葫蘆島市平山供水公司 劉旭生 何鳳桐 張志剛
一、概述
　　近幾年來(lái)，高壓變頻調(diào)速技術(shù)這一嶄新的、變革性的技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)重要的行業(yè)正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。特別是國(guó)內(nèi)一些生產(chǎn)廠家的技術(shù)水平，已接近世界同行業(yè)的領(lǐng)先水平。作為高壓變頻調(diào)速的最新技術(shù)，單元串聯(lián)多電平高壓變頻器，采用多重化技術(shù)，提供無(wú)諧波的波形、具有顯著的節(jié)能效果，是其他高壓變頻調(diào)速技術(shù)所無(wú)法比擬的。
　　葫蘆島市是國(guó)內(nèi)嚴(yán)重的缺水城市，而平山水源則是葫蘆島市水源供給的命脈。水資源的嚴(yán)重匱乏，使供水量的調(diào)節(jié)尤為重要。平山水源泵站有4臺(tái)10KV、功率710KW的水泵機(jī)組。每臺(tái)機(jī)組的額定流量為1800m3/h，揚(yáng)程為120米。平山水源距葫蘆島市60公里，沿途要翻越幾座100米左右的山坡，因而管網(wǎng)壓力已達(dá)0.9MPa。總管流量根據(jù)用戶需要及水源蓄水狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般的波動(dòng)區(qū)間為2000~3800m3/h，所以一般要開(kāi)兩臺(tái)泵，最多時(shí)須同時(shí)開(kāi)啟三臺(tái)泵。原來(lái)使用調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度的方法改變管網(wǎng)流量，既不直觀，又造成了能源的浪費(fèi)。公司經(jīng)過(guò)大量的調(diào)研工作，決定采用國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的高壓變頻調(diào)速技術(shù)－單元串聯(lián)多電平高壓變頻調(diào)速技術(shù)，并選用了北京利德華福的HARSVERT-A系列變頻器。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的運(yùn)行，我們發(fā)現(xiàn)北京利德華福的HARSVERT-A系列變頻器具有節(jié)能效果明顯，操作簡(jiǎn)便，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。
二、HARSVERT-A系列變頻器原理
　　HARSVERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.1，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10000V系列有24個(gè)功率單元，每8個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。


圖2.1 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.2，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過(guò)對(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，可得到如圖2.3所示的波形。


圖2.2 功率單元電路結(jié)構(gòu)


圖2.3 單元輸出的PWM波形

　　輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成48脈沖整流方式；經(jīng)多級(jí)移相疊加的整流方式，可改善電流波形，是逼近標(biāo)準(zhǔn)正弦波，高次諧彼＜2％，完全符合1992年制定的IEEE519標(biāo)準(zhǔn)和GB／T14549，93國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》要求。負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。
　　另外，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。
　　輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖2.4所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無(wú)須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(zhǎng)度很長(zhǎng)，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。


圖2.4 HARSVERT-A系列變頻器的輸出波形

　　變頻器系統(tǒng)安全、可靠，保護(hù)裝置功能齊全，具有過(guò)電壓、欠壓、過(guò)電流、過(guò)熱、缺相等保護(hù)裝置。具有完整的故障監(jiān)測(cè)電路、精確的故障報(bào)警保護(hù)和將故障功率模塊旁路功能。
當(dāng)某一個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)使圖2.2中的繼電器K閉合，可將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其他單元的運(yùn)行，變頻器可持續(xù)降額運(yùn)行；如此可減少很多場(chǎng)合下停機(jī)造成的損失。
三、調(diào)速方案
　　根據(jù)實(shí)際情況，我們確定的調(diào)速方案為：選擇1、4號(hào)泵為可調(diào)速水泵，正常運(yùn)行時(shí)其中任一臺(tái)運(yùn)行于調(diào)速狀態(tài)，而另一臺(tái)泵作為備用，也可隨時(shí)投入工頻狀態(tài)運(yùn)行。兩臺(tái)泵運(yùn)行狀態(tài)的切換采用手動(dòng)方式。并要求兩臺(tái)泵不能同時(shí)投入變頻狀態(tài)，或同時(shí)投入工頻狀態(tài)運(yùn)行，對(duì)此要求，在設(shè)計(jì)旁路切換柜時(shí)特別設(shè)計(jì)了機(jī)械聯(lián)鎖裝置。實(shí)際的原理接線圖如圖3.1：


