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水泵电机变频节能改造

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水泵电机变频节能改造

姓名：梅军阳 单位：昆钢玉钢 邮政编码：653100
摘要：本论文主要陈述了玉钢轧钢水处理站浊环1#、2#循环水泵高压电机变频改造前后进行了对比分析，从改造后的实际运行工况来看，操作控制更简单，更方便，更稳定，能耗得到了大大降低，设备使用性能得到更加稳定，减少了设备的故障率，大大降低了维护检修费用。
关键词：变频,水泵, 电机，节能改造 

一、水处理工况
玉钢轧钢水处理站主要是带钢生产线使用后污水进行处理循环使用的，浊环1#、2#高压循环水泵主要功能是向生产线设备提供冷却水及冲洗用水，正常情况下只需要用一台浊环水泵供给就能满足生产需要，另外一台做备用。其工艺流程如图1：

图1轧钢水处理工艺流程简图
生产线使用后污水流进沉淀池进行沉淀，经过化学除油泵打到化学除油器进行除油处理后经冷却塔冷却至浊环水池，在用1#、2#浊环高压泵送到主生产设备上，水处理站是根据主生产线所需用水量通过出口阀门开关大小控制，把水供至主生产设备进行冷却及冲洗用水。

二、节能分析
改造前浊环水泵是用三相交流异步电动机拖动，电动机是直接启动，启动电流等于7-7倍额定电流，这不但要求电网容量高，而且启动时对设备和电网造成严重的冲击，大大的影响了使用寿命，。使用变频装置，利用变频器的软启动功能将使起动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减少了对电网的冲击和电容量的要求，延长了设备的使用寿命。出口管道流量的控制是通过对浊环水泵出口阀门对水量进行调节，电机的功率就浪费在了阀门上。整个系统主要有以下几个问题。
1）操作不便
为了满足主生产设备的供水正常，使整个循环水系统达到基本平衡，值班人员必须通过浊环水池安装的液位计对水位进行监控，当水量不平衡时值班人员必须通过浊环水泵出口阀门对水量进行调节，如果在生产不正常或情况变化大时调节阀门的次数也多，大大增加了值班人员的劳动强度。而且用阀门调节出口流量精确度不高，调整用时过长，不能很好满足生产所需。
2）能耗消耗大
生产正常时浊环水泵只需要开一备一,水泵启动后电机都在恒速下运行，在每台泵出口处安装有阀门对水量进行调节。通过改变阀门开度来调节电机轴功率并不明显，这样大量电能消耗在电机转矩，水泵叶轮，电动阀门等管网设备上。水泵电机额定电流是42.5A,正常运行时是42A,基本达到了满负荷运行, 这样会大大缩减了设备的使用寿命。
3）维检费用高
水泵轴承，机封经常性损坏，出口阀门使用周期较短，造成了人工费费，材料费大幅调高；电机温度经常性过高，对电机的使用寿命有直接的影响。
鉴于上述因素我们考虑对水处理2台浊环水泵中型高压三相异步电动机进行变频调速改造。
三、 变频节能原理论述

1、变频调速原理
根据交流电动机工作原理中的转速关系：
n＝60f（1-S）／P　
式中：n———异步电动机的转速；
f———异步电动机的频率；
s———电动机转差率；
p———电动机极对数。
由上式可知，改变电动机定子绕组的电源频率f，就可以改变电动机的同步转速,从而改变交流电动机转速。当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
2、水泵变频节能原理
水泵变频节能原理如图2所示。在图2中曲线1为水泵在恒速下扬程H和流量Q的特性曲线，曲线2是管网水阻特性（阀门开度为100%）。假设水泵在设计时工作在A点的效率最高，输出水量Q1为100%，此时的轴功率P1=Q1*H1与面积AH10Q1成正比。
根据工艺要求，当流量需从Q1减少到Q2（例如70%）时，如采用调节阀门的方法相当于增加了管网阻力，使管网阻力特性变到为曲线3，系统由原来的工况A点变到新的工况B点运行，由图中可以看出，水压反而增加了，轴功率P2与面积BH20Q2成正比，减少不多。
与此相类似的，如果采用变频调速技术改变泵类、设备转速来控制现场压力、温度、水位等其它过程控制参量，将水泵转速由N1降到N2，根据水泵的比例定律，可以画出在转速N2下扬程H和流量Q特性如曲线4所示，可见在满足同样流量Q2的情况下，扬程H3将大幅度降低，功率P3（相等于面积CH30Q2）也随着显著减少，节省的功率△P=△HQ2与面积BH2H3C成正比，节能的效果是十分明显的。

