国产高压变频器在齐鲁石化供排水厂的应用

摘 要：本文着重介绍了国产高压变频器在齐鲁石化供排水厂西夏配水站给水泵中的改造方案。应用情况表明，用户完全达到了水泵变频改造的目的，改造是成功的。

1引言
　　目前，全世界正在为能源紧缺而困扰，我国的能源形势尤其严峻。面对这样的现实，国家有一系列的对策，因此颁布了《节能法》，并号召全社会为建设资源节约型社会而努力。节能改造就是其中有效途径之一，节能改造有许多方面，其中通过对拖动风机、水泵的高电压大功率电动机变频调速来实现节能，无疑是潜力最大的节能方式。随着高压大功率变频调速技术的日益成熟，使得该项技术在水厂大功率水泵上应用成为可能。中国石化齐鲁股份有限公司供排水厂正是在这种形势下，对水泵设备进行高压变频技术研究改造的。

2设备概况及改造方案
　　中国石化齐鲁股份有限公司被喻为中国石化的明珠，在山东可谓家喻户晓。齐鲁石化供排水厂担负着全公司的供水任务，西夏配水站是供排水厂的下属单位之一，日设计供水能力20万吨，清水泵房配备了五台水泵机组，机组功率均为550KW/6KV，改造前全部定速运行，水量大小通过改变阀门开度大小的方式进行调节。采用变频器对水泵进行控制的目的：通过变频器实现水压闭环控制，保持管网压力的恒定；在水泵出口阀门开度最大的情况下，通过变频器改变输出频率，进而改变水泵的转速调节供水量，以节约原来通过改变阀门开度调节供水量时浪费在阀门上的能源；减轻水泵启停对管网的冲击。
　　经多方调研考察，比较性价比，最终齐鲁石化供排水厂决定选用我山东新风光电子科技发展有限公司生产的风光牌JD-BP37型高压变频器对西夏配水站2#、4#水泵机组进行调速改造，经过双方技术人员的合作，共同制定了水泵机组的变频改造方案。现场设备图如下图1示。改造方案采用一带二的形式，即高压变频器拖动配水站2#、4#机组任一台，当其中一台机组出现故障或检修时，变频器拖动另一台机组变频运行。配水站2#、4#机组为同型号机组，其中2#机组电机和水泵的主要参数如下：
1)水泵
型号 20SHO
额定流量 2016m3/h
额定扬程 59m
额定轴功率 390KW
额定效率 83%
额定转速 970rpm
2)电机
型号 JQS158-6
额定功率 550KW
额定电压 6KV
额定电流 64A
额定功率因数 0.89
额定转速 987rpm

图1现场设备图

3风光牌JD-BP37-630F高压变频器
齐鲁石化供排水厂决定选用我公司生产的风光牌JD-BP37-630F高压变频器一拖二控制系统对2#、4#水泵机组作调速改造。以下是对风光牌JD-BP37-630F高压变频器的一些介绍。

3.1JD-BP37-630F高压变频器的主要性能指标:
变频器额定功率 630KW
额定输出电流 80A
输入频率 45Hz到55Hz
额定输入电压 6KV
允许电压波动 ±20%
输入功率因数 ≥0.96（额定负载时）
输出电压范围 0～6KV
变频器效率 ≥96%（额定负载时）
输出频率范围 0～50Hz
整流方式 36脉冲二极管全波整流
输出方式 每相6单元正弦波脉宽调制输出，直接输出6KV
频率分辨率 0.01Hz
过载能力 ＜120%长期运行 150%连续1min ＞150%立即保护
操作键盘 中文彩色液晶触摸屏
界面语言 简体中文
控制电源 220VAC 10KVA
冷却方式 强制风冷
防护等级 IP20
模拟量输入 四路，0～10v/4～20mA,任意设定
模拟量输出 两路，0～10V/4～20mA可选
开关量输入输出 4入/16出（可按用户要求扩展）
通讯接口 RS232、RS485接口。
运行参数自动记录和输出、自动故障记录、限流功能、输出电压自动调整功能、单元旁路功能等。
可根据用户要求作特殊设计。

3.2变频器设计要求
风光牌JD-BP37-630F为我公司生产的全数字交流高压变频器控制装置，采用先进的功率单元串联载波移相技术、正弦波PWM调制方法，全中文操作界面，具有可靠性高，性能优越，操作简便等特点，具体设计要求如下所述：
（1）系统效率高，额定工况下，总效率在96%以上，其中变频器部分效率大于98%。
（2）输入侧为36脉冲整流，变频器引起的电网谐波电压和谐波电流含量满足IEEStd519-1992和GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》技术要求。
（3）变频器额定输入功率因数大于0.96，无须功率因数补偿装置。
（4）变频器输出谐波含量低，可以驱动普通高压电动机，而不会增加电机温升，降低电机容量，电机电缆无任何长度限制；保护电机绝缘不受dv/dt应力的损害；不会因为谐波力矩而降低设备使用寿命。
（5）具有单元旁路功能，当某个单元出现故障，系统可以自动将其旁路，并降额继续运行，保证系统的可靠性。
（6）采用全中文操作平台，10.4英寸真彩LCD显示，触摸屏直接操作，更适合国人使用习惯。
（7）功率单元模块化结构，可以互换，维护简单。
（8）输入电压范围宽，在6KV（±20%）内可连续运行。
（9）功率单元采用光纤通讯控制，完全电气隔离，抗干扰性强。
（10）内置PID调节器，可实现闭环运行。
（11）内置PLC，实现不同应用现场的灵活控制。