圖3.1 旁路切換柜原理圖
　　其中：KA1、KA2為高壓開(kāi)關(guān)
　　　　　KG1-KG4 為隔離開(kāi)關(guān)
四、水泵調(diào)速替代閥門節(jié)流后的節(jié)能情況
1.水泵實(shí)際應(yīng)用工況
　　平山供水公司是向葫蘆島市自來(lái)水公司提供源水的公司。其水源由平山水源泵站輸送到位于葫蘆島市的平山供水公司的清水廠，在清水池中進(jìn)行處理后再送到自來(lái)水公司。
2.節(jié)能分析
如果通過(guò)水泵調(diào)速方式改變流量，使流量由Q1變至Q2，速度由N1調(diào)至N2，則工作點(diǎn)由A點(diǎn)降到B點(diǎn)；如果水泵定速為N1運(yùn)行，通過(guò)閥門改變流量，則水泵從A點(diǎn)變?yōu)镃點(diǎn)。水泵在B、C兩工作點(diǎn)的功率分別為：PC=H3×Q1, PB =H2×Q1；
假設(shè)水泵在B、C兩點(diǎn)效率差別不大，都約為η，則調(diào)速方式相對(duì)于關(guān)閥方式，節(jié)能效益



　　　　
3. 實(shí)際節(jié)能情況
　　實(shí)際運(yùn)行中，每臺(tái)泵在工頻運(yùn)轉(zhuǎn)下的滿負(fù)荷輸出為1800m3/h，我們根據(jù)最典型的應(yīng)用工況，分別統(tǒng)計(jì)了管網(wǎng)輸出為3268m3/h及2600m3/h時(shí)兩臺(tái)工頻泵及一臺(tái)工頻泵配一臺(tái)變頻泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的幾組數(shù)據(jù)：
　　兩臺(tái)工頻泵在管網(wǎng)流量為3268m3/h下運(yùn)轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)時(shí)段累計(jì)供水量為50190m3，耗電量為21450度，計(jì)算得噸水耗電量為0.4274度；
　　一臺(tái)工頻泵配合一臺(tái)變頻泵在管網(wǎng)流量為3268m3/h下運(yùn)轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)時(shí)段累計(jì)供水量為47525m3，耗電18375度，計(jì)算得噸水耗電量為0.3866度；
　　兩臺(tái)工頻泵在管網(wǎng)流量為2600m3/h下運(yùn)轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)時(shí)段累計(jì)供水量為62270m3，耗電量為28950度，計(jì)算得噸水耗電量為0.464度；
　　一臺(tái)工頻泵配合一臺(tái)變頻泵在管網(wǎng)流量為2600m3/h下運(yùn)轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)時(shí)段累計(jì)供水量為68100m3，耗電29550度，計(jì)算得噸水耗電量為0.4339度；
　　假設(shè)使用一臺(tái)變頻泵配一臺(tái)工頻泵，一年中各有一半時(shí)間分別在3268m3/h及2600m3/h下運(yùn)轉(zhuǎn)，每度電費(fèi)為0.45元，則一年中較使用兩臺(tái)工頻泵節(jié)約的電費(fèi)為：
　　（0.4274-0.3866）×3268×24×365/2×0.45+(0.4649-0.4339)×2600×24×365/2×0.45=262802+158862=42.1664萬(wàn)元。
五、方便的閥門聯(lián)鎖功能
　　HARSVERT-A系列高壓變頻器配備了西門子公司的S7－200系列PLC，在實(shí)現(xiàn)外部邏輯控制時(shí)顯得尤為方便。其閥門聯(lián)鎖功能的作用是：在啟動(dòng)水泵升速過(guò)程中，水泵出口水壓逐漸增高，當(dāng)大于設(shè)定的“最小開(kāi)閥出口水壓”時(shí)，閥門開(kāi)始打開(kāi)，直至開(kāi)全；在停泵時(shí)，閥門同步關(guān)閉；如果開(kāi)泵時(shí)，閥門因各種原因未能開(kāi)全，將提示“閥門沒(méi)有開(kāi)全”，停泵時(shí)，如閥門未關(guān)嚴(yán)，將提示“閥門沒(méi)有關(guān)嚴(yán)”。實(shí)際運(yùn)用中，我們將“最小開(kāi)閥水壓”設(shè)定為0.9MPa，這樣在開(kāi)泵和停泵過(guò)程中，值班人員無(wú)需再對(duì)閥門執(zhí)行任何操作，不僅減少了操作的失誤，而且在開(kāi)閥、關(guān)閥過(guò)程中對(duì)管網(wǎng)的沖擊也很小。
六、方便快捷的操作
　　HARSVERT-A系列高壓變頻器有完善的上位機(jī)監(jiān)控功能，操作人員在值班室即可完成對(duì)變頻器的一切操作，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，在變頻器的控制界面和遠(yuǎn)程監(jiān)控界面上可以實(shí)時(shí)顯示總管流量、總管水壓、變頻泵出口水壓等參數(shù)，極大的減輕了操作人員的工作量，提高了工作效率。監(jiān)控界面見(jiàn)圖6.1。


