電廠水源地升壓泵一拖二并列運行高壓電機變頻調速改造應用

摘要：本文介紹了國華三河電廠水源地升壓泵高壓變頻的改造情況，詳細分析了高壓變頻器一拖二的技術方案和節能效果，為高壓變頻在母管制供水、一臺高壓變壓器同時拖動并列的兩臺電動機的應用提供了一定的經驗。
關鍵詞：高壓變頻器 一拖二 節能

1、變頻改造工程基本情況
國華三河發電廠位于河北省三河市燕郊濟技術開發區東側，電廠規劃設計發電量為1300MW～1400MW；一期設計安裝2臺350MW凝汽式汽輪發電機組，分別于1999年12月、2000年4月投產。二期設計安裝2臺300MW亞臨界燃煤供熱機組，計劃將于2007年10月、12月投產，為2008年奧運會提供電力及供暖保障。國華三河電廠水源地供水系統由九臺深井泵（六大泵三小泵）、兩個水池和四臺升壓泵（型號相同）組成；深井泵將地下水抽至兩個水池中，升壓泵將水池中的澄清水送至電廠；供水系統控制深井泵和升壓泵開啟的數量，保證水池不溢出和被抽干。四臺升壓泵出口通過母管并聯，大多數時候兩臺升壓泵長期定速運行，當用水負荷變化時，運值人員控制升壓泵的運行數量并手動調整升壓泵的出口閥門維持母管壓力穩定。由于用水變化頻繁，導致多臺升壓泵長時間運行，而出口閥門開度較小，電能浪費嚴重；由于人工調整不及造成供水管道超壓運行，影響供水安全。
鑒于水源地供水系統的上述問題，國華三河電廠曾采用國內某品牌高壓變頻對升壓泵進行改造；但由于該高壓變頻設備的技術和質量問題，無法投入正常使用，設備長期閑置；國華三河電廠通過對眾多國內外品牌高壓變頻器產品進行設備改造招標。廣州智光電機有限公司的ZINVERT智能高壓變頻調速系統以其的獨特的技術優勢、系統運行穩定可靠性高、設備占地面積小、環境適應能力強等技術特點；以及針對升壓泵一拖二提出的專業、完整的技術解決方案，最終得到用戶的認可，選擇廣州智光電機有限公司的ZINVERT智能高壓變頻調速系統，替換前期的高壓變頻器，完成了此次水源地升壓泵的變頻調速改造工程。

2、變頻改造水泵并聯母管式供水方案分析
對于母管式供水，在未使用變頻調速技術前，一般通過調節水泵出口閥門或通過大小泵組合運行，控制在母管壓力在一定的范圍內，母管壓力波動較大，在調節不及時時，還會影響母管運行安全。變頻調速技術的應用使自動供水、恒壓供水已得到大量采用，對于供水系統可通過壓力反饋設計恒壓供水，不僅提高供水管網的運行安全，同時取消了閥門的節流調節，維持最小供水壓力要求，達到節能降耗的目的。
但對于母管式供水，進行變頻改造時，可采用工頻與變頻結合的控制方式、全部變頻控制方式；兩種控制方式的區別就在與控制壓力的調節范圍及水泵的效率控制，以下圖并聯的同一型號兩臺水泵分別采用工頻與變頻調速特性曲線為例：

如果工藝要求可進一步降低時，工頻泵就要適當調節出水閥門，將其管網阻力曲線抬高，提高工頻泵的出口壓力（非母管壓力），通過控制工頻泵的流量與壓力從而控制工頻水泵電機不出現過負荷；再通過降低變頻泵的轉速來調節母管壓力，維持在設定壓力。這種方式下由于工頻泵仍需要采用出口閥門的節流控制，節能效果達不到恒壓力控制節能的最優目標。
若采用全部變頻控制，如圖2所示，兩臺水泵特性一致或接近，其運行工況點一致或接近，不會超負荷運行，水泵效率可保持在較高效率點，同時可穩定控制母管的壓力，達到恒壓力供水最佳的了能目的。
國華三河電廠水源地4臺升壓泵電動機銘牌參數如下：
電機型號：JS136-4 電壓等級：6kV
額定功率：220kW 額定電流：25.5A
額定轉速：1480rpm 絕緣等級：B級
實際工作中基本采用兩臺升壓泵并聯運行，較少時間出現三臺并聯運行模式，綜合投資、節能收益比較，決定改造兩臺水泵變頻模式運行；但考慮單臺水泵功率較小，每臺水泵配置一臺變頻時，變頻器的單位容量成本高，改造費用增加，最終選擇了廣州智光電機有限公司提出的具有多種靈活多變控制方式的一次與二次方案。采用ZINVERT－A6H630/06Y型高壓變頻調速系統，變頻系統與負載的一次電氣主接線原理圖如下：

