高壓變頻器在離心泵組的應用

朱彥超 王慧強

安陽鋼鐵股份有限公司

高壓變頻器在離心泵組的應用

朱彥超 王慧強

安陽鋼鐵股份有限公司

介紹施耐德高壓變頻器ATV1200原理和功能，以及在中板軋線高壓水泵泵組節能改造的應用情況，簡述其節能原理和節能效果。

單元串聯多電平型高壓變頻器；離心式水泵；節能

引言

鋼鐵產業是高能耗產業，隨著競爭的加劇，成本控制，節能降耗成為鋼鐵企業生存和發展的關鍵手段。生產線上各種高能耗設備，如風機、水泵等成為節能改造的首選。風機和水泵設備是軋鋼生產的主要輔助設備，為生產提供風、水等動力介質時，長期運轉也使之成為能耗大戶，又由于使用技術含量低，效果差的調速和節能設備，所以應用變頻節能設備后有很好的節能降耗的前景。

一、原設備運行概況

安鋼二軋廠高壓水泵站是為2800中板軋線提供高壓除鱗水的關鍵設備，三臺離心式泵組每臺泵電機功率2800KW，一開兩備，1、2#泵共用一套控制系統，系統為西門子S7-300PLC控制，3#泵獨用一套控制PLC。3個泵組共用液壓潤滑和蓄能器儲水系統。泵組電機采用磁控軟起動器啟動，全壓運行，采用調速型液力耦合器調速，實現泵組的高低速控制，該種調速方式存在著技術落后，使用成本高，效率低，能源浪費巨大的缺點。水泵運行在兩種工況下，一為打壓模式，液力偶合器調為高速，電機經液力偶合器帶動水泵運行在滿載，向蓄能器水罐和管路供水，補滿水后，水泵進入為循環模式，液力偶合器調為低速，電機空載，水泵打循環，泵組輸出功耗最低。

液力耦合器屬損耗功率控制型機械調速方式，已經進入淘汰階段。為使之運行必須有油站和油泵等附屬設備供油，用于冷卻和傳輸功率，泵組低速運行時液耦整機效率低，損耗大，且液力耦合器自身的維護保養復雜，備件費用高。據測算，高壓水泵電耗占噸鋼能耗的10%以上，整個調速系統滿足不了現今鋼鐵行業微利運行，節能降耗的需要，是軋線主要的電能消耗設備。

二、施耐德高壓變頻器原理及功能簡介

隨著高壓變頻技術在我國的發展，單元串聯多電平型高壓變頻器在成本上，可靠性上有了長足的進步，成為節能改造的主力。施耐德公司的ATV1200系列高壓變頻器變壓器柜和功率單元柜、控制柜集成一起，結構相對緊湊。輸入側用降壓變壓器采用移相方式，可有效消除對電網的諧波污染，采用成熟的低壓IGBT多電平單元串聯技術，高壓主回路和控制器之間用光纖連接，抗干擾能力強，隔離完備。6/6.6KV等級下輸入采用30脈沖整流，電流諧波畸變率THDi小于2%，幾乎不產生諧波；輸出階梯正弦PWM波形，接近完美正弦波。控制器基于DSP，CPLD，FPGA等先進的電子器件，集成小型PLC S7-200，用于柜內連鎖控制及與外部系統的通訊。變頻器可使用恒壓頻比控制(VVVF)和矢量控制方式運行。

三、改造方案及實施

1、總體方案

為保障供水的可靠性，只對1，2#高壓水泵組實行變頻改造，3#泵組仍為原有運行方式。1，2#泵電機控制如上圖示意，分別由高壓接觸器接在變頻器下火，兩個高壓接觸器間有連鎖，進入泵站PLC，只有在操作臺上選擇正確的泵組，相應的接觸器合閘后，變頻器才有就緒信號。給定，就緒，使能和各種連鎖信號，速度，電流反饋信號在泵站PLC和變頻器S7-200之間由硬線連接傳送。

在改造完成后，變頻器只帶電機進行了參數的辨識，建立電機的數據模型。考慮到泵組實際情況，變頻器不適用盯住目標壓力值的PID控制，而采用原來蓄能器水罐液位參與的分段運行方式，變頻器根據水罐儲水情況選擇高速或低速兩種速度運行。

2、工作方式選擇

單元串聯多電平變頻器的優點是電壓電流波形平滑，適用老設備改造，缺點是沒有減速時的中間耗能環節水泵減速只能由負載阻力自然降速，升速也不能過快，容易過流，動態性能不強，升速打壓和降速滿足不了生產節奏的需要。為平衡節能和及時供水的矛盾，選擇合適的高低速度值和升降速時間就尤為重要。經試驗期多次的調節比對，設定低速值為20Hz，高速值為45Hz，升速時間為8秒，減速時間為9秒。并改進泵站PLC程序，高低速打壓啟動條件，將原泵組是低于蓄水罐3水位時開始打壓，高于5水位回到低速，現改為低于4水位時開始打壓，高過5水位回低速，為保證節能效果，減少打壓次數，調大4，5水位間距離，這樣適度增加打壓次數，滿足現場使用，拿到節能的大頭。

3、節能原理分析及節能實效

離心式水泵、風機是典型的變轉矩負載，即水量和轉速成正比，轉矩和風壓與轉速二次方成正比，軸功率與轉速三次方成正比。水泵的轉速與消耗的功率有直接的關系。為了取得較好的節能效果，我們曾經編過一段PLC程序，統計3個月內生產時水泵電機滿載和空載運行各自比重，統計結果為空載打循環工況占72%，打壓工況占28%，即使考慮將來生產節奏再次緊張，打壓工況也不會占超過40%。所以，降低打循環工況時的電機運行速度就成了爭取更好效果的關鍵。所以，考慮實際需要，泵組轉速約在45Hz，即90%的額定速度就能滿足打壓出水壓力的需要，有一定的節能效果。低速時逐步由30Hz，25Hz，降低到20Hz，即40%的額定轉速。電機滿載時電流由原來的288A降低到234A，空載打循環時電流由原來的80A降低到11A，泵組能耗降低30%以上。

四、改造后效果

1，2#水泵電機變頻器控制改造后，泵組的噪音、震動值等大為降低，使用壽命延長，運行電流下降更為明顯，泵組運行穩定性大為提高。省掉液力耦合器及附屬設備，減少維護工作量，降低備件消耗和種類。在各個方面取得了良好的效益。

[1]王兆宇.施耐德變頻器原理與應用.北京：機械工業出版社，2009.6

[2]仲明振，趙相賓，主編.高壓變頻器應用手冊.北京：機械工業出版社，2009.4

[3]施耐德電氣(中國)有限公司. ATV1200 系列變頻調速系統安裝調速及維護手冊