摘要：国华三河电厂水源地升压泵高压变频的改造情况，详细分析了高压变频器一拖二的技术方案和节能效果，为高压变频在母管制供水、一台高压变压器同时拖动并列的两台电动机的应用提供了一定的经验。
关键词：高压变频器 一拖二 节能
1.变频改造工程基本情况
国华三河发电厂位于河北省三河市燕郊济技术开发区东侧，电厂规划设计发电量为1300MW～1400MW；一期设计安装2台350MW凝汽式汽轮发电机组，分别于1999年12月、2000年4月投产。二期设计安装2台300MW亚临界燃煤供热机组，计划将于2007年10月、12月投产，为2008年奥运会提供电力及供暖保障。国华三河电厂水源地供水系统由九台深井泵（六大泵三小泵）、两个水池和四台升压泵（型号相同）组成；深井泵将地下水抽至两个水池中，升压泵将水池中的澄清水送至电厂；供水系统控制深井泵和升压泵开启的数量，保证水池不溢出和被抽干。四台升压泵出口通过母管并联，大多数时候两台升压泵长期定速运行，当用水负荷变化时，运值人员控制升压泵的运行数量并手动调整升压泵的出口阀门维持母管压力稳定。由于用水变化频繁，导致多台升压泵长时间运行，而出口阀门开度较小，电能浪费严重；由于人工调整不及造成供水管道超压运行，影响供水安全。
鉴于水源地供水系统的上述问题，国华三河电厂曾采用国内某品牌高压变频对升压泵进行改造；但由于该高压变频设备的技术和质量问题，无法投入正常使用，设备长期闲置；国华三河电厂通过对众多国内外品牌高压变频器产品进行设备改造招标。广州智光电机有限公司的ZINVERT智能高压变频调速系统以其的独特的技术优势、系统运行稳定可靠性高、设备占地面积小、环境适应能力强等技术特点；以及针对升压泵一拖二提出的专业、完整的技术解决方案，最终得到用户的认可，选择广州智光电机有限公司的ZINVERT智能高压变频调速系统，替换前期的高压变频器，完成了此次水源地升压泵的变频调速改造工程。
2、变频改造水泵并联母管式供水方案分析
对于母管式供水，在未使用变频调速技术前，一般通过调节水泵出口阀门或通过大小泵组合运行，控制在母管压力在一定的范围内，母管压力波动较大，在调节不及时时，还会影响母管运行安全。变频调速技术的应用使自动供水、恒压供水已得到大量采用，对于供水系统可通过压力反馈设计恒压供水，不仅提高供水管网的运行安全，同时取消了阀门的节流调节，维持最小供水压力要求，达到节能降耗的目的。
但对于母管式供水，进行变频改造时，可采用工频与变频结合的控制方式、全部变频控制方式；两种控制方式的区别就在与控制压力的调节范围及水泵的效率控制，以下图并联的同一型号两台水泵分别采用工频与变频调速特性曲线为例：
图1 工频泵与变频泵并联特性示意图
图2 变频泵并联特性示意图
上图1中曲线1为水泵工频运行的H-Q特性曲线；曲线2为相同型号水泵变频调速后较低转速运行的H-Q特性曲线，曲线3为两泵并联后的H-Q特性曲线。由于两泵的扬程相同，则当管网阻力一定时，总流量Q3为工频泵流量Q1与变频泵Q2之和。工频泵与变频泵的工作点分别在其H－Q曲线的A点与B点。由上图可知，如果采用一台泵变频改造与另一台工频泵并联的方式，工频泵的负载大于变频泵的出力，当母管在较低压力值时出口压力低于泵的工频的额定扬程时流量大于额定流量，适配的电机功率可能会超过其额定功率，可能造成电动机的负荷运行，因此采用工频泵与变频泵并联运行时，线管压力不能设置过低。
如果工艺要求可进一步降低时，工频泵就要适当调节出水阀门，将其管网阻力曲线抬高，提高工频泵的出口压力（非母管压力），通过控制工频泵的流量与压力从而控制工频水泵电机不出现过负荷；再通过降低变频泵的转速来调节母管压力，维持在设定压力。这种方式下由于工频泵仍需要采用出口阀门的节流控制，节能效果达不到恒压力控制节能的最优目标。
若采用全部变频控制，如图2所示，两台水泵特性一致或接近，其运行工况点一致或接近，不会超负荷运行，水泵效率可保持在较高效率点，同时可稳定控制母管的压力，达到恒压力供水最佳的了能目的。
国华三河电厂水源地4台升压泵电动机铭牌参数如下：
电机型号：JS136-4 电压等级：6kV
额定功率：220kW 额定电流：25.5A
额定转速：1480rpm 绝缘等级：B级
实际工作中基本采用两台升压泵并联运行，较少时间出现三台并联运行模式，综合投资、节能收益比较，决定改造两台水泵变频模式运行；但考虑单台水泵功率较小，每台水泵配置一台变频时，变频器的单位容量成本高，改造费用增加，最终选择了广州智光电机有限公司提出的具有多种灵活多变控制方式的一次与二次方案。采用ZINVERT－A6H630/06Y型高压变频调速系统，变频系统与负载的一次电气主接线原理图如下：
