凈水廠水泵機組變頻調(diào)速設(shè)計運行總結(jié)

0 引言

高壓變頻器的產(chǎn)業(yè)化在上世紀80 年代中期才開始形成，隨著大功率電力電子器件的迅速發(fā)展和巨大的市場推動力，高壓變頻器20 多年來的發(fā)展非常迅速，使用的器件已經(jīng)從Thyristor、GTR、GTO發(fā)展到IGBT、IECT、IGCT(SGCT)等，功率范圍從幾百kW到幾十MW，技術(shù)已經(jīng)成熟，可靠性也得到保證，應(yīng)用越來越廣。國內(nèi)外生產(chǎn)高壓變頻器的廠家很多，如西門子公司、ABB公司、依林公司、日立公司、國內(nèi)的利德華福公司等。

從1984 年開始，沈陽、哈爾濱、大連、鞍山等城市的供水工程，在不同時期先后選用了不同型號、一次側(cè)為10 kV的變頻調(diào)速裝置。其中哈爾濱第三凈水廠用的是奧地利ELEN 公司的設(shè)備(奧地利政府貸款)，鞍山市三家凈水廠用的是德國西門子公司上世紀80年代末的設(shè)備(日元貸款)，大連沙河第二凈水廠用的是德國西門子公司1998 年以后推出的最新的SIMOVERT(日元貸款)，吉林市第二凈水廠及第三凈水廠分別于2002年、2004 年選用了和美國羅賓康技術(shù)等同的利德華福公司的10 kV變頻調(diào)速設(shè)備。吉林市第三凈水廠所用的產(chǎn)品具有新穎、運行可靠、技術(shù)先進、節(jié)能顯著等優(yōu)點。本文重點介紹吉林市第三凈水廠水泵機組的變頻調(diào)速系統(tǒng)，它具有代表性，而且對凈水廠進行變頻調(diào)速技術(shù)改造的實際指導(dǎo)意義也較大。

吉林市自來水集團有限公司在考察對比了國內(nèi)外多家高壓變頻器生產(chǎn)廠家后，決定選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A 系列高壓變頻器。2002年先在二水廠選用一臺，兩年來運行效果很好，2004 年決定在三水廠再選用兩臺。

HARSVERT-A 系列高壓變頻器技術(shù)先進，可靠性高，輸出電壓波形好，并且已成功應(yīng)用于電力、冶金、石化、市政供水、水泥等多個領(lǐng)域，得到了用戶的普遍認可。

1 工程概況

吉林市于1998年建成二水廠(凈水廠)，2004年建成三水廠(凈水廠及原水給水廠)。二水廠與法國得利滿公司合作，V 型濾池計算機系統(tǒng)由設(shè)計院和法國得利滿聯(lián)合設(shè)計。V 型濾池用的設(shè)備(閥門、儀表、控制臺)材料，送水泵房的水泵，高壓10 kV 電機，中控室計算機系統(tǒng)及模擬屏、投影設(shè)備均由法國得利滿公司供貨。幾年來，通過與外方合作，去國內(nèi)外水廠考察調(diào)研，學(xué)習(xí)到了國內(nèi)外水廠的長處，積累了豐富的經(jīng)驗。尤其是時間已進入了21世紀，在設(shè)計三水廠時，必須以“高起點、上水平、創(chuàng)特色”為宗旨，設(shè)計、建設(shè)最好的水廠，讓市民滿意的水廠。

2 節(jié)能原理

同中國其他城市一樣，吉林市城市用水量是不均勻的，這是由于氣候和人們生活以及生產(chǎn)規(guī)律所決定的。由于流量的變化影響到管網(wǎng)水頭損失的變化，尤其是地勢平坦的市區(qū)，在幾何揚程很小的情況下，送水泵站出口所需壓力隨流量的變化更為顯著。

水泵站的裝機是按最不利條件下、最大時流量和所需相應(yīng)揚程決定的。但是，實際上每天只有很短時間能達到最大時流量，大多數(shù)時間里，水泵站都處在小流量下工作。為了適應(yīng)流量的變化，許多泵站在運行中采取關(guān)小出口閘門的辦法來控制流量，從而造成出口閘門前后少則幾m 多則幾十m 的壓力差值白白地浪費于閘門阻力上，如圖1所示。

當(dāng)水泵臺數(shù)足夠多時，可以很好地適應(yīng)水量變化，但是水泵型號是有限的，裝機臺數(shù)過多，不僅管理不便，而且會無謂地增大建筑面積，提高工程造價，即使這樣，也無法做到完全適應(yīng)水量變化，仍然需要用閘門來調(diào)節(jié)水量，如圖2所示。

