高壓變頻器技術在水廠水泵改造中的應用

馮亞軍，孫倩雯，于廣其，袁春淼，嚴 超

(無錫市水務集團有限公司，江蘇無錫 214031)

無錫市某水廠清水泵房一期由2臺6 kV變頻泵和3臺6 kV定速泵機組組成，采用半地下式結構，泵房前設吸水井，吸水井直接與水庫相通。其中，1#、3#、5#水泵為定速泵，2#、4#為變頻泵。此次，對1#、3#水泵進行變頻改造，改造前一期清水泵房一般是2臺變頻泵為主供，夏季高峰供水時2臺變頻泵加1臺定速泵為主供。在實際工作中，考慮到變頻泵效率和管路特性等因素，定速泵出水閥通常開足運行，再通過調節變頻泵的頻率來調節出水量。對比技術參數相同的2臺變頻泵運行數據，在供水流量相當的情況下，定速泵的電耗更高、效率更低。

通過分析研究，相同型號的變頻水泵組合運行時，有利于系統運行管理。因此，從水泵長久運行情況考慮，提出采用6 kV IGBT串聯逆變高壓變頻器[1]對相同型號的2臺定速泵進行變頻改造，改造后，可方便調度、提高運行效率和降低能耗等。

1 水泵變頻調速原理和分析

1.1 水泵變頻原理

水泵是供水行業主要設備，水泵工頻恒速運行時，通常是通過控制水泵出水閥開度調節流量，但頻繁調節閥門會引起大量的節流損失，增加能耗降低效率。

為了節能降耗，提出通過調頻調速的方式，實現水泵水量調節。變頻器主要以“交—直—交”方式工作，通過整流逆變輸出可控制的電壓和頻率，并傳輸給電機。

對比幾種常用的高壓變頻器產品，選擇型號為“X”IGBT功率單元串聯多電平變頻器。主要組成包括開關柜、變壓器柜、功率單元柜和控制柜，具有高功率因數、高可靠性、高效率、低諧波含量和低損耗等特點。

開關柜：將6 kV電壓引入移相變壓器，變頻器輸出經由開關柜到水泵電機。

變壓器柜：裝有干式移相變壓器，為功率單元和控制柜提供低壓電源；同時，通過移相技術，有效降低電流諧波。

功率單元柜：作為高壓變頻器的核心功率部分，柜內裝有15個H橋功率單元。功率單元[2]原理上相當于1個低壓變頻器，主要由三相橋式整流模塊、濾波模塊和逆變模塊組成。

控制柜：作為變頻器的核心控制部分，負責整個電氣系統的協調控制，具有遠程監控功能，并配有液晶人機界面和操作按鈕。

1.2 水泵調速分析

根據流體力學原理，當泵類負載為水時，泵的特性曲線是指恒定轉速為n時，泵的揚程H、軸功率N和效率η與水泵流量Q之間的關系曲線。水泵調速分析[3]如圖1所示。

圖1 水泵調速分析Fig.1 Speed Regulation Characteristics of Water Pumps

曲線Ⅰ、曲線Ⅱ為水泵恒定轉速n1、n2下的特性曲線，n1>n2；曲線Ⅲ為水泵管路特性曲線，當水泵通過調節出水閥開啟度將水量由Qmax降到Qmin時，水泵轉速n不變，水泵的揚程將由B1點沿B1B2曲線下降到B2點，2條特性曲線的縱坐標差值會越來越大，這表明水泵的過剩揚程造成浪費。若采用變頻調速將水泵供水量由Qmax降到Qmin，水泵轉速將由n1降為n2，水泵特型曲線也由曲線Ⅰ變為曲線Ⅱ，與管路特性曲線Ⅲ相交于B2點，水泵的供水壓力與所需揚程一致，無過剩揚程浪費，管網特性曲線不受影響，僅水泵特性發生了變化。

2 水泵變頻改造

2.1 工程背景

無錫市某水廠清水泵房分為一期和二期，分別單獨供水，一期主要承擔無錫市某區生產生活用水。歷史數據顯示，近幾年一期清水泵房日供水量約16.4萬t/d，夏季高峰日供水量約19萬t/d，最高時供水量為1.1萬t/h。一期5臺水泵型號及參數如表1所示。

表1 水泵參數Tab.1 Parameters of the Pumps

改造前，清水泵房一期1#、3#水泵采用6 kV高壓直接啟動，啟動時會產生較大啟動電流，對電網造成沖擊，并會減少機泵使用壽命；開停泵時，需至半地下式機泵旁就地操作，時間較長，影響工作效率；在負荷不斷變化的情況下，水泵總是處于全速運行狀態，造成嚴重節流損耗。

