库马克ES9000高压变频节能宝在供热领域的应用

［摘要］：本文介绍了深圳库马克高压变频节能宝的工作原理、在包头市城市供热热力管网改造工程项目中锅炉循环水泵和引风机上的高压变频节能宝的应用以及技术和经济分析。水泵电机采用变频器从静态起动，通过DCS系统缓慢提升转速至工作范围，最大起动电流约为额定电流0.8倍，避开了电机6-8倍起动电流，转动力矩平稳上升，减少对电网的冲击，延长了设备的使用寿命。［关键词］：库马克 ES9000高压变频节能宝 供热
  一、引言
         绿色环保节能是现代化城市必须要考虑的，特别是大型城市的供水供热，拥有许多高压电机拖动的设备，主要是以高压大功率的风机和水泵为主，占整个系统耗能的50－70％，高压变频调速技术是当代最先进的调速技术，它不仅能够为我们提供舒适的工艺条件，满足用户的使用要求，更重要的是这项技术应用在风机、泵类等具有平方转矩特性的负载时，可以节约大量的能量，最大节能率可以达到50％～75％。因此应用此项技术进行节能改造在目前能源供应紧张、价格不断上涨的今天更具有特殊意义。
  
二、概述
        包头市城市供热热力管网改造工程投资总额2000万美元，注册资本800万美元，是以集中供热为核心的清洁能源上市公司，供暖及供暖接网是该公司的主要主营业务，属于热水生产和供应业，占该公司主营业务收入96.58%，公司拥有供热面积近2700万平方米，占全市供热市场的近1/3，公司积极落实国家提出的节能减排政策，其锅炉使用的燃料皆为秸秆、稻杆等制成的无污染原料，主要风机、水泵的电气拖动采用均采用了变频设备，在运用新技术新设备和综合利用能源方面走出了一条新路，也为企业的自身发展带来的非常好的前景。公司供暖设备中主要由供暖锅炉组成，锅炉的循环水泵由2台1250kW/10KV的高压电机驱动，引风机由一台1000kW/10KV高压电动机驱动，正常运行的时候都是一用一备（共两套），采用的是阀门调节流量，在调节过程中大量能量被截流阀门浪费了。
        考虑到引风机和循环水泵的裕量可能达到20%以上。在引风机和锅炉循环的用电量中，很大一部分是因风机水泵型号和管网系统参数不匹配考而被白白消耗的。同时，锅炉的负荷必须要跟随用户的使用状况而改变，锅炉的负荷调节要求锅炉风机水泵相应作出调节，调节过程中又有大量能量被截流阀门浪费了。如果在循环水泵上加装目前国内已经开始普遍采用的高压变频节电宝，由高压变频节电宝对风机水泵电动机进行调压调频，从而实现对风机水泵流量的调节以满足负荷的变动，这样就能将水泵挡板在节流过程中造成的能量损失和因风机型号和管网系统参数不匹配形成的能量损失节约下来。
        通过考察，深圳市库马克新技术股份有限公司以其优秀的技术方案、良好的运行业绩、规模化的生产能力以及专业的售后服务等，得到了包头市城市供热热力管网改造工程项目技术人员的一致认可。为了试点，深圳市库马克新技术股份有限公司经过多方的研究和论证，将锅炉给水由原来是的阀门调节改为变频调速恒压给水，通过变频一拖二的系统改造，引风机采用一拖一手动旁路柜，用调节频率取代阀门调节，达到了预期的节能效果。
  
三、改造方案设计
（一） 、根据现场情况和可具备的各种条件，决定采取以下改造方案：
1. 2台循环水泵采用一拖二的方式，使用手动旁路系统；
2. 从母管上取压力变送器的4~20mA电流信号作为反馈，给定频率根据用户从DCS系统直接给定；
3. 运行信号、停止信号从DCS系统给定；
4. 高压变频节电宝的状态信号从变频器的控制柜里送到DCS系统，以便实时观察；
5. 改造后的母管压力值达到工艺要求6.8MPa以上；
6. 将每台水泵的旁通阀关闭，用高压变频节电宝调节高压电机的转速来调节所需的流量；
7. 引风机采用一拖一手动旁路柜，用调节频率取代阀门调节；
  （二）、示意图：
1、 锅炉改造示意图
  