根據一次原理圖，調整K1，K2，K3，K4的組合實現五種運行方式：
a．方式一：2#、3＃變頻運行，隔離刀閘組合為 K1、K2、K4合， K3分；
b．方式二：2#變頻、3#停運，隔離刀閘組合為K1、K4合， K2、K3分；
c．方式三：3#變頻、2#停運，隔離刀閘組合為K1、K2合， K3、K4分；
d．方式四：3#變頻、2#工頻，隔離刀閘組合為K1、K2、K3合， K4分；
e．方式五：2#工頻、3#停運，隔離刀閘組合為K4合， K1、K2、K3分；
注意K4合狀態下，嚴禁閉合K3（系統采用電磁鎖實現閉鎖邏輯）。
由于采用了以上的獨特設計，用戶可根據工況，靈活的選擇變頻裝置和水泵的運行方式。提高變頻裝置的利用率，更是大大增強了變頻裝置的節能效果。
在電廠技術人員與廠家技術人員的積極配合下，項目改造順利實施，在規劃時間內完成了設備的安裝、調試、投運工作；通過投運前后比較，達到逾期的改造節能效果。

3、變頻改造節能分析
此次改造升壓泵的運行工況主要由深水進泵運行工況決定，在變頻投運后，在各運行模式下試驗數據記錄如下：

同時變頻改造后，采用數字量控制，調節快捷且精度大為提高，供水水壓穩定；功率因數提高，減少無功吸收；電機與泵的轉速大大，噪音減小顯著；出口閥門全開，水泵管網壓力降低，閥門維護量也大大減少；并實現電機軟啟軟停，可避免因大電流啟動沖擊，延長電機的使用壽命。

4、應用中的需要注意的幾個問題
繼電保護設置及配合問題：由于原來電動機進線開關由拖動一臺電動機改為帶一套變頻拖動兩臺泵，因此在變頻運行時進線開關的過流和過負荷保護退出（僅保留速斷保護），變頻運行時保護就全由變頻裝置來完成（其保護的靈敏值均高于開關柜上的保護）。另外，由于一臺變頻為兩臺電機提供變頻電源，為防止某臺電機故障造成變頻器的損壞，同時避免單臺運行時電機過負荷運行，分別為#2、#3電機增加單獨硬件的過流、過負荷保護，完成電動機的保護功能（其保護的靈敏值均高于原來繼電保護裝置）。
旋轉電機啟動問題：當兩臺電機同時變頻運行，出現短暫故障，故障恢復后自動啟動時，ZINVERT智能高壓變頻調速系統仍可在各種轉速下實現無沖擊飛車啟動。這充分表明了，ZINVERT智能高壓變頻調速系統獨特的“轉速追蹤技術（STT技術）”的成熟與完善，適用于多臺電動機的并聯拖動，在這種應用情況下可大大提高變頻系統運行的可靠性。
散熱方式問題：由于ZINVERT智能高壓變頻調速系統的獨特結構設計，具有環境溫度適應范圍寬的特點，用戶現場只采用了房間頂部原有的軸流風機進行散熱，并未加裝風道和空調。實際運行中，在夏季外部氣溫持續35°C以上的高溫時，ZINVERT智能高壓變頻調速系統保持持續穩定運行，這種冷卻方式完全滿足運行的要求，減少了用戶的投資。
下限頻率問題：一般電機在低速運行時，雖然運行電流較小，但由于其自冷風機轉速也隨之降低，所以冷卻效果往往會變差，容易導致電機過熱現象。由于ZINVERT智能高壓變頻調速系統的輸出電流完美無諧波，電動機不會產生明顯的附加熱損耗，另外泵的平方轉矩特性在轉速低時其電流相對下降，繞組發熱降低。因此在試運行中我們針對這一問題專門做了試驗，通過長時間的低頻運行，觀察電機溫度，我們發現這兩臺升壓泵電機低頻運行時溫升并不會明顯增加，出于安全運行和變頻調節范圍的雙方面考慮，我們設置了變頻運行的下限頻率，定為15Hz，從而一方面保證了電機的安全運行，另一方面確保了變頻系統突出的節能效果。

5、結束語
國華三河電廠齊心莊水源地升壓泵的變頻改造，不僅體現出了變頻技術在水泵調速應用上性能優勢，更體現了廣州智光電機有限公司在高壓變頻技術應用其完整的技術解決能力，一拖二方案的順利實施，為高壓變頻在母管制供水應用領域提供了一種可借鑒的設計方案。

參考文獻
[1] 泵與風機（第三版），郭立君，何川，北京，中國電力出版社。
[2] ZINVERT系列高壓變頻調速系統培訓教材，廣州，廣州智光電機有限公司。

作者簡介：
劉夏（1984-），男，陜西西安人，廣州智光電機有限公司技術部技術支持工程師，從事高壓變頻調速及電力電子應用技術研究。