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高压变频器在自来水公司中的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-05-12   浏览次数:731
  1引言  永州市零陵区自来水公司位于零陵区南津南路东侧美丽的潇水河畔,是零陵区政府管辖的正科级事业单位,属自收自支、
  1引言

  永州市零陵区自来水公司位于零陵区南津南路东侧美丽的潇水河畔,是零陵区政府管辖的正科级事业单位,属自收自支、企业化管理性质,担任着永州市零陵区城区30万人口的供水任务,日设计供水量为20万吨。水厂送水泵房共有4台水泵机组,630kW /10kV二台,280kW /10kV二台,采用工频运行方式,泵站在实际运行中,但由于实际需求输水量远远小于供水能力,所以只能依靠调节出口阀开度及频繁开停泵来调节流量。以保证生产厂的处理平衡的需求。这不但操作麻烦、难以控制,而且能源浪费大。鉴此,为了资源的合理利用和能源的节约,保证输水管网的安全可靠运行,拟考虑安装变频调速装置,并经过经济技术评估,认为是可行的。通过调查和对比,经过招标形式选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-630F(630kW /10kV)高压变频调速装置,并于2014年5月投入使用。改造达到了预期目的。

  2变频器节能的理论依据

  永州市零陵区自来水公司,供水量是不均匀的,这是由于春夏秋冬气候和人们生活以及生产规律所决定的。水泵站的装机是按最不利条件下、最大时流量和所需相应扬程决定的。而实际上每天内只有很短时间能达到最大时流量,大多数时间里,水泵站都处在小流量下工作。为了适应流量的变化,先前泵站在运行中采取关小出口闸门的办法来控制流量,从而造成出口闸门前后的压力差值就白白地浪费于闸门阻力上。

  变频调速运行是根据水泵转速的变化要求,通过改变电动机工作电源频率达到改变水泵电机转速的目的,以获得合理的水泵运行工况。在不同的转速情况下,均保持较高的运行效率,不仅降低了电能消耗,同时能改善水泵启动性能,延长其工作寿命,还提高供水质量。变频技术用于泵类设备驱动控制场合的节电效果,普遍节电达到20%以上。

  根据流体力学的基本定律可知:水泵类设备均属平方转矩负载,其转速N与流量Q、压力(扬程)H以及轴功率P具有如下关系:

  Q1/Q2=N1/N2     (1);

  H1/H2=(N1/N2)2(2);

  P1/P2=( N1/N2)3(3);

  Q1、H1、P1----水泵在N1转速时的流量、压力(或扬程)、轴功率;

  Q2、 H2 、P2-----水泵在N2转速时的相似工矿条件下的流量、压力(或扬程)、轴功率。

  因此理论上采用转速控制,当风量、流量减小时,所需功率近似按流量的3次方大幅度下降。

  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达到节能的目的。当转速由N1降为N2时,水泵的额定工作参数Q、H、P都降低了。但从效率曲线л-Q看,Q2与Q1点的效率值基本是一样的。也就是说当转速降低时,额定工作参数相应降低,但效率不会降低,有时甚至会提高。因此在满足操作要求的前提下,水泵仍能在同样甚至更高的效率下工作。

  降低了转速,流量就不再用关小阀门等来控制,阀门等始终处于全开状态,避免了由于关小阀门等引起的损耗,也就避免了总效率的下降,确保了能源的充分利用。

  3 风光JD-BP38系列高压变频系统技术参数

  山东新风光是国家高新技术企业,生产的风光牌JD-BP38系列高压变频器以高速DSP为控制核心,采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术,属高-高电压源型变频器,其谐波指标远小于IEEE519-1992的谐波标准,输入功率因数高,输出波形质量好,不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器;不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题,可以使用普通的异步电机。

  JD-BP38-630F高压变频器技术参数如表1所示。

  

  4变频改造控制方案

  变频调速系统操作方面,有远程控制和本地控制两种控制的方式,这两种控制方式可提高系统的安全性能。通过上位机对高压变频器运行状态进行监控,通过远控和本地对变频器进行控制,上位机监控系统如图1所示,具有以下功能:变频启动、变频停止、故障复位、变频运行指示、变频停止指示、故障输出、通讯指示,并可在上位机上显示变频器的运行数据、设定压力、反馈压力和当前状态,实时监控系统运行。

  

  图1 上位机监控系统

  为了保证水厂供水系统的可靠性,变频器装置具有工频手动旁路装置,当变频器发生故障,停止运行时,在确认水泵及电机没有故障的情况下,电机可以手动切换到工频下运行,这样可以保证水泵的供水要求,提高了整个供水系统的安全稳定性。

  水泵变频系统具有如下特点:为变频器提供的交流220V控制电源掉电时,由于变频器的控制电源和主电源没有相位及同步要求,变频器可以使用UPS继续运行,不会停机;在现场水压给定信号掉线时,变频器提供报警的同时,可按原转速继续运行,维持水泵机组的工况不变;变频器配置单元旁路功能,在局部故障时,变频器可将故障单元旁路,降额继续运行,减少突然停机造成的损失,如果变频器出现3个以上的故障单元,当前水泵可转工频运行,可保证供水不受影响。

  5 变频改造主回路介绍

  永州市零陵区自来水公司水泵系统变频改造采用1#、2#水泵(电机功率630kW /10kV)共用一套JD-BP38-630F(适配630kW /10kV电机)高压变频器,高压变频器采用“一拖二”手动旁路方案。1#、2#水泵一次系统接线图路如图2所示,通过切换高压隔离开关把高压变频器切换到要运行的水泵上去。高压变频器可以拖动1#供水泵电动机实现变频运行,也可以通过切换拖动2#供水泵电动机实现变频运行。两侧供水泵电动机均具备工频旁路功能。