3.3系统的构成
(1)高压变频器系统结构图

图2 高压变频器系统结构图

(2)功率单元结构图

图3 单元电路结构图

(3)一次回路及保护

　　　　　　　　　　　　　2# 　　　　　　　　　　　4#
图4一次回路示意图

DL、DL1、DL2 用户原有高压开关柜
BPQ JD-BP37-630F高压变频器
K1、K2 高压隔离开关
M1、M2 2#、4#水泵电机
变频器供电电源及其保护由DL提供，速断保护整定值按630KW重新整定。同时增加一面旁路柜，旁路柜有2个高压隔离开关，通过开关组合，两台电机均可变频运行。
2个隔离开关之间及其断路器之间用电磁锁联锁，K1、K2只允许一个合闸；DL1合闸状态，K1不允许操作；DL2合闸状态，K2不允许操作。
当K1、K2及DL供电电源断开时，变频器处于安全状态，便于检修，维护和调试。变频器与DL供电电源高压断路器联锁。
合闸闭锁：将变频器“合闸允许”信号串联于高压开关合闸回路。在变频投入状态下，变频器故障或不就绪时，变频器高压开关合闸不允许。
故障分闸：将变频器“高压分断”信号串联于高压开关分闸回路。当变频器出现故障时，分断变频器高压输入。
工频合闸：变频器运行过程中出现故障时，可以给出工频合闸信号，启动备用机组工频运行。
(4)二次回路及控制
控制系统由光纤板、信号板、主控板、PLC和人机界面组成。用户提供控制回路220VAC电源。
控制系统与功率单元之间采用光纤通讯，实现了强弱电之间的光电隔离。
PLC用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理。PLC还有处理4路模拟量输入和2路模拟量输出的能力，模拟量输入用与处理来自现场的流量、压力等模拟信号或模拟设置时的设置信号；模拟输出量可以是运行频率、电流等。
人机界面采用中文操作系统，彩色液晶触摸屏，免费提供软件升级。人机界面图如下示：

图5人机界面图

3.4控制方式
变频器具有以下三种控制方式：
本地控制：从变频器操作界面控制电机的启动和停止，并能完成变频器的所有控制。
远程控制：通过内置PLC接受来自现场或控制室的开关量或模拟量控制。
上位控制：通过RS485接口，接受上位机的控制，实现通信功能，并有变频器运行/停止/故障信号显示及转速显示等。
(1)速度设定方式
变频器具有多种速度设置方式，在闭环运行时，速度设置方式即为被控量的给定方式。
本地设置：通过操作触摸屏设置运行频率。
模拟设置：接收DCS系统0～10V或4～20mA模拟信号设置运行频率或被控量给定值。
通信设置：通过通信方式接收来自上位机的运行频率或被控量的给定值。
(2)运行方式
变频器具有开环和闭环两种运行方式。
开环运行：变频器以设置频率输出。频率的设置方式有本地设置、模拟设置、通信设置。
闭环运行：对一个运行参数(如流量、压力、温度等,此处以压力为例)实现跟踪控制。闭环运行时,实际压力信号来自安装于供水管道上的压力变送器,而压力期望值有4种设置方式,分别为本地设置、模拟设置、通信设置。变频器通过调节水泵转速,使实际压力逼近压力设置值,以保证供水管道的压力恒定。

3.5对外接口
模拟量输入：4路,4～20mA或0～10VDC。4～20mA时输入阻抗250Ω,0～10VDC电压输入时输入阻抗≥10MΩ。用于接收速度设置或被控量设置的模拟信号，例如现场的流量、压力、烟气浓度等信号。
模拟量输出：2路,4～20mA或0～10VDC输出。4～20mA输出时最大阻抗500Ω,0～10VDC电压输出时最小阻抗5000Ω。以模拟方式输出变频器的运行速度、输出频率、电流等变量。
数字量输入：24路,光电隔离,隔离电压500VAC,接收远程控制信号、速度给定开关信号及各开关状态等。
数字量输出：16路,中间继电器隔离,隔离电压750VAC,接点容量2A,输出变频器状态、控制主电源开断等。
通信接口：RS485,实现与上位系统的通讯。

