)國(guo)電(dian)力(li)科(ke)學(xue)研(yan)究(jiu)院(yuan)主(zhu)持(chi)對(dui)相(xiang)關(guan)的(de)性(xing)能(neng)與(yu)指(zhi)標(biao)進(jin)行(xing)了(le)檢(jian)驗(yan)與(yu)測(ce)定(ding)，例(li)如(ru)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)不(bu)對(dui)稱(cheng)度(du)、頻率穩定精度、分辨力、功率因數、效率等多項指標，尤其是諧波含量。
　　其中對諧波專項的檢測是按照國家標準GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》要求測定。結果：變頻係統引起的電網諧波電壓符合國家標準；輸入電流相對諧波電流含量滿足IEEE Std 519―1992標準要求；輸出電壓相對諧波電壓含量滿足IEEE Std 519-1992標準要求。這些方麵優於該廠進口的國外變頻器指標。
5．結束語
　　利德華福公司研製的高壓大功率變頻調速裝置在天津水司新開河水廠運行結果表明：該(gai)套(tao)裝(zhuang)置(zhi)具(ju)有(you)功(gong)能(neng)齊(qi)全(quan)，技(ji)術(shu)指(zhi)標(biao)先(xian)進(jin)，可(ke)靠(kao)性(xing)高(gao)和(he)便(bian)於(yu)維(wei)護(hu)管(guan)理(li)，處(chu)於(yu)國(guo)內(nei)領(ling)先(xian)水(shui)平(ping)，達(da)到(dao)國(guo)際(ji)同(tong)類(lei)新(xin)產(chan)品(pin)的(de)水(shui)平(ping)。尤(you)其(qi)其(qi)獨(du)有(you)的(de)特(te)點(dian)更(geng)適(shi)合(he)中(zhong)國(guo)的(de)國(guo)情(qing)，非(fei)常(chang)適(shi)用(yong)於(yu)自(zi)來(lai)水(shui)行(xing)業(ye)的(de)技(ji)術(shu)改(gai)造(zao)和(he)升(sheng)級(ji)。我(wo)們(men)預(yu)祝(zhu)它(ta)今(jin)後(hou)產(chan)品(pin)更(geng)加(jia)係(xi)列(lie)化(hua)、多樣化、產品質量更上一層樓，使其成為我國高壓大功率電動機直接變頻調速的主導產品。
　　以上是我個人對該技術產品應用的粗淺認識，可能有不妥之處，望專家同行批評指正。


圖1 高壓變頻調速係統結構圖		圖2 功率單元電路結構

狀　態：離線

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