库马克ES9000高压变频器在中铝广西分公司供水车间的应用

［摘要］： 中铝广西分公司供水车间担任着中铝广西分公司厂区及生活区的供水任务，设计供水量为1400m3/h。其送水泵房共有4台水泵机组，均为6kV/355kW，采用工频运行方式。但由于绝大部分时间的实际需求输水总量为1100m3/h，所以只能依靠调节出口阀开度及频繁开停泵来调节流量，以保证生产厂的处理平衡的需求。［关键词］：库马克 ES9000 高压变频器 风机水泵节能
  引言
        中铝广西分公司供水车间担任着中铝广西分公司厂区及生活区的供水任务，设计供水量为1400m3/h。其送水泵房共有4台水泵机组，均为6kV/355kW，采用工频运行方式。但由于绝大部分时间的实际需求输水总量为1100m3/h，所以只能依靠调节出口阀开度及频繁开停泵来调节流量，以保证生产厂的处理平衡的需求。这不但操作麻烦、难以控制，而且能源浪费大。为了资源的合理利用和能源的节约，保证输水管网的安全可靠运行，厂方经过经济及技术评估，决定选用深圳市库马克新技术股份有限公司公司制造的ES9000-0450-06K高压变频调速装置对送水泵房的2台水泵机组进行变频改造，并于2010年9月投入使用。实践证明，将近2个多月时间的运用高压变频调速装置，加压水泵明显降低了能耗，提高了工作效率。

  一、 变频器节能的理论依据
        中铝广西分公司厂区和生活区的用水量是不均匀的，这是由于气候和人们生活以及生产规律所决定的，由于流量的变化从而影响到管网水头损失的变化。水泵站的装机是按最不利条件下、最大时流量和所需相应扬程决定的。而实际上每天内只有很短时间能达到最大时流量，大多数时间里，水泵站都处在小流量下工作。为了适应流量的变化，先前泵站在运行中多采取关小出口闸门的办法来控制流量，从而造成出口闸门前后的压力差值(少则多米，多则几十米)就白白地浪费于闸门阻力上。当水泵台数足够多时，是可以很好地适应水量变化的，但是水泵型号是有限的。装机台数过多，不仅管理不便，而且会无谓地增大建筑面积，提高工程造价，即使这样，也无法做到完全适应水量变化，还需要用闸门来调节水量。为此，采用水泵机组高压变频调速技术，可连续地改变水泵转数，来变更水泵工况，使其流量与扬程适应于管网用水量的变化，从而提高机组效率，维持管网压力恒定，达到节能的效果。我们从水泵调节原理得知，当水泵拖动电机工频运行时，出力为额定值，转速及功率亦为额定值；当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变水泵的性能曲线，使水泵的额定参数满足工艺要求。根据水泵的相似定律，变速前后流量、扬程、功率与转速之间的关系为：
   
  
  二、 ES9000系列高压变频器的技术特点：
        ES9000系列高压变频器采用的是单元串联多电平技术方案。其以低压IGBT为功率器件，通过逆变桥的串联形成高压。使用单元串联多电平的拓扑结构，可以直接使用成熟的低压变频器技术方案，具有对电网谐波污染小，输出波形多电平，正弦度高，适配普通国产异步电机的优点。该类型产品，输出电压可以直接到6kV或10kV，输出不需要加装升压变压器及滤波电抗器，结构简单。

  三、 系统方案
        根据实际情况，确定采用一拖二的方案：选择1、2号泵为可调速水泵，正常运行时其中任一台运行于调速状态，而另一台泵作为备用。两台泵运行状态的切换采用手动方式，并要求两台泵不能同时投入变频状态，对此要求，在设计切换柜时特别设计了机械联锁装置。开环或闭环自动恒压供水。
系统单线图如图1所示：
  
