工频水泵变频器改造节能方案.docx
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工频水泵变频器改造节能方案
天津新开河水厂1#工频水泵
改造变频项目
节能技术方案
日期：
2011年9月
1、概述
1.1供货商简介
总部所在地，销售及服务中心研发、生产及测试中心
北京海淀区上地科技园嘉华大厦北京房山区工业园欣博通基地
办公面积1500平方米占地面积27000平方米
北京欣博通能科传动技术股份有限公司（Nancal），成立于1994年，是资深的工业传动领域高端工业技术服务公司。
多年来业精于勤而专于心，拥有臻于完美的技术研发、方案创新和技术服务体系；始终以客户需求为导向，以提升客户价值为己任，全方位拓展研发、设计、生产、集成业务，为客户提供最优质的一体化传动解决方案和一站式技术工程服务。
Nancal是一家工业传动及电气节能整体解决方案的创新型提供商。
公司以技术创新为发展之基，引进当今世界电力电子的最新控制技术和理念，广泛吸收国内外先进技术，研制开发出多种单元电控产品（包含NANCAL软起动、防爆软起、防爆变频、智能通讯、智能照明）和大型电控解决方案；公司以科学管理为发展之本，在研发、生产、电气控制设计、模块优化组合、功效检测试验、产品销售执行、售后技术服务等各环节上实现检测标准化和运营规范化，并通过了国际ISO9001:
2000质量管理体系认证；公司以专业服务为发展之舵，了解需求，贴身服务，成功破解了电网净化、无功补偿、照明节能、大型负载启动、变频节能、钻机电控、新能源电动汽车充电等领域难题，为石油化工、冶金、矿业、航空、电力、市政、交通等行业量身定制特种解决方案，积累了大量的实践经验；获得用户一致赞誉和好评。
“Nancal”已成为市场高度认可的优质电气技术服务品牌。
欣然见信，博物通达，欣博通愿为您缔造价值，激扬未来。
1.2改造项目简介
天津新开河水厂为天津市三大水厂之一，日供水能力100万吨，送水泵房一期工程配备1000KW/6KV水泵8台，630KW/6KV水泵2台，其中两台1000KW/6KV水泵采用串级调速，其余水泵接工频电网定速工作。
二期工程配备1650KW/6KV水泵4台，其中两台采用采用ABB公司的变频器进行变频调速，另两台定速工作。
现改造1台6KV1000KW水泵，对其增加变频控制。
以满足在不同时间水压的不同需求：
用水高峰期水压达到39m，用水低谷期水压达到27m。
同时解决启动水泵时对电网的冲击和对水泵、电机、水管的保护。
1.3高压变频器具有以下特点：
●优良的调速性能，可完全满足生产工艺要求；
●良好的节能效果，可提高系统运行效率；
●实现电机软启动，减小启动冲击，降低维护费用，延长设备使用寿命；
●系统安全、可靠，确保水泵连续运行；
●控制方便、灵活，自动化水平高；
●输入谐波含量小，不对电网造成污染；
1.4高压变频器性能特性
变频器采用先进的功率单元串联叠波技术，空间矢量控制的正弦波PWM调制方法，新颖的全中文操作界面和高性能IGBT功率器件，可靠性高、性能优越、操作简便。
可应用于高压交流电动机驱动的风机、水泵类负载的调速、节能、软启动和智能控制等多种场合。
高质量电源输入：
输入侧隔离变压器二次线圈经过移相，为功率单元提供电源。
对于6.6kV而言相当于30脉冲不可控整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，大大抑制了网侧谐波（尤其是低次谐波）的产生。
变频器引起的电网谐波电压和谐波电流含量满足IEEE519-1992和GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》对谐波含量最严格要求，无需安装输入滤波器并保护周边设备免受谐波干扰。
正常调速范围内功率因数大于0.96。
无需功率因数补偿电容，减少无功输入，降低供电容量。
完美的输出性能：
单元脉宽调制叠波输出，6kV系列每相5个单元，大大削弱了输出谐波含量，输出波形几近完美的正弦波。
输出电压波形输出电流波形
友好的用户界面：
变频器采用中文LCD显示，面板轻触按钮直接操作，更适合国人使用习惯。
✧全中文文字表述，易学易用
✧大屏幕显示，可对多组参数进行设置，没有烦琐的参数代码号，参数设置准确、直观、便捷
✧运行参数同屏显示，一览无余
✧状态显示
✧可记录保存多达十个历次故障
其他特性：
✧高可靠性
✧高效率，额定工况下，系统总效率高达96%以上，其中变频部分效率大于98%
✧功率单元模块化结构，可以互换，维护简单
✧限流功能
✧飞车启动功能
✧输出电压自动调整
