ZNR系列智能高壓變頻器在循環(huán)水泵節(jié)能改造中的應用

　　1 引言

　　隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，變頻器的使用越來越廣泛。高壓交流變頻調(diào)速技術是上世紀90年代迅速發(fā)展起來的一種新型電力傳動調(diào)速技術，主要用于交流電動機的變頻調(diào)速。目前高壓電動機中拖動的負載近70%是風機、泵類，其中一半適合調(diào)速。從高壓變頻器的一般使用情況來看，平均節(jié)電率可達30%，在技術改造項目中，高壓變頻器的投入和使用，其節(jié)能效果是顯而易見的。高壓變頻器經(jīng)過多年的現(xiàn)場運行證明，它用于驅(qū)動風機、泵類設備節(jié)電效果顯著，性能穩(wěn)定、可靠性高。既節(jié)約了能源，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，且大大減少了設備維護、維修費用，直接和間接經(jīng)濟效益十分顯著。變頻調(diào)速以其顯著的節(jié)能效益、高精確的調(diào)速精度、寬的調(diào)速范圍、完善的保護功能，以及易于實現(xiàn)的自動通信功能，得到了廣大用戶的認可和市場的確認，在運行的安全可靠、安裝使用、維修維護等方面，也給使用者帶來了極大的便利和快捷的服務，使之成為企業(yè)采用電機節(jié)能方式的首選。

　　2 改造方案

　　過去冷卻水循環(huán)水泵均不調(diào)速，利用出口閥門開度大小來控制水流量和管網(wǎng)壓力，由于設備的選擇都是按最大負荷情況來選型，在實際運行中設備留有較大的裕量，冷卻循環(huán)水的流量與壓力是通過冷卻循環(huán)水泵出、入口管上的調(diào)節(jié)閥來進行調(diào)節(jié)，造成電動機運行效率較低，電能浪費大。為降低企業(yè)生產(chǎn)成本，經(jīng)過調(diào)研與比較，反復論證，決定選用上海衛(wèi)能能源科技有限公司生產(chǎn)的znr系列智能高壓變頻器對d#空分a#、b#、c#3臺循環(huán)水泵進行變頻調(diào)速節(jié)能改造，以解決能源浪費問題。znr-a6h1250/06ya10型智能高壓變頻器，額定電壓為6kv，額定容量為1250kva，6級h橋級聯(lián)拓撲方式，適配電機為異步電機，采用“一”字排列安裝形式，控制程序版本為a10型。

　　d#空分循環(huán)水系統(tǒng)要求運行可靠性高，為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，考慮到變頻調(diào)速系統(tǒng)退出運行后不影響生產(chǎn)，確保循環(huán)水系統(tǒng)正常運行，結(jié)合實際運行狀況，設計為變頻器加裝工頻旁路裝置，當變頻器因故障時，變頻器退出運行，可將電機直接手動切換到電源工頻情況下運行，恢復到原有系統(tǒng)的運行方式。

　　3 系統(tǒng)的配置與工作原理

　　znr系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)“一”字布置，由旁路柜1面、變壓器柜1面、功率逆變柜和控制柜1面、連接電纜1套等組成，其中功率柜與控制柜合1。

　　旁路柜：根據(jù)需要選用，該組件在系統(tǒng)故障情況下將電機切換至工頻電網(wǎng)，執(zhí)行旁路功能。

　　變壓器柜：裝有移相整流變壓器，為各個功率單元提供交流輸入電壓。

　　功率柜和控制柜：裝有模塊化設計的多個功率單元級聯(lián)式的逆變主回路，向電機提供變頻后的輸出電壓。裝有主控部件，控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作并處理通過采集獲得的數(shù)據(jù)，具備各類數(shù)據(jù)通信和dcs控制接口功能。

　　高壓變頻系統(tǒng)配備旁路柜，工頻旁路由2個高壓隔離開關k1、k2組成，其中qf為用戶高壓開關柜原有高壓斷路器。變頻運行時，k1和k2閉合，切換k2至變頻運行位置；工頻運行時，k1斷開，k2閉合，切換k2至工頻運行位置。當高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，控制器自動跳開qf，操作員打開k1，切換k2至工頻運行位置。可將電機轉(zhuǎn)切至工頻運行，此時變頻調(diào)速系統(tǒng)從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)試。為了實現(xiàn)變頻器故障的保護，高壓變頻器對6kv開關qf進行聯(lián)鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開qf，工頻旁路時，變頻器允許qf合閘，撤消對qf的跳閘信號，使電機能正常通過qf合閘工頻啟動。循環(huán)水泵變頻調(diào)速節(jié)能改造主回路電氣原理圖如圖1所示。

　　znr系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有強大的自動控制和通信功能，高壓變頻裝置投運后，電機運行方式以變頻運行為主，裝置具備手動旁路功能，在變頻裝置出現(xiàn)故障后，可以旁路工頻運行。高壓變頻裝置現(xiàn)場電控箱可以實現(xiàn)變頻器的啟動、停止，具有運行、停止指示，具有電機電流、電機轉(zhuǎn)速顯示，可以根據(jù)負荷情況調(diào)節(jié)現(xiàn)場電位器改變變頻器輸出頻率，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。工藝dcs控制室具有電機運行電流指示，運行狀態(tài)顯示，故障跳閘顯示，并具有dcs手操急停功能。高壓變頻裝置本身具有功能完善的各項保護，電源斷路器引入高壓變頻裝置保護連鎖，在變頻裝置不具備運行條件時電源斷路器不能合閘，同時在高壓變頻裝置故障跳閘后聯(lián)跳電源斷路器。循環(huán)水泵變頻調(diào)速節(jié)能改造控制回路電氣原理圖如圖2所示。