图3 高压变频系统一拖二主接线原理图
根据一次原理图，调整K1，K2，K3，K4的组合实现五种运行方式：
a．方式一：2#、3＃变频运行，隔离刀闸组合为 K1、K2、K4合， K3分；
b．方式二：2#变频、3#停运，隔离刀闸组合为K1、K4合， K2、K3分；
c．方式三：3#变频、2#停运，隔离刀闸组合为K1、K2合， K3、K4分；
d．方式四：3#变频、2#工频，隔离刀闸组合为K1、K2、K3合， K4分；
e．方式五：2#工频、3#停运，隔离刀闸组合为K4合， K1、K2、K3分；
注意K4合状态下，严禁闭合K3（系统采用电磁锁实现闭锁逻辑）。
由于采用了以上的独特设计，用户可根据工况，灵活的选择变频装置和水泵的运行方式。提高变频装置的利用率，更是大大增强了变频装置的节能效果。
在电厂技术人员与厂家技术人员的积极配合下，项目改造顺利实施，在规划时间内完成了设备的安装、调试、投运工作；通过投运前后比较，达到逾期的改造节能效果。
3、变频改造节能分
此次改造升压泵的运行工况主要由深水进泵运行工况决定，在变频投运后，在各运行模式下试验数据记录如下：
上述试验数据也验证了母管制供水变频改造的理论分析，对于母管制供水系统，应分析各工况的实际运行情况，综合分析采用何种运行方式，达到投资收益的最佳结合点。由以上试验数据可见，采用两台水泵同时变频运行时，在各种运行工况下的综合节电率都在40%以上，根据以往水量的统计数据计算，年节约电费可达70万以上，十几个月即可收回全部改造的投资。
同时变频改造后，采用数字量控制，调节快捷且精度大为提高，供水水压稳定；功率因数提高，减少无功吸收；电机与泵的转速大大，噪音减小显著；出口阀门全开，水泵管网压力降低，阀门维护量也大大减少；并实现电机软启软停，可避免因大电流启动冲击，延长电机的使用寿命。
4、应用中的需要注意的几个问题
继电保护设置及配合问题：由于原来电动机进线开关由拖动一台电动机改为带一套变频拖动两台泵，因此在变频运行时进线开关的过流和过负荷保护退出（仅保留速断保护），变频运行时保护就全由变频装置来完成（其保护的灵敏值均高于开关柜上的保护）。另外，由于一台变频为两台电机提供变频电源，为防止某台电机故障造成变频器的损坏，同时避免单台运行时电机过负荷运行，分别为#2、#3电机增加单独硬件的过流、过负荷保护，完成电动机的保护功能（其保护的灵敏值均高于原来继电保护装置）。
旋转电机启动问题：当两台电机同时变频运行，出现短暂故障，故障恢复后自动启动时，ZINVERT智能高压变频调速系统仍可在各种转速下实现无冲击飞车启动。这充分表明了，ZINVERT智能高压变频调速系统独特的“转速追踪技术（STT技术）”的成熟与完善，适用于多台电动机的并联拖动，在这种应用情况下可大大提高变频系统运行的可靠性。
散热方式问题：由于ZINVERT智能高压变频调速系统的独特结构设计，具有环境温度适应范围宽的特点，用户现场只采用了房间顶部原有的轴流风机进行散热，并未加装风道和空调。实际运行中，在夏季外部气温持续35°C以上的高温时，ZINVERT智能高压变频调速系统保持持续稳定运行，这种冷却方式完全满足运行的要求，减少了用户的投资。
下限频率问题：一般电机在低速运行时，虽然运行电流较小，但由于其自冷风机转速也随之降低，所以冷却效果往往会变差，容易导致电机过热现象。由于ZINVERT智能高压变频调速系统的输出电流完美无谐波，电动机不会产生明显的附加热损耗，另外泵的平方转矩特性在转速低时其电流相对下降，绕组发热降低。因此在试运行中我们针对这一问题专门做了试验，通过长时间的低频运行，观察电机温度，我们发现这两台升压泵电机低频运行时温升并不会明显增加，出于安全运行和变频调节范围的双方面考虑，我们设置了变频运行的下限频率，定为15Hz，从而一方面保证了电机的安全运行，另一方面确保了变频系统突出的节能效果。
5、结束语
国华三河电厂齐心庄水源地升压泵的变频改造，不仅体现出了变频技术在水泵调速应用上性能优势，更体现了广州智光电机有限公司在高压变频技术应用其完整的技术解决能力，一拖二方案的顺利实施，为高压变频在母管制供水应用领域提供了一种可借鉴的设计方案。
参考文献
[1] 泵与风机（第三版），郭立君，何川，北京，中国电力出版社。
[2] ZINVERT系列高压变频调速系统培训教材，广州，广州智光电机有限公司。