✧宽广的输入电压范围，更适合国内电网条件
✧功率单元光纤通讯控制，完全电气隔离
✧内置PID调节器，可实现闭环运行
✧隔离RS485接口，采用MODBUS通讯规约
✧具有本地、远程、上位三种控制方式
✧全面的故障监测电路、及时的故障报警保护和准确的故障记录保存
2、使用变频调速系统后优点
2.1针对城市水管网需求，实时调整
白天用水高峰期水压要求较高，达到39m，晚上用水低谷期水压要求较低，低到27m。
如果使用恒速水泵不能实现此功能。
增加变频器后能够实现城市水管网要求，变频水泵做小范围水压调整，其它恒速水泵做较大水压调整使用。
2.2提高网侧功率因数
原电机直接由水电机组驱动时，满载时功率因数为0.8－0.9，实际运行功率因数远低于额定值。
采用高压变频调速系统后，电源侧的功率因数可提高到0.95以上，大大的减少无功功率的吸收，进一步节约上游设备的运行费用。
2.3降低设备运行与维护费用
采用变频调节后，通过调节电机转速实现节能；转速降低，主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻，维护周期、设备运行寿命延长；在使用变频器过程中，只需定期对变频器除尘，不用停机，保证了生产的连续性。
从实际改造情况看，采用变频调速后，运行与维护费用大大降低。
采用变频调节后，减少了水泵电机的磨损，维护工作量降低，检修费用下降。
2.4软启软停功能
采用高压变频改造后，电机实现软启软停，启动电流不超过电机额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，明显改善了设备的启动性能，延长了电机使用寿命。
在整个运行范围内，电机可保证运行平稳，损耗减小，温升正常，无任何附加的异常振动和噪音。
可对电机电流、功率因素进行监视，控制电动机端电压变化，使其在欠载或空载的情况下调整电动机上的电压，使其产生相应的转矩，从而达到节能的效果。
2.5增强电机的保护功能
与原来旧系统相比较，变频器具有过流、过载、电压、缺相、温升等多项保护功能，更完善地保护了电机。
过流保护：
为了防止过电流，变频器设置过电流保护电路。
当电流超过某一数值时，变频器通过自关断电力半导体器件切断输出电流，或者调整水泵电机的运行状态，减小变频器的输出电流，从而达到保护电机的作用。
过载保护：
变频器在系统软件中设置了电子热继电器保护，具有反时限保护功能。
其原理是对逆变器的输出电流在一定时间间隔内进行积分处理，积分值反映电机发热的累积效应。
当积分值超过一定值后，逆变器的保护功能开始发挥作用。
电压保护：
当电源电压突然升高，或者电动机降速时，反馈能量来不及释放，使电机的再生电流增加，主电路直流电压超过过压检测值，形成再生电压。
所以变频器具有过压保护和欠压保护的功能。
缺相保护：
线路电源缺相时，会产生负序电流分量，三相电流不均衡或过大，引起电动机迅速烧毁。
变频器具有保障电动机的安全运行，使其在发生缺相运行时能及时停止电动机的运行，避免造成电动机烧毁事故。
温升保护：
变频器可以使电机的温升不超过电机的额定值，从而达到保护的功能。
失速保护：
加速过程中的失速必然表现为过电流，变频器通过过电流和过负荷保护实现此项保护功能。
减速过程中的失速有可能表现为过电流和直流母线过电压，对于后者，可通过在调试过程中设定安全的减速时间来避免，如果出现万一的情况，发生直流母线过电压，变频器保护电机停机。
2.6实现高度自动化
采用变频改造后，系统运行操作简单，运行方便。
可通过计算机远程给定水泵转速等参数，实现智能调节。
2.7增强系统运行的可靠性
高压变频调速系统能有效地减小因大功率电机的启动对用电电网的冲击，大功率的水泵电机，每次开启都会对厂区电网有影响。
通常定速水泵在启动时电流是额定运行电流的6—7倍，这样大的冲击电流易引起掉闸事故，对电网造成威胁。
特别是在电网回路中的电流已经接近满负荷时，如果需要再开泵，虽然开启后总电流不超过满负荷规定的要求，但是因为启动电流太大，瞬间总电流将过额定要求，所以不能开泵，因此影响了正常的生产。
如果使用了高压变频器后，水泵电机可以从0赫兹逐步上升至实际稳定的运行频率，电机电流也能逐渐升高，电网所受的冲击化解，从而提高了电网的安全运行系数。
适应电网电压波动能力强，电压工作范围宽，电网电压在-35%～+15%之间波动时，系统均可正常运行。
2.8保护水管网的安全
高压变频调速系统保证管网中压力的平滑过度，减少暴管的几率。
管网压力也是水厂的一项重要指导生产指标，压力过高，不仅容易暴管，而且电耗也升高了；压力过低，难以保证城市的正常用水。
在各个时段对压力要求也不一样。