很多水廠通過切削水泵葉輪以適應(yīng)工作點的需要，但因水泵工作點不連續(xù)照樣有能量損失。

若采用無級調(diào)速技術(shù)，則可連續(xù)地改變水泵轉(zhuǎn)速，來變更水泵工況，使流量與揚程適應(yīng)于管網(wǎng)用水量的變化，提高機組效率，維持管網(wǎng)壓力恒定，從而達到節(jié)能的效果。這一方法節(jié)能原理如圖3所示。圖中，AB為全速泵特性曲線，AnBn為調(diào)速泵特性曲線，CBnB為管路特性曲線，CO為幾何揚程(含地形差和自由水頭)，在用水量從qmax減少到qmin的過程中，全速泵的揚程將沿BA 曲線上升，而管網(wǎng)所需揚程將沿

BBn曲線下降，這兩條曲線縱坐標(biāo)的差值就意味著全速泵揚程的浪費。應(yīng)用水泵調(diào)速技術(shù)時，當(dāng)用水量從qmax變動到qmin的過程中，水泵轉(zhuǎn)速隨流量從額定位n0降到n1n2n3……nn，水泵的q-h 特性曲線AB也相應(yīng)變化為A1B1，A2B2，A3B3……AnBn。而這組平行的特性曲線AB-AnBn 與管路特性曲線CB 的交點軌跡BBn正在管路特性曲線上。這樣就可使水泵工作點沿管路特性曲線滑動，使其揚程處處能與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，做到?jīng)]有多余壓力的損失，且能保持管網(wǎng)壓力恒定，根據(jù)水泵軸功率的計算公式，明顯收到節(jié)能效果。

為實現(xiàn)水泵機組隨用水量變化而自動調(diào)速，最直接的辦法是在管網(wǎng)最不利點處設(shè)置壓力計，并設(shè)定壓力值。微機系統(tǒng)據(jù)輸入的壓力信號按存放的程序改變水泵轉(zhuǎn)速，使最不利點壓力恒定和供需水量平衡。但是最不利點距泵站往往很遠，遠傳信號很不方便。采用泵站出口壓力和流量來控制水泵轉(zhuǎn)速是常用的辦法。當(dāng)管網(wǎng)確定之后，出口壓力應(yīng)是流量的函數(shù)，其函數(shù)曲線即為管路特性曲線，所以可以利用圖4的控制系統(tǒng)自動地調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)電氣設(shè)計方案

3.1 三水廠的凈水廠

設(shè)計院和吉林市自來水集團有限公司按照工藝進行了認真計算，根據(jù)實際工況要求，選用HARSVERT-A 型高壓變頻器實現(xiàn)一拖一的技術(shù)方案進行主回路電氣結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計，如圖5所示。一拖一的兩臺電機互為備用。

以3#水泵為例，一拖一包括高壓變頻器U、3 個真空接觸器KM31、KM32、KM33以及2個高壓隔離開關(guān)QS31、QS32，其中KM31、KM32、KM33為高壓真空接觸器，用于變頻和工頻的電動切換。QS31和QS32為高壓隔離開關(guān)，一般情況下處于合閘狀態(tài)，僅在變頻器檢修時拉開，用于電機工頻運行情況下對變頻器進行安全檢修。

這種控制方式具有以下特點。

1)可以實現(xiàn)工頻/ 變頻自動切換功能在變頻器出現(xiàn)嚴重故障時，系統(tǒng)能夠自動切入工頻電網(wǎng)中，斷開變頻器時，負載不用停機，滿足現(xiàn)場不能停機要求;

2)易實現(xiàn)四運兩備運行方式即一臺變頻運行，三臺工頻運行，兩臺工頻備用;或者是四臺工頻運行，一臺工頻備用，一臺變頻備用。

3.2 三水廠的取水廠

選用HARSVERT-A 型高壓變頻器一拖一的方案，如圖6所示，與凈水廠的方案基本相同只是根據(jù)水泵的臺數(shù)不同，采用了三運一備運行方式，即一臺變頻運行，二臺工頻運行，一臺工頻備用;或者是三臺工頻運行，一臺變頻備用。

4 變頻調(diào)速設(shè)備

HARSVERT-A 高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平電壓源型拓撲，具有如下特點：采用輸入多重化設(shè)計，高次諧波含量非常小，輸出采用單元模塊串聯(lián)，使得諧波含量極低，在無輸出濾波器的情況下，可使

THD<3豫，堪稱“完美無諧波”高壓變頻器;極低的轉(zhuǎn)矩紋波和電機噪聲;功率因數(shù)可達0.95;對電機絕緣無損害，電纜長度無限制;便于冗余設(shè)計;中文操作界面便于維修。

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HARSVERT-A 系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10 000 V系列有24 個功率單元，每8個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。

4.2 功率單元結(jié)構(gòu)

每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。為基本的交-直-交單相逆變電路，即三相輸入經(jīng)三相二極管整流橋輸出直流后，再經(jīng)SPWM控制的單相IGBT逆變橋輸出單相交流電。

當(dāng)某一個單元出現(xiàn)故障時，通過使繼電器K閉合，可將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其他單元的運行，變頻器可持續(xù)降額運行;如此可減少很多場合下停機造成的損失。