2.2 水泵變頻改造方案

2.2.1 變頻改造實施步驟

經過現場考核研究，按照經濟合理的原則，設計安裝2臺高壓變頻器，步驟如下。①確定高壓變頻器的品牌、型號和電氣設備清單；②選擇通風性好、濕度低和無粉塵的環境安放高壓變頻器；③確定變頻器安裝位置后，修建電纜溝、管線和橋架，提前敷設電纜；④將變頻器安裝調試所需材料準備好，依照先后順序安裝變頻器主體、功率單元模塊、電氣設備和程序下載；⑤安裝完畢后進行系統調試，調試成功后，安裝排風通道；⑥依照生產要求，進行試運行。

2.2.2 控制方式

為了提高工作效率，水泵變頻改造設計了就地和遠程2種控制方式，控制柜門上安裝了轉換開關進行就地/遠程切換。

就地控制：高壓變頻器就地操作方式為觸摸屏，可以實現高壓變頻器的啟停、頻率設定和復位等功能，可以查看運行情況、功率單元狀態、運行記錄和故障報警等信息，整個界面設計非常簡單方便。

遠程控制：設計遠程控制，在后臺電腦上可以對變頻器進行啟停、頻率設定和復位，電腦界面可查看電流大小、運行頻率和運行狀態等信息。

2.2.3 啟動及工作流程

水泵變頻系統工作流程如圖2所示，具體流程如下。

圖2 變頻系統工作流程圖Fig.2 Working Process of Frequency Conversion System

第1步：高壓變頻器控制柜電源380 V上電，系統自檢，若有故障，系統自動報警并顯示故障代碼，否則進入開關柜合閘命令。

第2步：操作人員啟動6 000 V高壓開關柜合閘按鈕，若有故障，則合閘不成功，顯示報警代碼，否則變頻器就緒完畢。

第3步：設定頻率，給定變頻器啟動命令，收到命令后啟動，水泵工作，否則等待命令傳輸。

第4步：系統運行后，有故障會自動停止，顯示故障內容，故障復位后，重啟進入第3步；人為急停，變頻器會跳上級開關電源，并顯示故障，重新啟動需進入第2步。

2.3 變頻改造節能分析

2.3.1 效益分析

變頻改造于2020年4月20日完成，改造后水泵正常運行頻率為39～48 Hz，可滿足供水要求。經過近6個月的生產性試驗，對變頻改造后水泵效率進行分析，為提高數據精確性，取同一頻率或流量下對應多組數據平均值進行研究。

由圖3(a)可知，改造后，當1#水泵頻率為41～47 Hz時，水泵效率較高，處于76%～82%，遠高于改造前的72%，表明在該頻率范圍內水泵使用是高效節能的，建議調頻為41～47 Hz。由圖3(b)可知：改造后，運行2臺變頻泵，當流量為6 800～7 700 km3/h、頻率為43 Hz時，配水單位電耗[4]較低；運行3臺變頻泵，當流量為9 000～9 500 km3/h、頻率為44 Hz時，配水單位電耗較低；當供水流量為8 800 km3/h時，是2臺或3臺水泵運行的臨界點；當流量高于8 800 km3/h時，建議開3臺水泵，能耗較低，效率較高。

圖3 水泵運行分析Fig.3 Analysis of Pump Operation

依據供水量和電量的運行數據，對變頻改造前后的電耗進行分析。變頻改造前，1#水泵電耗約為0.142 kW·h/m3，改造后電耗約為0.128 kW·h/m3，即每生產1千噸水，電耗[5]降低了14 kW·h。按照清水泵房一期年均供水量為59 768 km3、電價為0.7元/(kW·h)、4臺變頻泵主供計算，單臺泵全年可節約14.64萬元電費，3#泵型號參數與1#泵相同，2臺泵改造后預計全年可節約29.3萬元電費，節能顯著。

2.3.2 性能分析

(1)改造完成后，4臺變頻泵可3用1備或2用2備。由于水量需要經常調節，利用變頻調速可使系統運行更加穩定，提高系統保障能力。

(2)水泵具有過流、過壓、欠壓和故障等保護功能，可靠的故障保護，可降低水泵故障率，延長水泵使用壽命。

(3)開停泵、調節流量和水泵運行工況等均可在上位機進行操作和查看，工作人員無需就地操作，節省了人力，提高了工作效率。

3 結論

通過效益分析可知，水泵變頻改造后的節電效益非常明顯，每年通過降低能耗帶來的經濟效益相當可觀。但是，水泵節能的關鍵還是要選用揚程適合的水泵，不能簡單認為水泵變頻改造后，能耗就降低了，變頻器調速是節能的有效方法，但變頻調速范圍有限，通常不應低于額定轉速的50%。因此，若水泵選型不當，僅靠變頻器調節并不能保持水泵運行在高效區，水泵能耗依然很高。