  2.引风机改造示意图

  

  
  
  四、高压变频节电宝工作原理
1.ES9000系列智能高压变频调速系统采用多个功率单元串联的形式。电压叠加原理类同于“电池组叠加”技术。对于10kV系统，每相九单元串联，每个功率单元输出交流有效值Vo为641V，相电压为5773V，线电压为10000V。
  
   
           对于本案被驱动电机的额定电压均是10kV，每相由九个相同的功率单元串联而成，相电压为5773V。每个功率单元输出有效值641V。多重化串联结构使用低压器件实现了高压输出，不仅降低了对功率器件的耐压要求，而且还使输出波形得到了极大的改善。输出波形接近正弦波，不存在输出谐波引起的电机发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，对普通异步电机不必加输出滤波器就可以直接使用。在网侧由于采用了54脉波整流的隔离多重化技术，对电网谐波污染非常小，输入电流谐波畸变率远小于3%，满足IEEE519-1992的谐波抑制标准；输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。
  
  五、可靠性设计
        尤其是在冬季的北方，绝不能发生停机事故，一旦发生故障，对于老百姓的生活会造成极大的影响，还会造成大面积的管网爆裂，因此对可靠性的要求非常之高。
为了保证设备的使用寿命，深圳市库马克的高压变频节电宝功率单元采用了冗余设计，主要元器件的选取均留有足够的余量，尤其是功率单元独特的母线结构使主器件的出力能力运用到极致，因此保证了变频器工作的可靠性。
库马克ES9000系列高压大功率变频节能宝功率单元采用了自动旁通设计，功率单元原理见下图所示：

  
          在万一发生单元故障时，该单元会立即自动旁路，与之此同时与之同电平的其余输出相的单元也自动在线旁路，使机器进入不停机降额连续运行。保证三相输出电压对称，输出电流平衡，最大限度地减小停机率，保证单元故障状态不停机工作。但在实际大多数调速运行状态下，其工作频率多低于额定频率的九分之八，纵然有一单元故障，机器运行仍然不受任何影响而正常工作。
同时为了保证系统的连续运行，整套变频器配备有手动旁通装置。如下图所示：
  
  
  
  

  
  
   
   
  

   
          变频器异常时，变频器停止运行，并将任意电机切换到工频运行。工频旁路由4个高压隔离开关K1、K2、K3、K4组成。变频运行时，K1、K2合闸，K3或K4置于变频位置，以实现单机变频运行。工频运行时，K1、K2断开，K3或K4置于工频位置，以实现单机工频运行。通过开关切换可实现任意一台变频另一台工频运行，或者两台同时变频或工频运行。
  六、成功应用
      锅炉引风机和循环水泵高压变频节电宝调试期间，各种连锁可靠，故障报警准确，和DCS系统连接方便、控制精度高。投入生产运行后，通过实际生产期间对给水泵工频起动运行和变频起动运行的大量对比测试，锅炉循环水泵采用变频运行后具有明显的节能优势。如下表所示：
  
          通过上面的数据我们看到了该设备不但可以每年获得节电效益60多万元，而且改善电机起动性能，减少电网冲击，水泵电机采用变频器从静态起动，通过DCS系统缓慢提升转速至工作范围，最大起动电流约为额定电流0.8倍，避开了电机6-8倍起动电流，转动力矩平稳上升，减少对电网的冲击，延长了设备的使用寿命！
  
七、结束语
      本设备采用的ES9000系列高压变频节电宝一次调试成功和成功运行至今，从未出现任何故障报警或跳闸，说明深圳市库马克的高压变频节电宝具有极高的可靠性，不仅为企业带来了节能效益，减少了设备维修，而且提高了供水系统的自动化水平。可以说深圳市库马克的高压变频节电宝为企业节能降耗，提高经济效益降低管理成本开掘了新途径。