產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
少用電 用好電 再生電 存儲電 防爆電
解決方案
國產高壓變頻器在齊魯石化供排水廠的應用
1引言
目前，全世界正在為能源緊缺而困擾，我國的能源形勢尤其嚴峻。面對這樣的現實，國家有一系列的對策，因此頒布了《節(jié)能法》，并號召全社會為建設資源節(jié)約型社會而努力。節(jié)能改造就是其中有效途徑之一，節(jié)能改造有許多方面，其中通過對拖動風機、水泵的高電壓大功率電動機變頻調速來實現節(jié)能，無疑是潛力較大的節(jié)能方式。隨著高壓大功率變頻調速技術的日益成熟，使得該項技術在水廠大功率水泵上應用成為可能。中國石化齊魯股份有限公司供排水廠正是在這種形勢下，對水泵設備進行高壓變頻技術研究改造的。
2設備概況及改造方案
中國石化齊魯股份有限公司被喻為中國石化的明珠，在山東可謂家喻戶曉。齊魯石化供排水廠擔負著全公司的供水任務，西夏配水站是供排水廠的下屬單位之一，日設計供水能力20萬噸，清水泵房配備了五臺水泵機組，機組功率均為550KW/6KV，改造前全部定速運行，水量大小通過改變閥門開度大小的方式進行調節(jié)。采用變頻器對水泵進行控制的目的：通過變頻器實現水壓閉環(huán)控制，保持管網壓力的恒定；在水泵出口閥門開度最大的情況下，通過變頻器改變輸出頻率，進而改變水泵的轉速調節(jié)供水量，以節(jié)約原來通過改變閥門開度調節(jié)供水量時浪費在閥門上的能源；減輕水泵啟停對管網的沖擊。
經多方調研考察，比較性價比，最終齊魯石化供排水廠決定選用我山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產的風光牌JD-BP37型高壓變頻器對西夏配水站2#、4#水泵機組進行調速改造，經過雙方技術人員的合作，共同制定了水泵機組的變頻改造方案。改造方案采用一帶二的形式，即高壓變頻器拖動配水站2#、4#機組任一臺，當其中一臺機組出現故障或檢修時，變頻器拖動另一臺機組變頻運行。配水站2#、4#機組為同型號機組，其中2#機組電機和水泵的主要參數如下：
1）水泵
型號 20SHO
額定流量 2016m3/h
額定揚程 59m
額定軸功率 390KW
額定效率 83%
額定轉速 970rpm
2）電機
型號 JQS158-6
額定功率 550KW
額定電壓 6KV
額定電流 64A
額定功率因數 0.89
額定轉速 987rpm
3風光牌JD-BP37-630F高壓變頻器
齊魯石化供排水廠決定選用我公司生產的風光牌JD-BP37-630F高壓變頻器一拖二控制系統(tǒng)對2#、4#水泵機組作調速改造。以下是對風光牌JD-BP37-630F高壓變頻器的一些介紹。
3.1JD-BP37-630F高壓變頻器的主要性能指標：
變頻器額定功率 630KW
額定輸出電流 80A
輸入頻率 45Hz到55Hz
額定輸入電壓 6KV
允許電壓波動 ±20%
輸入功率因數 ≥0.96（額定負載時）
輸出電壓范圍 0～6KV
變頻器效率 ≥96%（額定負載時）
輸出頻率范圍 0～50Hz
整流方式 36脈沖二極管全波整流
輸出方式 每相6單元正弦波脈寬調制輸出，直接輸出6KV
頻率分辨率 0.01Hz
過載能力 ＜120%長期運行 150%連續(xù)1min ＞150%立即保護
操作鍵盤 中文彩色液晶觸摸屏
界面語言 簡體中文
控制電源 220VAC 10KVA
冷卻方式 強制風冷
防護等級 IP20
模擬量輸入 四路，0～10v/4～20mA,任意設定
模擬量輸出 兩路，0～10V/4～20mA可選
開關量輸入輸出 4入/16出（可按用戶要求擴展）