4.3 控制器

控制器核心由高速DSP和工控PC 協(xié)同運算來實現(xiàn)，精心設(shè)計的算法可以保證電機達到最優(yōu)的運行性能。工控PC 提供友好的全中文Windows監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制?？刂破鬟€包括一臺內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強了系統(tǒng)的靈活性。

控制器結(jié)構(gòu)上采用VME標(biāo)準箱體結(jié)構(gòu)，各控制單元采用FPGA、CPLD 等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。

另外，控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。

5 軟件設(shè)計及自動化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

5.1 軟件設(shè)計

上位機系統(tǒng)選用亞控公司的組態(tài)王軟件。該軟件具有友好的人機界面，支持以太網(wǎng)絡(luò)，可以很方便地實現(xiàn)遠程監(jiān)視等功能，報表、報警功能強大，支持OPC，支持多種型號的PLC通訊。

軟件設(shè)計過程中，由于上位機的程序組態(tài)王不直接支持西門子的以太網(wǎng)通訊協(xié)議，因此需要利用OPC Server來作為過渡。這樣也使得局域網(wǎng)上的機器可以方便調(diào)用該機的參數(shù)，便于遠程監(jiān)視。

兩臺上位機同時監(jiān)控整個系統(tǒng)，當(dāng)主上位機A故障退出時，從上位機B仍然能實時監(jiān)控系統(tǒng)，這樣保證系統(tǒng)的安全性、可靠性。

5.2 自動化網(wǎng)路設(shè)計

控制系統(tǒng)由主控PLC、旁路柜控制PLC、高壓變頻器、上位機組成。其中主控系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC、旁路柜內(nèi)置西門子S7-200-PLC、上位機監(jiān)控選用組態(tài)王軟件。通訊網(wǎng)路在底層采用ProfibusDP總線，主控PLC 和上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊。西門子S7-300 PLC作為整個系統(tǒng)的控制核心，處理人機界面對系統(tǒng)的各種請求，對整個系統(tǒng)的參數(shù)進行監(jiān)控，實現(xiàn)對集氣管壓力的PID調(diào)節(jié)，維持管網(wǎng)的壓力恒定。自動旁路柜集成有S7-200 PLC，完成變頻工頻切換功能。上位機系統(tǒng)采用用戶熟悉的組態(tài)王監(jiān)控軟件，與PLC 的連接采用以太網(wǎng)方式。考慮現(xiàn)場工況，對安全性、可靠性、穩(wěn)定性要求都很高，我們現(xiàn)場控制級采用Profibus DP總線連接，監(jiān)控操作級采用Ethernet方案，接入焦化廠局域網(wǎng)主服務(wù)器系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)視。系統(tǒng)中西門子S7-200 配置EM277 Profibus 總線模塊，S7-300 選用315-2 DP，并配置CP341-1T 以太網(wǎng)模塊，PLC集成的DP 接口用于連接S7-200，以太網(wǎng)模塊CP343-1T 用于和上位機的以太網(wǎng)連接。

控制網(wǎng)絡(luò)具有良好的穩(wěn)定性、擴展性、軟硬件的開放性以及友好的人機界面，上位機按冗余控制配置等優(yōu)點。

6 結(jié)語

用高壓變頻器控制水泵機組，大大改善了供水、凈水生產(chǎn)及現(xiàn)場環(huán)境，完全達到了生產(chǎn)工藝要求。PLC 控制技術(shù)、Profibus 總線技術(shù)和高壓變頻技術(shù)的完美結(jié)合，使得水泵機組集成自動化程度高，具有運行穩(wěn)，操作簡單，節(jié)能高效明顯等優(yōu)點。

吉林市三水廠高壓變頻器控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，對于節(jié)約電能、減員增效、技術(shù)創(chuàng)新，具有很強的通用性，值得推廣。

要想送水泵站每臺泵實現(xiàn)優(yōu)化運行，就要研究其定性與定量的運行規(guī)律。我們根據(jù)吉林市區(qū)用水曲線、出廠壓力與管網(wǎng)壓力控制點，清水池水位等參數(shù)，正在建立優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，下一步我們將定量控制凈水廠泵站定速與變頻調(diào)速機組優(yōu)化運行時的流量、揚程、效率。這樣可以根據(jù)用戶對用水量與揚程要求，實現(xiàn)最優(yōu)化控制。這種方式實現(xiàn)之時，既可以滿足用戶對水量、水壓的需要，又可以明顯降低電耗。這是我們面臨的一個艱巨的、必須攻克的難題。

吉林市凈水廠送水泵房水泵機組調(diào)速的經(jīng)濟效果很明顯，比不調(diào)速節(jié)能30豫左右，而且設(shè)備運行可靠，操作維護方便，由計算機控制，實現(xiàn)了吉林市第三凈水廠優(yōu)化控制，現(xiàn)代化管理。我們將繼續(xù)努力，力爭將吉林三水廠建成國內(nèi)先進水平的水廠。