凈水廠水泵機組變頻調(diào)速設計總結
| 摘要：本文結合吉林市第三凈水廠變頻調(diào)速設計的實例，介紹了多電平拓撲電路原理及特點。應用變頻器的節(jié)能分析，以及提出送水泵房優(yōu)化控制的想法，并且介紹了調(diào)速系統(tǒng)的標準配置。 關鍵詞：變頻設備 脈沖寬度調(diào)制 拓撲電路 中壓變頻器 一、前言 高壓變頻器的產(chǎn)業(yè)化在80年代中期才開始形成，但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，高壓變頻器十多年來的發(fā)展非常迅速，使用器件已經(jīng)從SCR、GTR、GTO發(fā)展到IGBT、IECT、IGCT（SGCT）等，功率范圍從幾百千瓦到幾十兆瓦，技術已經(jīng)成熟，可靠性得到保證，應用越來越廣。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、日本的日立公司、國內(nèi)的利德華福公司等均生產(chǎn)高壓變頻器。 從1984年開始，在沈陽市、哈爾濱市、大連市、鞍山市等城市的供水工程中不同時期先后選用了不同型號，一次側為10kV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80年代末的設備（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等同的利德華福公司的10kV變頻調(diào)速設備。吉林市第三凈水廠產(chǎn)品新穎、運行可靠、技術先進、節(jié)能優(yōu)點顯著。另外，以前我們對西門子公司不同時期的產(chǎn)品介紹很多，2005年美國羅賓康公司被西門子公司收購，所以本文重點介紹吉林市第三凈水廠水泵機組的變頻調(diào)速，其很具有代表性，而且實際意義也很大。 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先進,可靠性高,輸出電壓波形好，并且已在電力、冶金、石化、市政供水、水泥等多個領域成功應用，得到了用戶的普遍認可和市場的長久考驗。 二、工程概況 吉林市于1998年建成二水廠（凈水廠）,于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)由設計院和法國得利滿聯(lián)合設計。V型濾池用的設備（閥門、儀表、控制臺）材料，送水泵房的水泵，高壓10kV電機，中控室計算機系統(tǒng)及模擬屏、投影設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，學習到了國內(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二十一世紀，在設計三水廠時，必須以“高起點、上水平、創(chuàng)特色”為宗旨，厚積薄發(fā)，開拓創(chuàng)新，要設計、建設最好的水廠，讓市民滿意的水廠。 三、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。由于流量的變化從而影響到管網(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、******時流量和所需相應揚程決定的。而實際上每天內(nèi)只有很短時間能達到******時流量，大多數(shù)時間里，水泵站都處在小流量下工作。為了適應流量的變化，許多泵站在運行中采取關小出口閘門的辦法來控制流量，從而造成出口閘門前后的壓力差值（少則多米，多則幾十米）就白白地浪費于閘門阻力上 當水泵臺數(shù)足夠多時，是可以很好地適應水量變化的，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水量變化，還需要用閘門來調(diào)節(jié)水量。 很多水廠切削水泵葉輪適應工作點需要，因水泵工作點不連續(xù)照樣有能量損失。 為此，采用水泵機組無級調(diào)速技術，可連續(xù)地改變水泵轉數(shù)，來變更水泵工況，使其流量與揚程適應于管網(wǎng)用水量的變化，才能提高機組效率，維持管網(wǎng)壓力恒定，達到節(jié)能的效果。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），當用水量從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，這兩條曲線縱坐標的差值就意味著全速泵揚程的浪費。應用水泵調(diào)速技術時，當用水量從Qmax變動到Qmin的過程中，水泵轉數(shù)隨流量從額定位n降到n1n2n3……nn，水泵的Q—H特性曲線AB也相應變化為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，使揚程處能與系統(tǒng)阻力相適應，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)最不利點處設遠傳壓力計，并設定壓力值。微機系統(tǒng)輸入的壓力信號按存放的程序改變水泵轉數(shù)，達到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，遠傳信號不方便。采用泵站出口壓力和流量來控制水泵轉數(shù)是常用的辦法。當管網(wǎng)確定之后，出口壓力應是流量的函數(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)水泵轉數(shù)。 四、系統(tǒng)方案設計 1. 系統(tǒng)電氣設計 1.1三水廠的凈水廠 設計院和吉林市自來水集團有限公司通過工藝上認真計算，根據(jù)實際工況要求設計主回路電氣結構圖，選用HARSVERT-A型高壓變頻器一拖一的成功方案。如圖5所示。一拖一的兩臺電機互為備用。 以3#水泵為例說明，工作原理是由3個真空接觸器KM31、KM32、KM33以及2個高壓隔離開關QS31、QS32組成，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，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。 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，二臺工頻備用；四臺工頻運行，一臺工頻備用，一臺變頻備用。 1. 2三水廠的取水廠 選用HARSVERT-A型高壓變頻器一拖一的成功方案。如圖6所示。 以1#水泵為例說明，工作原理是由3個真空接觸器KM11、KM12、KM13以及2個高壓隔離開關QS11、QS12組成，其中KM11、KM12、KM13為高壓真空接觸器，用于變頻和工頻的電動切換。QS11和QS12為高壓隔離開關，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。 高壓變頻器工作特點： 1）可以實現(xiàn)工/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)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；三臺工頻運行，一臺變頻備用。 五、變頻調(diào)速設備 HARSVERT-A高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平電壓源型拓樸方式。 其優(yōu)點是采用輸入多重化設計，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％，堪稱“完美無諧波”高壓變頻器；極低的轉矩紋波和電機噪聲；功率因數(shù)可達0.95；對電機絕緣無損害，電纜長度無限制；便于冗余設計；中文操作界面便于維修。 1.系統(tǒng)結構 HARSVERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結構如圖7，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10kV系列有24個功率單元，每8個功率單元串聯(lián)構成一相。 2.功率單元結構 每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其電路結構如圖8，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制。 4.輸入側結構 輸入側由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，對10kV系列，構成48脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側的電流波形，使其網(wǎng)側功率因數(shù)接近1。 另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規(guī)低壓變頻器。便于采用現(xiàn)有的成熟技術。 5.輸出側結構 輸出側由每個單元的U、V輸出端子互相串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械震動，減小了軸承和葉片的機械應力。 當某一個單元出現(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，高壓變頻器可持續(xù)降額運行；如此可減少很多場合下停機造成的損失。 6.控制器 控制器核心由高速單片機和工控PC協(xié)同運算來實現(xiàn)，精心設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)絡化控制。控制器還包括一臺內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關信號的邏輯處理，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。 控制器結構上采用VME標準箱體結構，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，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，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，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。 六、軟件設計及自動化網(wǎng)絡設計 1.軟件設計 上位機系統(tǒng)選用亞控公司生產(chǎn)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?？梢院芊奖愕膶崿F(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。 2.自動化網(wǎng)路設計 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S7-300PLC、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Profibus DP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S7-300PLC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S7-200PLC,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?？紤]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， |