通訊接口 RS232、RS485接口。
運行參數自動記錄和輸出、自動故障記錄、限流功能、輸出電壓自動調整功能、單元旁路功能等。
可根據用戶要求作特殊設計。
3.2變頻器設計要求
風光牌JD-BP37-630F為我公司生產的全數字交流高壓變頻器控制裝置，采用先進的功率單元串聯載波移相技術、正弦波PWM調制方法，全中文操作界面，具有可靠性高，性能優(yōu)越，操作簡便等特點，具體設計要求如下所述：
（1）系統(tǒng)效率高，額定工況下，總效率在96%以上，其中變頻器部分效率大于98%。
（2）輸入側為36脈沖整流，變頻器引起的電網諧波電壓和諧波電流含量滿足IEEStd519-1992和GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》技術要求。
（3）變頻器額定輸入功率因數大于0.96，無須功率因數補償裝置。
（4）變頻器輸出諧波含量低，可以驅動普通高壓電動機，而不會增加電機溫升，降低電機容量，電機電纜無任何長度限制；保護電機絕緣不受dv/dt應力的損害；不會因為諧波力矩而降低設備使用壽命。
（5）具有單元旁路功能，當某個單元出現故障，系統(tǒng)可以自動將其旁路，并降額繼續(xù)運行，保證系統(tǒng)的可靠性。
（6）采用全中文操作平臺，10.4英寸真彩LCD顯示，觸摸屏直接操作，更適合國人使用習慣。
（7）功率單元模塊化結構，可以互換，維護簡單。
（8）輸入電壓范圍寬，在6KV（±20%）內可連續(xù)運行。
（9）功率單元采用光纖通訊控制，完全電氣隔離，抗干擾性強。
（10）內置PID調節(jié)器，可實現閉環(huán)運行。
（11）內置PLC，實現不同應用現場的靈活控制。
3.3系統(tǒng)的構成
（1）高壓變頻器系統(tǒng)結構圖
（2）功率單元結構圖
（3）一次回路及保護
DL、DL1、DL2 用戶原有高壓開關柜
BPQ JD-BP37-630F高壓變頻器
K1、K2高壓隔離開關
M1、M2 2#、4#水泵電機
變頻器供電電源及其保護由DL提供，速斷保護整定值按630KW重新整定。同時增加一面旁路柜，旁路柜有2個高壓隔離開關，通過開關組合，兩臺電機均可變頻運行。
2個隔離開關之間及其斷路器之間用電磁鎖聯鎖，K1、K2只允許一個合閘；DL1合閘狀態(tài)，K1不允許操作；DL2合閘狀態(tài)，K2不允許操作。
當K1、K2及DL供電電源斷開時，變頻器處于安全狀態(tài)，便于檢修，維護和調試。變頻器與DL供電電源高壓斷路器聯鎖。
合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯于高壓開關合閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，變頻器故障或不就緒時，變頻器高壓開關合閘不允許。
故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號串聯于高壓開關分閘回路。當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入。
工頻合閘：變頻器運行過程中出現故障時，可以給出工頻合閘信號，啟動備用機組工頻運行。
（4）二次回路及控制
控制系統(tǒng)由光纖板、信號板、主控板、PLC和人機界面組成。用戶提供控制回路220VAC電源。
控制系統(tǒng)與功率單元之間采用光纖通訊，實現了強弱電之間的光電隔離。
PLC用于變頻器內部開關信號以及現場操作信號和狀態(tài)信號的邏輯處理。PLC還有處理4路模擬量輸入和2路模擬量輸出的能力，模擬量輸入用與處理來自現場的流量、壓力等模擬信號或模擬設置時的設置信號；模擬輸出量可以是運行頻率、電流等。