　　4 循環(huán)水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析

　　當采用變頻調(diào)速時，可以按需要升降電機轉(zhuǎn)速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數(shù)滿足工藝要求，根據(jù)水泵的相似定律，變速前后流量、壓力、功率與轉(zhuǎn)速之間的關系為：q1/q2=n1/n2；h1/h2=（n1/n2）2；p1/p2=（n1/n1）3。其中：q1、h1、p1—水泵在n1轉(zhuǎn)速時的流量、壓力、功率；q2、h2、p2—水泵在n2轉(zhuǎn)速時相似工況下的流量、壓力、功率。假如轉(zhuǎn)速降低一半，即：n1/n2=1/2，則p2/p1=1/8，可見降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達到節(jié)能的目的。當轉(zhuǎn)速由n1降為n2時，水泵的額定工作參數(shù)q、h、p都降低了。但效率值基本是一樣的。也就是說當轉(zhuǎn)速降低時，額定工作參數(shù)相應降低，但效率不會降低。

　　因此在滿足操作要求的前提下，水泵仍能在同樣甚至更高的效率下工作。降低了轉(zhuǎn)速，流量就不再用關小閥門來控制，閥門始終處于全開狀態(tài)，避免了由于關小閥門引起的壓力損失增加，也就避免了總效率的下降，確保了能源的充分利用。工頻50hz電網(wǎng)直接啟動，對電網(wǎng)和機械沖擊較大，聲響很大，啟動一次的損耗電能高。而變頻軟起動損耗很小，只有上述損耗電能的1/10，則每年的起動節(jié)能也是很可觀的。當采用變頻調(diào)速時，50hz滿載時功率因數(shù)為接近1，工作電流比電機額定電流值要低許多，這是由于變頻裝置的內(nèi)濾波電容產(chǎn)生的改善功率因數(shù)的作用，可以為電網(wǎng)節(jié)約容量20%左右。

　　5 循環(huán)水泵參數(shù)和工況

　　d#空分3臺循環(huán)水泵的參數(shù)相同，水泵為濟南奔騰泵業(yè)有限公司生產(chǎn)btow600-710型，額定轉(zhuǎn)速970r/min，效率85％，供水6000m3/h，揚程50m。拖動循環(huán)水泵的3臺電動機為ykk5603-6型，額定功率1120kw，額定電壓6kv，額定電流124.6a，功率因數(shù)cos=0.87，額定轉(zhuǎn)速992.2r/min，f級絕緣，繞組y接，哈爾濱電機廠有限責任公司生產(chǎn)。

　　a#、b#、c#、d#、e#5臺循環(huán)水泵采用閉式循環(huán)水系統(tǒng)，補給水經(jīng)化學弱酸陽離子交換器處理后的軟化水。循環(huán)水泵采用單元制供水系統(tǒng)，即每臺機組配1座冷卻塔，1條壓力循環(huán)水管，1條雙孔自流水溝和1臺循環(huán)水泵。冷卻水塔采用風筒式逆流自然通風冷卻塔，通風筒為雙曲線旋轉(zhuǎn)殼。在循環(huán)供水系統(tǒng)中，是由循環(huán)水泵實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用的。經(jīng)熱交換后的熱水進入冷卻設施進行冷卻，使其水溫降至允許值，然后又重復將冷卻水輸入冷卻器而循環(huán)使用，由于系統(tǒng)水位基本上是穩(wěn)定的，故循環(huán)水泵的揚程也基本穩(wěn)定，而其容量按計算水量確定。循環(huán)水泵隨機組長期連續(xù)運行，由于機組負荷經(jīng)常變化，需要及時調(diào)整循環(huán)水流量，以保證機組的安全經(jīng)濟運行。在正常運行工況，5臺循環(huán)水泵運行3臺，另2臺循環(huán)水泵備用。即使在同一負荷的情況下，不同的外部環(huán)境也使得循環(huán)水流量的需求不同。利用高壓變頻器根據(jù)實際需要對循環(huán)水泵進行調(diào)速控制，從而既保證和改善運行工藝，又可達到節(jié)能降耗的目的。

　　znr系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)正式投入運行前，應仔細檢查廠家給出的znr智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制器功能基本參數(shù)所述內(nèi)容是否都正確設置了，并對znr系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制器功能參數(shù)進行設置。

　　6 改造前后運行情況

　　本次只對5臺并聯(lián)水泵中的3臺進行改造，正常運行工況為3臺變頻。由于季節(jié)及晝夜溫度的差別使得變頻系統(tǒng)的運行有著特殊性，管網(wǎng)總出口的壓力取決于2臺并聯(lián)水泵各自的出口壓力，從而決定了變頻泵不可能在太低的頻率下運行，否則會引起倒流或不出水的情況。另一方面，太低的頻率會導致整體壓力下降，達不到循環(huán)水系統(tǒng)總體的揚程要求，處于工頻定速運行的水泵也易導致過流發(fā)生。根據(jù)以往的運行實踐經(jīng)驗，在工頻泵與變頻泵同進運行的情況下