原有水泵都为定速泵，只要水泵一开启，便运行在工频状态下，其频率、电流都固定，全部采用定速泵的组合不一定能够保证管网压力正好在所要求的压力值范围内，每当管网用水需求变化时，压力便明显变化，必须调整车次，这样做即不安全，也不经济，而且管网在调整车次的短时间内，压力变化较大，易发生暴管事故。
而采用变频泵，可以使压力维持恒定，管网需求变化时，靠调节变频泵的频率可以满足用水需求。
从而大大降低了管网的暴管次数。
2.9对水泵的保护
减少水压突然增减对水泵的冲击，减少叶片及叶轮的磨损。
3、项目改造方案
3.1主要设备目录
主设备电机参数：
1.泵参数：
额定流量：
扬程45m时4865m/s,扬程31m时7000m/s
额定扬程：
40m
最大扬程：
46、47
泵的效率：
62%
现有流量控制方式：
离心泵、启停控制
谁落差3.88m
2.电机参数：
6kv1000kw
电机效率：
80%
3.原有管道流量运行时间分布
额定流量下运行时间
90%流量下运行时间25%
80%流量下运行时间50%
70%流量下运行时间25%
3.2变频控制主回路设计
变频控制电机采用一拖一驱动，将原回路中增加变频器。
变频控制的水泵电机一直在变频的状态运行。
变频控制水泵电机电路回路图如下：
变频控制水泵电机电路回路图
为了保护变频器，在变频器与断路器DL之间还有电气联锁，联锁信号有：
合闸闭锁：
将变频器“合闸允许”信号，串联于高压开关合闸回路。
在变频投入状态下，变频器故障或不就绪时，断路器DL合闸不允许。
故障分闸：
将变频器“高压分断”信号与旁路柜“变频投入”信号串联后，并联于高压开关分闸回路。
在变频投入状态下，当变频器出现故障时，分断变频器高压输入。
变频器控制水泵电机是通过检测管道压力，直接反馈给变频器调整变频器输出频率，从而调节流量。
1、启动信号：
启动变频器运行调整流量。
2、压力设定：
设定管道所需的压力和量程。
3、压力反馈：
压力传感器检测管道的压力反馈给变频器做自动调节，使实际压力等于设定压力。
3.3变频装置说明
高压变频调速系统外形及布局要求
高压变频调速系统外形尺寸长*高*深=5555×2400×1410（mm）
变频器在正面操作，二次接线室在背面。
为了保证操作、维护的方便性和通风散热效果，变频器正面距墙距离不小于1.5米，背面和顶部距墙距离不小于1米。
高压变频器安装图（侧面）
变频器安装在10#（1600kW及以上变频器，使用16#槽钢）焊接的底座上，通过点焊方式将其固定在安装槽钢上，槽钢需可靠接地，接地电阻不得大于4Ω。
4、节能分析
自来水厂的输水、供水是通过水泵的提升来实现。
据网上数据显示水厂的电费占制水成本的35%～50%。
因此，控制水泵的运行方式可以达到节能的目的。
采用泵的变频调速调节流量可实现工艺需求。
变频调速调节
（1）理论公式
离心泵一般用曲线表示流量与扬程，轴功率、效率等之间的关系。
根据水泵特性，若改变水泵转速时，有下列相似的关系：
q1/q2=n1/n2
（1）
h1/h2=（n1/n2）2
（2）
n1/n2=（n1/n2）3（3）
它们表明了同一台叶片泵，当转速n变化时，其它性能参数将按上述比例关系而变化，由此得到与原特性曲线平行的不同的特性曲线。
（2）节能效果分析
图3节能图解分析
由图3可知，当一水泵设计的额定流量为q1，使q2能满足工况要求，有以下方式：
当采用变频调速控制时，可通过调整其频率使电机转速由n1调到n2，水泵q-h曲线下移到（q-h）’曲线，这样r1线与（q-h）’曲线交于点b’（q2，h3），点b’即满足了流量q2的需求，又使水泵的高效区内运行，此时水泵扬程降到h3，轴功率为n3。
也就说，采用变频调速控制时可节省能耗，n=n3-n2。
通过以上分析，我们会发现通过变频调速方法，可大大节省能源。
节能计算结果：
我们按照以下参数进行计算
系统参数
1
流体密度
1000
kg/m3
2
落差
3.88
m
泵参数
1
额定流量
7000
m3/h
2
额定扬程
40
m
3
最大扬程
44
m
4
泵的效率
62
%
5
现有流量控制方式
起停控制
电机参数
1
电源电压
6
kV
2
电机功率
1000
kW
3
电机效率
80
%
电机运行状况
90%流量下，运行
2190
h
80%流量下，运行
4380
h
70%流量下，运行
2190
h
电机运行时间为不停止运行
通过计算我们能够发现年节约用电2837MKW，如果按照每度电0.56元计算，年节约费用1,589,114元。
变频改造投资150万元，0.94年即可收回成本。
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