凈水廠水泵機(jī)組變頻調(diào)速設(shè)計(jì)總結(jié)
| 摘要：本文結(jié)合吉林市第三凈水廠變頻調(diào)速設(shè)計(jì)的實(shí)例，介紹了多電平拓?fù)潆娐吩砑疤攸c(diǎn)。應(yīng)用變頻器的節(jié)能分析，以及提出送水泵房?jī)?yōu)化控制的想法，并且介紹了調(diào)速系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。 關(guān)鍵詞：變頻設(shè)備 脈沖寬度調(diào)制 拓?fù)潆娐?nbsp;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(kāi)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(chǎng)推動(dòng)力，高壓變頻器十多年來(lái)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(shù)已經(jīng)成熟，可靠性得到保證，應(yīng)用越來(lái)越廣。國(guó)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(guó)內(nèi)的利德華福公司等均生產(chǎn)高壓變頻器。 從1984年開(kāi)始，在沈陽(yáng)市、哈爾濱市、大連市、鞍山市等城市的供水工程中不同時(shí)期先后選用了不同型號(hào)，一次側(cè)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(shè)備（奧地利政府貸款）鞍山市三家凈水廠用的是德國(guó)西門子公司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(guó)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(guó)羅賓康技術(shù)等同的利德華福公司的10kV變頻調(diào)速設(shè)備。吉林市第三凈水廠產(chǎn)品新穎、運(yùn)行可靠、技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能優(yōu)點(diǎn)顯著。另外，以前我們對(duì)西門子公司不同時(shí)期的產(chǎn)品介紹很多，2005年美國(guó)羅賓康公司被西門子公司收購(gòu)，所以本文重點(diǎn)介紹吉林市第三凈水廠水泵機(jī)組的變頻調(diào)速，其很具有代表性，而且實(shí)際意義也很大。 吉林市自來(lái)水集團(tuán)有限公司在考察對(duì)比了國(guó)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(tái)，兩年來(lái)運(yùn)行效果很好，2004年決定在三水廠再選用兩臺(tái)。HARSVERT-A系列高壓變頻器技術(shù)先進(jìn),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(gè)領(lǐng)域成功應(yīng)用，得到了用戶的普遍認(rèn)可和市場(chǎng)的長(zhǎng)久考驗(yàn)。 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(guó)得利滿公司合作，V型濾池計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由設(shè)計(jì)院和法國(guó)得利滿聯(lián)合設(shè)計(jì)。V型濾池用的設(shè)備（閥門、儀表、控制臺(tái)）材料，送水泵房的水泵，高壓10kV電機(jī)，中控室計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及模擬屏、投影設(shè)備均由法國(guó)得利滿公司供貨。幾年來(lái)，通過(guò)與外方合作，去國(guó)內(nèi)外水廠考察調(diào)研，學(xué)習(xí)到了國(guó)內(nèi)外水廠的長(zhǎng)處，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，尤其是時(shí)間已進(jìn)入了二十一世紀(jì)，在設(shè)計(jì)三水廠時(shí)，必須以“高起點(diǎn)、上水平、創(chuàng)特色”為宗旨，厚積薄發(fā)，開(kāi)拓創(chuàng)新，要設(shè)計(jì)、建設(shè)最好的水廠，讓市民滿意的水廠。 三、節(jié)能原理 同中國(guó)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(shì)平坦的市區(qū)，在幾何揚(yáng)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(jī)是按最不利條件下、******時(shí)流量和所需相應(yīng)揚(yáng)程決定的。而實(shí)際上每天內(nèi)只有很短時(shí)間能達(dá)到******時(shí)流量，大多數(shù)時(shí)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(yùn)行中采取關(guān)小出口閘門的辦法來(lái)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(fèi)于閘門阻力上 當(dāng)水泵臺(tái)數(shù)足夠多時(shí)，是可以很好地適應(yīng)水量變化的，但是水泵型號(hào)是有限的，裝機(jī)臺(tái)數(shù)過(guò)多，不僅管理不便，而且會(huì)無(wú)謂地增大建筑面積，提高工程造價(jià)，即使這樣，也無(wú)法做到完全適應(yīng)水量變化，還需要用閘門來(lái)調(diào)節(jié)水量。 很多水廠切削水泵葉輪適應(yīng)工作點(diǎn)需要，因水泵工作點(diǎn)不連續(xù)照樣有能量損失。 為此，采用水泵機(jī)組無(wú)級(jí)調(diào)速技術(shù)，可連續(xù)地改變水泵轉(zhuǎn)數(shù)，來(lái)變更水泵工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)于管網(wǎng)用水量的變化，才能提高機(jī)組效率，維持管網(wǎng)壓力恒定，達(dá)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(yáng)程（含地形差和自由水頭），當(dāng)用水量從Qmax減少到Qmin的過(guò)程中，全速泵的揚(yáng)程將沿BA曲線上升，而管網(wǎng)所需揚(yáng)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(yáng)程的浪費(fèi)。應(yīng)用水泵調(diào)速技術(shù)時(shí)，當(dāng)用水量從Qmax變動(dòng)到Qmin的過(guò)程中，水泵轉(zhuǎn)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(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(diǎn)軌跡BBn正在管路特性曲線上。這樣就可使水泵工作點(diǎn)沿管路特性曲線滑動(dòng)，使揚(yáng)程處能與系統(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(jì)算公式，明顯收到節(jié)能效果。 為實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組隨用水量變化而自動(dòng)調(diào)速，最直接的辦法是在管網(wǎng)最不利點(diǎn)處設(shè)遠(yuǎn)傳壓力計(jì)，并設(shè)定壓力值。微機(jī)系統(tǒng)輸入的壓力信號(hào)按存放的程序改變水泵轉(zhuǎn)數(shù)，達(dá)到最不利點(diǎn)壓力恒定和供需水量平衡。但是最不利點(diǎn)距泵站往往很遠(yuǎn)，遠(yuǎn)傳信號(hào)不方便。采用泵站出口壓力和流量來(lái)控制水泵轉(zhuǎn)數(shù)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)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(dòng)地調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)數(shù)。 四、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 1. 系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì) 1.1三水廠的凈水廠 設(shè)計(jì)院和吉林市自來(lái)水集團(tuán)有限公司通過(guò)工藝上認(rèn)真計(jì)算，根據(jù)實(shí)際工況要求設(shè)計(jì)主回路電氣結(jié)構(gòu)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(tái)電機(jī)互為備用。 