人機界面采用中文操作系統(tǒng)，彩色液晶觸摸屏，免費提供軟件升級。人機界面圖如下示：
圖4人機界面圖
3.4控制方式
變頻器具有以下三種控制方式：
本地控制：從變頻器操作界面控制電機的啟動和停止，并能完成變頻器的所有控制。
遠程控制：通過內置PLC接受來自現場或控制室的開關量或模擬量控制。
上位控制：通過RS485接口，接受上位機的控制，實現通信功能，并有變頻器運行/停止/故障信號顯示及轉速顯示等。
（1）速度設定方式
變頻器具有多種速度設置方式，在閉環(huán)運行時，速度設置方式即為被控量的給定方式。
本地設置：通過操作觸摸屏設置運行頻率。
模擬設置：接收DCS系統(tǒng)0～10V或4～20mA模擬信號設置運行頻率或被控量給定值。
通信設置：通過通信方式接收來自上位機的運行頻率或被控量的給定值。
（2）運行方式
變頻器具有開環(huán)和閉環(huán)兩種運行方式。
開環(huán)運行：變頻器以設置頻率輸出。頻率的設置方式有本地設置、模擬設置、通信設置。
閉環(huán)運行：對一個運行參數（如流量、壓力、溫度等，此處以壓力為例）實現跟蹤控制。閉環(huán)運行時，實際壓力信號來自安裝于供水管道上的壓力變送器，而壓力期望值有4種設置方式，分別為本地設置、模擬設置、通信設置。變頻器通過調節(jié)水泵轉速，使實際壓力逼近壓力設置值，以保證供水管道的壓力恒定。
3.5對外接口
模擬量輸入：4路，4～20mA或0～10VDC。4～20mA時輸入阻抗250Ω，0～10VDC電壓輸入時輸入阻抗≥10MΩ。用于接收速度設置或被控量設置的模擬信號，例如現場的流量、壓力、煙氣濃度等信號。
模擬量輸出：2路，4～20mA或0～10VDC輸出。4～20mA輸出時最大阻抗500Ω，0～10VDC電壓輸出時最小阻抗5000Ω。以模擬方式輸出變頻器的運行速度、輸出頻率、電流等變量。
數字量輸入：24路，光電隔離，隔離電壓500VAC,接收遠程控制信號、速度給定開關信號及各開關狀態(tài)等。
數字量輸出：16路，中間繼電器隔離，隔離電壓750VAC,接點容量2A,輸出變頻器狀態(tài)、控制主電源開斷等。
通信接口：RS485,實現與上位系統(tǒng)的通訊。
3.6特殊功能
變頻器除了以上基本功能以外，還具有如下特殊功能：
（1） 閥門真空度檢測。
變頻器在啟動水泵以前，會自動判斷真空度的值，如果沒有真空度或沒有達到要求，變頻器會提供報警信號，并拒絕啟動水泵。
（2）配置工頻旁路。
變頻提供手動旁路開關，使水泵機組既可變頻運行，又可工頻運行。
（3）具有閥門聯動功能。
在開泵和停泵的過程中，值班人員無需再對閥門進行任何操作，減輕了工人的勞動強度，實現開停泵的全部自動化。
（4）零流量自動停機功能。
當用戶用水量為零時，壓力比較高時，這時變頻器自動停機。待用戶管網壓力到啟動壓力后，變頻器自動開機運行。
4變頻器運行情況
高壓變頻器一次調試成功，并通過齊魯石化供排水廠驗收，我高壓變頻器運行良好。從變頻器投入運行的應用效果來看，完全達到了用戶進行水泵變頻改造的目的，較改造前其優(yōu)越性體現于：
（1） 操作簡便，易于觀察。
變頻器運行時的所有數據及運行狀態(tài)在上位機顯示屏都可顯示，如運行頻率，輸入電壓，輸入電流，輸出電壓，輸出電流，開閉環(huán)，壓力值等。上位機顯示屏操作簡單明了，觀察方便。
（2）變頻器運行穩(wěn)定，性能良好。
風光牌JD-BP37-630F高壓變頻器投入運行以來，運行穩(wěn)定，轉速調節(jié)平滑可靠，電壓和電流正常，沒有出現異常現象。
