作者： 石药集团 白献刚 熊彦梅 贡俊鹏

1 引言
            我公司动力车间有1#、2#、3#高压循环水泵，正常运行时“二用一备”，3台电机均为直接工频启动，启动电流大，既影响设备寿命又对电网产生较大冲击。昼夜循环水温度变化较大,对循环水量要做出相应的调节。但原设备工频定速运行时，只能靠调节阀门的开度来调节循环水量的大小，通过人为改变管网的阻力，增加管网损耗来调节水量，造成相当大的一部分能量浪费在阀门上，致使电费居高不下。使用阀门调节流量，不仅不能够经济运行，而且增加了工人的工作量，调节不及时还会造成管网压力过高或过低，流量过大或过小，影响生产工艺及设备的安全运行。为了降低生产经济成本，提高工艺精度及工作效率，迫切需要对其中1台循环水泵进行调速节能降耗改造。
            　　经多次调研、考察，综合比较目前市场上的调速设备，最终决定采用北京利德华福电气技术有限公司生产的harsvert-a06/050直接高－高型变频器对其中1台（3#）循环水泵进行节能改造。利用压力变送器采集循环水主管道压力自动控制变频器输出频率，保持循环水主管道恒压。
            2 harsvert-a高压变频调速系统的技术方案
            高压变频调速系统的工作原理如下。
            高压变频装置采用多电平串联技术，6kv系统结构如图1所示，整套系统由移相变压器、功率单元和控制器组成。6kv系列有21个功率单元，每7个功率单元串联构成一相。每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构见图2所示，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对igbt逆变桥进行正弦pwm控制，可得到如图3所示的波形。

     
            输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，构成42脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器。
            输出侧由每个单元的u、v输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的pwm波形进行重组，可得到如图4所示的阶梯pwm波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。

            图4 变频器输出的相电压阶梯pwm波形
            当某一个单元出现故障时，可将此单元模块旁路，退出系统而不影响其他单元的运行。变频器可持续降额运行，如此可减少很多场合下停机造成的损失，避免了由于一个大功率高压开关器件的故障而导致整机故障、停机的产生，从而保证了变频器的可靠性。利德华福的产品最多可允许2-3个单元模块的旁路。
            3 一次主回路方案
            通过咨询，我们决定采用一拖一手动旁路方案：主回路由负荷开关qf、3个高压隔离开关qs1、qs2和qs3及高压变频器组成，如图5所示。其中要求qs2和qs3不能同时闭合，在机械上实现互锁。高压隔离开关qs1、qs2、sq3加装电磁锁，电磁锁的操作电源使用qf的辅助触点闭锁。只有当qf断开时，qs1、qs2、sq3的电磁锁才能得电，可以正常操作。在变频运行时，qs1和qs2闭合，qs3断开，变频器得电启动后，电机处于变频运行状态；工频运行时，qs3闭合，qs1和qs2断开，qf闭合后，电机实现工频直接启动，恢复改造前的运行状态。

   图5 高压变频器工频旁路原理图
            4 节能计算
            4.1 水泵变频调速的节能原理
            根据流体力学原理：
            当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变水泵的性能曲线，使水泵的额定参数满足工艺要求，根据水泵的相似定律，变速前后水量、水压、功率与转速之间关系为：
            q1/q2=n1/n2
            h1/h2=（n1/n2）2
            p1/p2=（n1/n2）3
            式中：q1、h1、p1—风机在n1转速时的水量、水压、功率；
            q2、h2、p2—风机在n2转速时相似工况条件下的水量、水压、功率。
            假如转速降低一半，即：n2/n1=1/2，则p2/p1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率，以达到节能的目的。
            3#循环水泵功率为450kw，年运行时间8000h，水泵流量q和压力h在采用阀门调节流量时,近似满足如下关系：
            h=a-(a-1)q2
            其中a为水泵出口封闭时的出口压力，约为140%。
            4.2 实际运行的节电计算
            (1) 恒压设定。
            参考循环水装置工艺要求，得出“压力”是保证循环水工艺的充分条件，即压力达到0.45mpa，才能保证循环水温度要求。泵出口压力过低则无法克服水的势能，无法将循环水送至冷却塔；压力过高则泵出水量增大，经冷却循环水的效率不高。因此决定采用“恒压”闭环控制方法，调整变频装置给定频率，找到工艺所需的压力最低临界点，使其既满足工艺所需压力，又能保证循环水需求量，使进出冷却塔的温差△t稳定在8℃～16℃之间。
            （2）3#循环水泵变频运行记录(11月10日)，见表1。
            表1 3#循环水泵变频运行记录（11月10日）

         
            表3 改造前后输出功率变化情况表

            按循环水泵年运行时间为7000h，电费0.70元/kw·h，单台循环水泵年节电费为：
            （470-136）×7000×0.70=163.7万元。
            6 结束语
            实践证明：harsvert-a06/050型高压变频器在循环水泵上的应用是成功的。使用高压变频器后，节能效果明显；出入口阀门全开，减少了阀门能耗损失；实现了电机的软启动，延长了电机的使用寿命；内置plc通过采集现场的水压数据（4～20ma信号），根据其设定值和实际值的变化情况，自动调节变频器输出频率，控制水泵转速，实现恒压供水，大大提高了脱硫工艺的自动化水平，具有良好的使用价值。
            作者简介
            白献刚（1979-） 男
，电气工程及其自动化专业，现供职于于石药集团维生药业（石家庄）有限公司，主要负责电气及自动化设备管理及技术支持。
            熊彦梅（1979-） 女，环境科学工程专业，现供职于石药集团恩必普药业有限公司，主要负责设备采购及技术支持。
            贡俊鹏（1980-） 女，电气工程及其自动化专业，现供职于维生药业（石家庄）有限公司，任职动力车间仪表自动化技术支持。
            参考文献
            [1] 高压变频调速系统harsvert-a系列技术手册. 北京利德华福电气技术有限公司.
            [2] 高压变频器应用资料汇编－石化行业. 北京利德华福电气技术有限公司.
            [3] 杜金城.电气变频调速设计技术[m]. 北京:中国电力出版社, 2002.
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