以3#水泵為例說(shuō)明，工作原理是由3個(gè)真空接觸器KM31、KM32、KM33以及2個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)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(dòng)切換。QS31和QS32為高壓隔離開(kāi)關(guān)，一般情況下處于合閘狀態(tài)，僅在變頻器檢修時(shí)拉開(kāi)，用于電機(jī)工頻運(yùn)行情況下對(duì)變頻器進(jìn)行安全檢修。 特點(diǎn)： 1）可以實(shí)現(xiàn)工頻/變頻自動(dòng)切換功能。在變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)切入工頻電網(wǎng)中，斷開(kāi)變頻器時(shí)，負(fù)載不用停機(jī)，滿足現(xiàn)場(chǎng)不能停機(jī)要求。 2）易實(shí)現(xiàn)四運(yùn)兩備運(yùn)行方式。即一臺(tái)變頻運(yùn)行，三臺(tái)工頻運(yùn)行，二臺(tái)工頻備用；四臺(tái)工頻運(yùn)行，一臺(tái)工頻備用，一臺(tái)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(shuō)明，工作原理是由3個(gè)真空接觸器KM11、KM12、KM13以及2個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)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(dòng)切換。QS11和QS12為高壓隔離開(kāi)關(guān)，一般情況下處于合閘狀態(tài)，僅在變頻器檢修時(shí)拉開(kāi)，用于電機(jī)工頻運(yùn)行情況下對(duì)變頻器進(jìn)行安全檢修。 高壓變頻器工作特點(diǎn)： 1）可以實(shí)現(xiàn)工/變頻自動(dòng)切換功能。在變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)切入工頻電網(wǎng)中，斷開(kāi)變頻器時(shí)，負(fù)載不用停機(jī)，滿足現(xiàn)場(chǎng)不能停機(jī)要求。 2）易實(shí)現(xiàn)三運(yùn)一備運(yùn)行方式。即一臺(tái)變頻運(yùn)行，二臺(tái)工頻運(yùn)行，一臺(tái)工頻備用；三臺(tái)工頻運(yùn)行，一臺(tái)變頻備用。 五、變頻調(diào)速設(shè)備 HARSVERT-A高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平電壓源型拓樸方式。 其優(yōu)點(diǎn)是采用輸入多重化設(shè)計(jì)，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(wú)輸出濾波器的情況下，可使THD<3％，堪稱“完美無(wú)諧波”高壓變頻器；極低的轉(zhuǎn)矩紋波和電機(jī)噪聲；功率因數(shù)可達(dá)0.95；對(duì)電機(jī)絕緣無(wú)損害，電纜長(zhǎng)度無(wú)限制；便于冗余設(shè)計(jì)；中文操作界面便于維修。 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，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10kV系列有24個(gè)功率單元，每8個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。 2.功率單元結(jié)構(gòu) 每個(gè)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，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過(guò)對(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制。 4.輸入側(cè)結(jié)構(gòu) 輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，對(duì)10kV系列，構(gòu)成48脈沖整流方式；這種多級(jí)移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。 另外，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，類似常規(guī)低壓變頻器。便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。 5.輸出側(cè)結(jié)構(gòu) 輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子互相串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無(wú)須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(zhǎng)度很長(zhǎng)，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械震動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。 當(dāng)某一個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)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(yùn)行，高壓變頻器可持續(xù)降額運(yùn)行；如此可減少很多場(chǎng)合下停機(jī)造成的損失。 6.控制器 控制器核心由高速單片機(jī)和工控PC協(xié)同運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)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(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。控制器還包括一臺(tái)內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。 控制器結(jié)構(gòu)上采用VME標(biāo)準(zhǔn)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完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能。 六、軟件設(shè)計(jì)及自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 1.軟件設(shè)計(jì) 上位機(jī)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(jī)界面，支持以太網(wǎng)絡(luò)?？梢院芊奖愕膶?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視等功能。報(bào)表、報(bào)警功能強(qiáng)大，支持OPC，支持多種型號(hào)的PLC通訊。 軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于上位機(jī)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(lái)作為過(guò)渡。這樣也使得局域網(wǎng)上的機(jī)器可以方便調(diào)用該機(jī)的參數(shù)，便于遠(yuǎn)程監(jiān)視。 兩臺(tái)上位機(jī)同時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)主上位機(jī)A故障退出時(shí)，從上位機(jī)B仍然能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，這樣保證系統(tǒng)的安全性、可靠性。 2.自動(dòng)化網(wǎng)路設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)由主控PLC、旁路柜控制PLC、高壓變頻器、上位機(jī)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(jī)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊。西門子S7-300PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，處理人機(jī)界面對(duì)系統(tǒng)的各種請(qǐng)求，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)集氣管壓力的PID調(diào)節(jié)，維持管網(wǎng)的壓力恒定。自動(dòng)旁路柜集成有S7-200PLC,完成變頻工頻切換功能。上位機(jī)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(chǎng)工況，對(duì)安全性、可靠性、穩(wěn)定性要求都很高，我們現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)采用Profibus DP總線連接， |