（3）減輕了值班人員的勞動強度。
由于變頻器具有閥門聯動功能，隨著供水水量的變化， 值班人員在值班時通過微機遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行操作，不再需要頻繁地開停大小泵及閥門，工作量大大減小。
（4）恒壓控制。
采用壓力閉環(huán)恒壓控制，用戶只需根據實際供水需要設定所需壓力，變頻器自動恒壓運行，壓力設定方便，精確穩(wěn)定，保證管網穩(wěn)定運行，提高了供水質量。
（5）降低了維護費用。
由于變頻器對電機實現軟啟動，啟動電流小，對水泵機組沒有任何機械沖擊，通過泵變速調節(jié)來減小流量還有利于降低離心泵發(fā)生汽蝕的可能性，相應地延長了水泵、電機及閥門的使用壽命，大大降低了維護工作量和維護成本。
（6）節(jié)電效果分析：
這次改造的是齊魯石化供排水廠的生產用水，在生產用水中，電廠又是一個大戶，供水壓力以滿足電廠需求為主。水廠一般情況下開兩臺水泵即可滿足供水要求。在電廠補水時，需調高供水壓力至0.56MPa，一次補水大約20-30分鐘，其補水沒有一定的規(guī)律，不補水時，壓力維持在0.50MPa。變頻改造后，采用恒壓供水，由圖6可知變頻泵與工頻泵并聯運行時的特性曲線，工頻泵單獨運行時的曲線如圖中F1所示，C點為單臺泵運行時的工作點，F2為兩臺相同的泵工頻運行時的特性曲線，A為工作點，揚程Ha=Hf，流量Qa=2Qf。當流量由Qa變?yōu)镼b時，管網阻力曲線變?yōu)镽2，上述對應關系仍然成立，此時在保證管網壓力不變的情況下，揚程損失為ΔH=2*（Hb-Ha）（調節(jié)兩臺泵的閥門時）或ΔH=He-Ha（調節(jié)一臺泵的閥門時）。采用一臺變頻泵和一臺工頻泵并聯運行供水時，F3為變頻泵單獨運行的特性曲線，F3為F1下方的一簇曲線，根據并聯運行時工作揚程相等，流量相加的原則，可得出兩臺泵的運行曲線F4，此時流量Qb=Qd+Qf揚程Ha=Hd=Hf，由圖5可知，當流量減小越大時，變速調節(jié)的節(jié)能效率也越大。
變頻器投入正常運行后，經長時間觀察，變頻器大部分時間運行40Hz-47Hz之間，變頻泵的流量保持在700m3/h-1800m3/h之間，管道壓力保持0.55MPa。只有少部分時間工作在高頻或低頻，在用水高峰時，變頻器工作在50Hz正好能滿足需求，可見變頻器的調節(jié)范圍能夠滿足用戶生產的需要。為了對比變頻器節(jié)能的情況，選取1#工頻機組和2#變頻機組作為參照，隨機抽取一個工作周，網側計量耗電量，每天耗電量數據分別記錄如下：
1#工頻機組一周耗電量為：87860 KWh，一周電費為：39537元。
2#變頻機組一周耗電量為：61120 KWh，一周電費為：27504元。
節(jié)電率=（87860 KWh -61120 KWh）/87860 KWh×100%=30%。
平均一天節(jié)電費為：（39537-27504）元/7d=1719元。
一年按300天運行計算，一年節(jié)省電費：1719元×300天=515700元。
節(jié)電率達30%，節(jié)電效果還是非常可觀的。單從節(jié)電費一項計算，用戶投資一年半基本可以收回。
5結束語
總之，山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產的JD-BP37-630F高壓大功率變頻器在齊魯石化供排水廠西夏配水站給水泵上的成功運行，再次證明其在水行業(yè)的水泵調速應用中所無可比擬的優(yōu)越性。
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