七、先進(jìn)的遠(yuǎn)程撥號(hào)監(jiān)控功能
　　對(duì)于供水公司的上層管理者而言，他們需要經(jīng)常了解變頻器的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，而變頻器的遠(yuǎn)程撥號(hào)監(jiān)控功能無(wú)疑給他們提供了極大的方便。他們只需在自己的辦公電腦上安裝利德華福公司提供的遠(yuǎn)程撥號(hào)軟件，在需要時(shí)撥通為變頻器提供的專線電話，即可看到變頻器的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行界面。遠(yuǎn)程撥號(hào)軟件為他們?cè)O(shè)置了操作權(quán)限，不會(huì)發(fā)生誤操作而對(duì)變頻器的運(yùn)行正常造成任何影響。如果變頻器在運(yùn)行中出現(xiàn)故障，利德華福公司的技術(shù)服務(wù)部門也可通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控掌握現(xiàn)場(chǎng)的最確切的運(yùn)行資料，以幫助他們及時(shí)作出準(zhǔn)確的判斷。
八、高壓大功率變頻器使用時(shí)的注意事項(xiàng)
1、當(dāng)全速泵和調(diào)速泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，為了保證不發(fā)生內(nèi)耗，水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍不宜太大，通常應(yīng)不低于額定轉(zhuǎn)速的50％，最好在70～100％之間。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40～50％時(shí)，水泵本身的效率明顯下降，更不經(jīng)濟(jì)。
2、傳統(tǒng)的水泵都是按工頻全速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的，一般只在最高轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)期運(yùn)行，僅在啟動(dòng)過(guò)程中短時(shí)經(jīng)歷其他轉(zhuǎn)速點(diǎn)，所以難保在除工頻之外的其他頻率點(diǎn)上不存在機(jī)械共振現(xiàn)象。將傳統(tǒng)的水泵用變頻器驅(qū)動(dòng)調(diào)速運(yùn)行后，除工頻點(diǎn)之外，水泵也可能在調(diào)速區(qū)域的所有頻點(diǎn)上穩(wěn)定運(yùn)行，所以需要在整個(gè)調(diào)速區(qū)域?qū)λ脵C(jī)組作機(jī)械共振測(cè)定。如果存在機(jī)械共振頻點(diǎn)，應(yīng)該輸入變頻器，防止變頻器在這些特殊的頻率點(diǎn)上長(zhǎng)期運(yùn)行。
3、變頻器安裝位置周圍的環(huán)境溫度應(yīng)低于40℃，變頻器的安裝空間應(yīng)足夠大，否則熱量無(wú)法散出，會(huì)使變頻器保護(hù)停機(jī)。當(dāng)環(huán)境溫度高于40℃，需配備相應(yīng)的空調(diào)設(shè)備。當(dāng)變頻器的安裝空間有限時(shí)，為了保證變頻器的正常運(yùn)行，需加裝強(qiáng)迫通風(fēng)裝置。
九、結(jié)束語(yǔ)
　　高壓大功率變頻器在工業(yè)和生活供水系統(tǒng)中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，除了有明顯的節(jié)能效果外，還可以接入工廠的DCS系統(tǒng)中，組成一個(gè)大閉環(huán)的調(diào)速控制系統(tǒng)，使工藝設(shè)備運(yùn)行方式更趨合理，使設(shè)備的自動(dòng)化程度提高到了一個(gè)新水平，將會(huì)有有很可觀的社會(huì)效益。