3.6特殊功能
变频器除了以上基本功能以外,还具有如下特殊功能:
(1) 阀门真空度检测。
变频器在启动水泵以前,会自动判断真空度的值,如果没有真空度或没有达到要求,变频器会提供报警信号,并拒绝启动水泵。
(2)配置工频旁路。
变频提供手动旁路开关,使水泵机组既可变频运行,又可工频运行。
(3)具有阀门联动功能。
在开泵和停泵的过程中,值班人员无需再对阀门进行任何操作,减轻了工人的劳动强度,实现开停泵的全部自动化。
(4)零流量自动停机功能。
当用户用水量为零时,压力比较高时,这时变频器自动停机。待用户管网压力到启动压力后,变频器自动开机运行。
4变频器运行情况
高压变频器一次调试成功，并通过齐鲁石化供排水厂验收，我高压变频器运行良好。从变频器投入运行的应用效果来看,完全达到了用户进行水泵变频改造的目的,较改造前其优越性体现于:
(1) 操作简便,易于观察。
变频器运行时的所有数据及运行状态在上位机显示屏都可显示,如运行频率,输入电压,输入电流,输出电压,输出电流,开闭环,压力值等。上位机显示屏操作简单明了，观察方便。
(2)变频器运行稳定,性能良好。
风光牌JD-BP37-630F高压变频器投入运行以来,运行稳定,转速调节平滑可靠,电压和电流正常,没有出现异常现象。
(3)减轻了值班人员的劳动强度。
由于变频器具有阀门联动功能,随着供水水量的变化, 值班人员在值班时通过微机远程监控系统进行操作,不再需要频繁地开停大小泵及阀门,工作量大大减小。
(4)恒压控制。
采用压力闭环恒压控制,用户只需根据实际供水需要设定所需压力，变频器自动恒压运行，压力设定方便，精确稳定，保证管网稳定运行，提高了供水质量。
(5)降低了维护费用。
由于变频器对电机实现软启动，启动电流小，对水泵机组没有任何机械冲击，通过泵变速调节来减小流量还有利于降低离心泵发生汽蚀的可能性，相应地延长了水泵、电机及阀门的使用寿命，大大降低了维护工作量和维护成本。
(6)节电效果分析：
这次改造的是齐鲁石化供排水厂的生产用水，在生产用水中，电厂又是一个大户，供水压力以满足电厂需求为主。水厂一般情况下开两台水泵即可满足供水要求。在电厂补水时,需调高供水压力至0.56MPa，一次补水大约20-30分钟，其补水没有一定的规律，不补水时，压力维持在0.50MPa。变频改造后，采用恒压供水，由图6可知变频泵与工频泵并联运行时的特性曲线，工频泵单独运行时的曲线如图中F1所示，C点为单台泵运行时的工作点，F2为两台相同的泵工频运行时的特性曲线，A为工作点，扬程Ha=Hf，流量Qa=2Qf。当流量由Qa变为Qb时，管网阻力曲线变为R2，上述对应关系仍然成立，此时在保证管网压力不变的情况下，扬程损失为ΔH=2*（Hb-Ha）（调节两台泵的阀门时）或ΔH=He-Ha（调节一台泵的阀门时）。采用一台变频泵和一台工频泵并联运行供水时，F3为变频泵单独运行的特性曲线，F3为F1下方的一簇曲线，根据并联运行时工作扬程相等，流量相加的原则，可得出两台泵的运行曲线F4，此时流量Qb=Qd+Qf扬程Ha=Hd=Hf，由图6可知，当流量减小越大时，变速调节的节能效率也越大。

 
变频器投入正常运行后，经长时间观察，变频器大部分时间运行40Hz-47Hz之间，变频泵的流量保持在700m3/h-1800m3/h之间，管道压力保持0.55MPa。只有少部分时间工作在高频或低频，在用水高峰时，变频器工作在50Hz正好能满足需求，可见变频器的调节范围能够满足用户生产的需要。为了对比变频器节能的情况，选取1#工频机组和2#变频机组作为参照，随机抽取一个工作周，网侧计量耗电量，每天耗电量数据分别记录如下：

1#工频机组一周耗电量为：87860 KWh，一周电费为：39537元。
2#变频机组一周耗电量为：61120 KWh，一周电费为：27504元。
节电率=（87860 KWh -61120 KWh）/87860 KWh×100%=30%。
平均一天节电费为：（39537-27504）元/7d=1719元。
一年按300天运行计算，一年节省电费：1719元×300天=515700元。
节电率达30%，节电效果还是非常可观的。单从节电费一项计算，用户投资一年半基本可以收回。

5结束语
总之,山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37-630F高压大功率变频器在齐鲁石化供排水厂西夏配水站给水泵上的成功运行，再次证明其在水行业的水泵调速应用中所无可比拟的优越性。
参考文献
[1]山东新风光电子使用手册[Z]. 山东新风光电子科技发展有限公司。
[2]山东新风光电子JD-BP37-630F高压变频调速系统齐鲁石化供水调试大纲。
[3]山东新风光电子JD-BP37-630F高压变频调速系统齐鲁石化供水验收报告。
[4]杜贤国，郭培彬，韩文昭。高压变频器在冷却水循环泵上的应用。变频器世界，2005（7）
[5]刘海鹏, 郭培彬, 孙亚斌。高压变频器在大冶特钢水厂给水泵上的应用。变频器世界，2005（11）
马建彬 男 2003年毕业于河北大学，现工作于山东新风光电子科技发展有限公司，从事高压变频器的技术开发工作。