图2.节能示意图
也就是说，采用变频调速技术改变电机转速的方法，要比采用阀门、挡板调节更为节能经济，设备运行工况也将得到明显改善。因此在有水泵的机械设备中，采用变频控制水泵电机转速的方式来调节流量，在节能上是一个最有效的方法。在玉钢的实际生产中，调节水泵的流量都是通过改变阀门开度来实现，与之前所分析的结果对比，使用变频调节电机转速的方式来代替现在的阀门调节流量方式，将真正实现节能的目的。
据此，对生产系统中电机控制系统进行变频器改造，以替代传统的低效阀门调节方式可取得很好的节能效果。用变频器对水泵电机控制系统进行改造十分简单，不需对原系统进行任何改变，由变频器对水泵电机进行转速控制以达到调节流量目的，且投资回报率极其乐观。
四、水泵变频改造方案和实施
1、原系统方案
原系统由10KVⅠⅡ两路电源分别经高压开关柜至1#、2#高压浊环水泵电机，电机与水泵直接相连。启动时在QF2或QF3开关在热备用状态下，出口阀门关闭位置，在机旁直接启动电动机，待电动机运行正常后再来打开出口阀门来调节出口供水流量，压力，启机过程用时较长，大大降低了工作效率，直接影响了主生产线生产产量，提高了吨钢成本费用。原供电系统图如图3：

图3： 原供电系统图
2、HARSVERT—A高压变频器
我公司根据挑选和对比，决定采用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT—A高压变频器对1#、2#浊环泵电动机控制系统进行改造。HARSVERT—A系列高压变频调速系统的结构见图4，由移相变压器、功率单元和控制器组成。10KV系列有24个功率单元，每8个功率单元串联构成一相。

图4 HARSVERT—A系列高压变频器结构图
每个功率单元结构上完全一致，如图5可以互换，其电路结构见图，为基本的交—直—交单相电压型逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图所示的波形，如图5。

图5 HARSVERT—A系列高压变频器功率单元结构图
输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组为三组，对10KＶ系列，构成48脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大的改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因素接近１。
另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便使用现有的成熟技术。输出侧由每个单元的Ｕ、Ｖ输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如下图6 PWM波形。这种波形正弦度好， dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造。

图6 HARSVERT—A系列高压变频器相电压波形
3、改造设计方案
根据工艺情况，正常生产时只需要开一台浊环泵就能满足生产，同时为了更好的节能，降低设备费用的高昂投入以及运行稳定性的要求，决定变频器系统采用一拖二自动工／变频切换方案，图7。即: 配备一台高压变频器，通过倒闸切换开关把高压变频器切换到要运行的浊环水泵上去。另外一台工频备用或工频运行，正常情况下一台浊环水泵就能满足生产，变频调速系统电源可以有原来的1#、2#10kV电压等级电源系统根据运行情况分别供给。

图7 改造后系统原理图
主要功能为：高压变频器可以拖动1#浊环泵电动机实现变频运行，也可以通过切换拖动2#浊环泵电动机实现变频运行，但不能同时变频运行。1#、2#浊环泵电动机均具备工频旁路功能，可实现任意一台电动机的变频运行，另外一台处于工频备用或工频运行，当高压变频器故障时，通过倒闸退出变频，可直接切换工频运行，不会影响生产。这样我们可以充分合理的利用现有设备，大大降低设备上的投资，且能正常的满足生产。
4、设备参数
（1）电动机参数
表一 中型高压三相异步电动机技术参数
型号
YKK500—4
额定电压
10KV
额定电流
42．5A
额定功率
630KW
额定转速
1485R/MIN
防护等级
IP44
功率因素
0．88
接法
星形Ｙ

表二 SB-X型轴开式单级双离心式水泵
型号
400P2F-300-635
流量
1880m3/h
扬程114 m
42．5A
配用功率
630KW
额定转速
1485R/MIN