  四、 恒压供水系统原理及PID调整
        PID闭环控制的工作原理如图2所示，测量元件为压力传感器，将它设在水泵机组出水口，Vi为恒定供水压力设定值，供水压力V作为输出量，构成闭环控制系统。变频器内部的PLC采集供水压力值V与用户给定值Vi进行比较和运算，通过PID进行调整，将结果转换为频率调节信号送至变频器，直至达到供水压力的给定值Vi。不管系统供水流量如何变化，供水压力值V始终维持在给定压力值Vi附近。
  
  1、在PID控制中，比例增益P加大，会使系统的动作灵敏，速度加快，P偏大，振荡次数加多，调节时间加长。当P太大时，系统会趋于不稳定。若P太小，又会使系统的动作缓慢；
2、积分I的作用主要是消除系统的静态误差。但过强的积分作用使供水系统超调加大。所以在调节过程初期，应减弱积分作用，防止产生积分饱和现象；而到过程后期，应适当增强积分作用，以提高控制精度。
3、微分D的作用主要是改善供水系统的动态性能。增大微分时间，有利于加快系统响应，使系统超调量减小，稳定性增加，但抑制外扰能力下降。所以微分时间常数应该在供水系统控制要求的前提下而随机改变。即在调节过程初期，应加大微分的作用，以减小超调；在调节过程中、后期，应不断减小微分时间，以增强系统的抗干扰能力，同时还可以缩短调节时间。
        泵站变频器在运行初期，供水系统采用恒压闭环控制，运行中发现运行频率曲线呈锯齿波，上下波动幅度较大，因此对PID系数进行调整。通过几次逐步调整，现运行曲线较为平缓，波动幅度相当小。变频器根据偏差相应调节PID的参数，当运行参数远离目标参数时，调节幅度加快，随着偏差的逐步接近，跟踪的幅度逐渐减小，近似相等时，系统达到一个动态平衡，维持供水系统的恒压稳定状态。
  
五、应用高压变频调速系统的节能效果
进行变频改造前电机的平均工作电流为43A，改造后平均为34A。
改造前电机的平均有功功率：
P1＝ UIcosφ＝ ×6×43×0.8＝357.5kW
改造后为：
P2＝ UIcosφ＝ ×6×32×0.9＝299.3kW
节约的有功功率：△P＝P1－P2＝58.2 kW
根据工业用电价格为0.50元/kW·h，变频器一年内的运行工作日为300天，则一年可节约电费：0.50×300×24×58.2＝20.95万元，通过3年的运行，可基本回收投资。
  
六、应用高压变频调速系统生产的其他效果
1、改善了工艺。在实际生产操作过程中，泵的参数（尤其是流量）需时常调整，不仅需要调节参数，而且备用设备需时常切换。根据工艺的变动，工艺参数又主要通过调节出口阀来控制，人工关小或开大阀门不仅费事，速度慢，也缩短阀门的寿命（填料及阀杆的磨损）采用变频调速就不用调节出口阀，只需要控制室内调节电机的转速即可。变频启动转速可以从零开始逐渐升高，因此带负荷直接启动不会有较大的启动电流，避免了通常泵组首先关闭出口阀后再启动的要求（无载启动是为了降低启动电流，保护电机）。
2、维护量减少。采用变频调速后，可能避免因通过阀门控制使泵过多偏离额定工作区而引起的振动，严重时会引起悬臂泵轴头断裂。通常情况下，变频调速系统的应用主要是为了降低泵的转速。由于启动缓慢及转速的降低，相应地延长了许多零部件，特别是密封、轴承的寿命。
3、工作强度降低。由于调速系统在运转设备与备用设备间实现计算机联锁控制，机组实现自动运行和相应的保护及故障报警，操作工作由动手转变为监控，完全实现生产的无人操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。
4、减少了对电网的冲击。采用变频调节后，系统实现软启动，电机启动电流只是额定电流，启动时间相应延长，对电网无大的冲击，减轻了启动机械转矩对电机机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。