  

  图2 高压变频一次系统接线图

  QF1和QF2分别为现场1#和2#供水泵电源高压断路器;

  QS11和QS21分别为1#、2#供水泵电源高压隔离开关;

  QS12、QS22、QS13、QS23为变频器旁路开关柜高压隔离开关;

  变频器为风光JD-BP38-630F高压变频器。

  高压变频器控制电机为一拖二控制,旁路开关柜用于工/变频切换。QS11和QS21为2个高压隔离开关,变频器运行时,要求QS11和QS21同时闭合。QS12闭合,QS22断开,QS13断开,1#水泵变频运行;QS12断开,QS13闭合1#水泵工频运行;QS22闭合,QS12断开,QS23断开,2#水泵变频运行;QS22断开,QS23闭合,2#水泵工频运行;其中,QS12与QS13、QS22实现电气互锁,QS22与QS23、QS12实现电气互锁;将控制柜“远控/本控”开关打至“远控”位置,将相应水泵断路器“就地/远方”开关打至“远方”位置,通过上位机可实现水泵的远控操作。

  6 恒压供水系统原理、PID设定及运行

  由于永州市零陵区自来水公司,对用水负荷需要在实际运行时进行精确调整和测量,因此采用的是恒压供水系统,其工作原理如图3所示,测量元件为压力传感器,将它设在水泵机组出水口,Vi为恒定供水压力设定值,供水压力V作为输出量,构成闭环控制系统。变频器内部的PLC采集供水压力值V与用户给定值Vi进行比较和运算,通过PID进行调整,将结果转换为频率调节信号送至变频器,直至达到供水压力的给定值Vi。不管系统供水流量如何变化,供水压力值V始终维持在给定压力值Vi附近。

  

  图3恒压供水系统工作原理框图

  (1)在PID控制中,P系数加大,可以加快调节速度。但如果过大,系统容易因超调而震荡。若P太小,又会使系统的动作缓慢。P可正可负。如果比例系数为正,那么该回路为正作用回路;如果比例系数为负,那么该回路为反作用回路。本变频器P设定为0.30。

  (2)积分I的作用主要是消除系统的静态误差。但过强的积分作用使供水系统超调加大。所以在调节过程初期,应减弱积分作用,防止产生积分饱和现象;而到过程后期,应适当增强积分作用,以提高控制精度。本变频器I设定为10.0。

  风光高压变频器内置PID功能,其中PID 结构参数具有以下选择方式:

  0:比例 PID 控制只比例增益起作用

  1:积分 PID 控制只积分增益起作用

  2:比例+ 积分 PID 控制比例增益和积分增益同时起作用

  3:比例+ 积分+ 微分 PID 控制比例增益、积分增益和微分增益同时起作用

  本变频器PID参数PID结构选择2,比例+积分 PID 控制比例增益和积分增益同时起作用,完全可以满足供水系统的供水压力恒定要求,不需要设定微分参数。

  现场采用压力闭环控制,每天分十个时间段来控制给定压力,具体设定压力分段如表2所示。

  

  现场最大压力设定:根据压力变送器的最大量程来设定。本案例中压力变送器的最大量程为950KPa,在950KPa 时变送器输出信号为20mA,那最大压力设置为950KPa,对应压力设定百分值100%。如图4中的给定压力:399 kPa=42.00%*950 kPa。

  

  图4 给定压力显示界面

  在上位机监控系统具有丰富的功能。除了可以具有以下功能:变频启动、变频停止、故障复位外,还可以显示变频运行指示、变频停止指示、故障输出、通讯指示等,并可在上位机上实时显示变频器的运行数据、设定压力、反馈压力和当前状态。上位机变频器实时监控运行数据如表3所示。

  

  7 现场设备改造效果

  水厂水泵变频节电改造后,2014年5月初,正式投入生产,至今运行正常。系统达到了预期的效果:实施变频改造后,水泵用电量有明显下降,设备实现了软起动,改善了设备的运行工况,极大地减轻了设备起动时对供配电系统的冲击。

  7.1节电效果

  经过厂能源利用监测中心测试,根据泵站供水系统改造之前一个月的报表计算得1000t水耗电率为102度电,改造之后的一个月1000t水耗电率为86度电,按此计算,泵站一年可节电(102-86)×50×360=288000度电。并且随着供水量的增加泵站供水系统采用一台工频,一台变频两台高压电动机供水方式节能效果更显著。

  7.2其他效果

  (1)改善了工艺。在实际生产操作过程中,泵的流量需时常调整,不仅需要调节参数,而且备用设备需时常切换。调节参数时,主要通过调节出口阀来控制,人工关小或开大阀门不仅费事,速度慢,也缩短阀门的寿命(填料及阀杆的磨损)。

  (2)维护量减少。采用变频调速后,大部分时间里,泵的运行转速大大低于泵的额定转速。由于水泵启动缓慢及转速的降低,减少了泵的零部件密封、轴承的磨损,相应地延长了水泵的寿命。

  (3)工作强度降低。采用变频调速恒压闭环调节就不用调节出口阀,操作工作由动手转变为自动、监控,完全实现生产的无人操作,大大减轻了工人的劳动强度。

  (4)现场噪音大大降低,有效改善现场的运行环境,运行人员反映良好;便于实现厂循环水泵机组控制系统自动化管理。

  8结束语

  经过实践的证明,永州市零陵区自来水公司水厂的水泵变频改造是成功的,取得的经济效益和社会效益是显而易见的。不仅节约了大量电能,降低了供水成本;而且增大了供水系统可调范围,提高了工作效率,增强了系统安全可靠性。随着国家目前对节能减排工作力度空前加大,变频调速技术发展前景十分广阔,已迎来历史黄金发展时期。
 
 
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