（2）变频器参数
变频器主要技术指标：
　 型号：HARSVERT-A10/045 功率：800kW
　 输入电压：10KV；输入电压：10KV；
　 输入频率：45-55Hz 输出频率范围：0.5-120 Hz
　 过载能力：120%一分钟，50%立即保护。加减速度：0.1-3000S
　 保护特性：过流保护、I2t、过压保护、欠压保护、过热保护、短路保护、接地保护、欠压缓冲、电机欠/过载保护、堵转保护、串行通讯故障保护等。
5、改造后系统工作原理
工作原理见图7所示，1#、2#浊环泵共同采用一套变频调速装置。其中QF1、QF2表示高压开关、TF表示高压变频器、M表示浊环水泵电动机； QS1和QS4之间、QS2和QS5之间、QS3和QS2之间、QS6和QS5之间刀闸均存在机械闭锁关系，防止高压变频器输出侧与另外一段10 kV电源侧短路。高压开关QF2、QF3是现场已有设备，安装在水处理高压配电室，QF2、QF3只具备手动合闸功能，前提要有高压变频器允许合闸信号。高压变频器安装于另外独立一间房间，通过电缆与高压配电室高压开关QF2、QF3直接相连接。QS1、QS4、QS2、QS5、QS3、QS6刀闸分别安装高压变频器旁路柜上。“高压变频器室”内所有开关的2路直流控制电源、2路动力直流电源均由#2机直流母线供电。
1#浊环泵变频运行时，断开QS3、QS4，合上QS2、QS1、 QS6，在合上QF2开关，1＃浊环泵处于变频运行状态； 2#浊环泵处于工频备用状态。当1#浊环泵变频运行故障跳闸时，合上QF3开关起动2#浊环泵工频运行。这样可以大大减少操作时间，能迅速恢复生产。反之2#浊环泵变频运行时，1#浊环泵也可以处于工频备用状态。以这种思路改造有两个好处：一是投资较少，二、是充分利用了原来的既有设备。

五、运行效果分析
通过对1#2#浊环水泵电机的改造前后运行效果对比情况来看主要优点如下：
表三 改造前、后运行参数数据分析
改造前
改造后
电流
42A
电流
29A
频率
50Hz (工频)
频率
38Hz
流量
1697m3/h
流量
1697 m3/h
功率因素
0.88
功率因素
0.96
实时功率
640KW
实时功率
482KW
每年可节约的电量
1375320KW﹒H

1、采用变频调器对水泵电机调速后节能上与以前水泵电机恒速控制相比普遍节能
在20%以上。
2、采用变频调节水泵电机转速可实现水泵电机的空载软启动，启动峰值电流和时间大为减少，避免了因启动电流大造成电机及电缆的绝缘老化。
3、采用变频调节水泵电机转速机械磨损大为降低，机械故障率降为原来的35—50%左右，大大降低了设备维护费用节约了生产成本，避免了由于较大电动力矩造成对电机的机械冲击，延长了电机的寿命减少了对电机的维护工作量。
4、采用变频调器对水泵电机调速后阀门全开，不参与流量调节，减少了阀门维护
工作量；不仅达到了降耗节能的目的，同时还减小了管道系统的振动，使管道压力
减小，延长了管道的使用寿命和检修周期，使系统运行稳定性得到改善。
5、采用变频调速对水泵电机调速后功率因数得以提高，可省去功率因数补偿装
置，电动机转速降低使环境噪音影响得到大大改善。
6、采用变频调速后，调整管道流量，压力等工况，只需在值班室通过调整电源频率，就能准确稳定的调整工况，值班人员的工作效力得到了大幅提高，同时降低了工作人员的劳动强度。
六、 结束语
由北京利德华福电气技术有限公司生产的高压变频器在我厂投运以来，运行稳定。改造前经过技术人员对变频器的选型和设计，应该说对1#、2#浊环泵电机变频改造后运行至今来看是成功的，但仍有许多值得总结的地方，比如变频器和plc组合，结合我们水处理现有设备。在不增加或少增加投入的情况下实现全自动，最大限度的发挥出变频器的各项性能。

参考文献
[1] 陈伯时.《电力拖动自动控制系统》－机械工业出版社
[2] 孙虎章.《自动控制原理》.中央广播电视大学出版社
[3]曾毅.《变频调速系统的设计与维护》.山东科技出版社
[4]黄俊.《半导体变流技术》.机械工业出版社

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