1引言
　　目前，全世界正在為能源緊缺而困擾，我國(guó)的能源形勢(shì)尤其嚴(yán)峻。面對(duì)這樣的現(xiàn)實(shí)，國(guó)家有一系列的對(duì)策，因此頒布了《節(jié)能法》，并號(hào)召全社會(huì)為建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)而努力。節(jié)能改造就是其中有效途徑之一，節(jié)能改造有許多方面，其中通過(guò)對(duì)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵的高電壓大功率電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，無(wú)疑是潛力較大的節(jié)能方式。隨著高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，使得該項(xiàng)技術(shù)在水廠(chǎng)大功率水泵上應(yīng)用成為可能。中國(guó)石化齊魯股份有限公司供排水廠(chǎng)正是在這種形勢(shì)下，對(duì)水泵設(shè)備進(jìn)行高壓變頻技術(shù)研究改造的。
2設(shè)備概況及改造方案
　　中國(guó)石化齊魯股份有限公司被喻為中國(guó)石化的明珠，在山東可謂家喻戶(hù)曉。齊魯石化供排水廠(chǎng)擔(dān)負(fù)著全公司的供水任務(wù)，西夏配水站是供排水廠(chǎng)的下屬單位之一，日設(shè)計(jì)供水能力20萬(wàn)噸，清水泵房配備了五臺(tái)水泵機(jī)組，機(jī)組功率均為550KW/6KV，改造前全部定速運(yùn)行，水量大小通過(guò)改變閥門(mén)開(kāi)度大小的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用變頻器對(duì)水泵進(jìn)行控制的目的：通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)水壓閉環(huán)控制，保持管網(wǎng)壓力的恒定；在水泵出口閥門(mén)開(kāi)度最大的情況下，通過(guò)變頻器改變輸出頻率，進(jìn)而改變水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供水量，以節(jié)約原來(lái)通過(guò)改變閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)供水量時(shí)浪費(fèi)在閥門(mén)上的能源；減輕水泵啟停對(duì)管網(wǎng)的沖擊。
　　經(jīng)多方調(diào)研考察，比較性?xún)r(jià)比，最終齊魯石化供排水廠(chǎng)決定選用我山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37型高壓變頻器對(duì)西夏配水站2#、4#水泵機(jī)組進(jìn)行調(diào)速改造，經(jīng)過(guò)雙方技術(shù)人員的合作，共同制定了水泵機(jī)組的變頻改造方案。改造方案采用一帶二的形式，即高壓變頻器拖動(dòng)配水站2#、4#機(jī)組任一臺(tái)，當(dāng)其中一臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)故障或檢修時(shí)，變頻器拖動(dòng)另一臺(tái)機(jī)組變頻運(yùn)行。配水站2#、4#機(jī)組為同型號(hào)機(jī)組，其中2#機(jī)組電機(jī)和水泵的主要參數(shù)如下：
　　1）水泵
　　型號(hào)            20SHO
　　額定流量        2016m3/h
　　額定揚(yáng)程       59m
　　額定軸功率   390KW
　　額定效率       83%
　　額定轉(zhuǎn)速       970rpm
　　2）電機(jī)
　　型號(hào)         JQS158-6
　　額定功率       550KW
　　額定電壓       6KV
　　額定電流       64A
　　額定功率因數(shù)   0.89
　　額定轉(zhuǎn)速       987rpm
3風(fēng)光牌JD-BP37-630F高壓變頻器
　　齊魯石化供排水廠(chǎng)決定選用我公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37-630F高壓變頻器一拖二控制系統(tǒng)對(duì)2#、4#水泵機(jī)組作調(diào)速改造。以下是對(duì)風(fēng)光牌JD-BP37-630F高壓變頻器的一些介紹。
3.1JD-BP37-630F高壓變頻器的主要性能指標(biāo)：
　　變頻器額定功率    630KW
　　額定輸出電流      80A
　　輸入頻率          45Hz到55Hz
　　額定輸入電壓      6KV
　　允許電壓波動(dòng)      ±20%
　　輸入功率因數(shù)      ≥0.96（額定負(fù)載時(shí)）
　　輸出電壓范圍      0～6KV
　　變頻器效率        ≥96%（額定負(fù)載時(shí)）
　　輸出頻率范圍      0～50Hz
　　整流方式          36脈沖二極管全波整流
　　輸出方式          每相6單元正弦波脈寬調(diào)制輸出，直接輸出6KV
　　頻率分辨率        0.01Hz
　　過(guò)載能力          ＜120%長(zhǎng)期運(yùn)行  150%連續(xù)1min  ＞150%立即保護(hù)
　　操作鍵盤(pán)          中文彩色液晶觸摸屏
　　界面語(yǔ)言           簡(jiǎn)體中文
　　控制電源           220VAC  10KVA
　　冷卻方式           強(qiáng)制風(fēng)冷
　　防護(hù)等級(jí)           IP20
　　模擬量輸入         四路，0～10v/4～20mA,任意設(shè)定
　　模擬量輸出         兩路，0～10V/4～20mA可選
　　開(kāi)關(guān)量輸入輸出     4入/16出（可按用戶(hù)要求擴(kuò)展）
　　通訊接口           RS232、RS485接口。
　　運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)記錄和輸出、自動(dòng)故障記錄、限流功能、輸出電壓自動(dòng)調(diào)整功能、單元旁路功能等。
　　可根據(jù)用戶(hù)要求作特殊設(shè)計(jì)。
3.2變頻器設(shè)計(jì)要求
　　風(fēng)光牌JD-BP37-630F為我公司生產(chǎn)的全數(shù)字交流高壓變頻器控制裝置，采用先進(jìn)的功率單元串聯(lián)載波移相技術(shù)、正弦波PWM調(diào)制方法，全中文操作界面，具有可靠性高，性能優(yōu)越，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，具體設(shè)計(jì)要求如下所述：
（1）系統(tǒng)效率高，額定工況下，總效率在96%以上，其中變頻器部分效率大于98%。
（2）輸入側(cè)為36脈沖整流，變頻器引起的電網(wǎng)諧波電壓和諧波電流含量滿(mǎn)足IEEStd519-1992和GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》技術(shù)要求。
（3）變頻器額定輸入功率因數(shù)大于0.96，無(wú)須功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。
（4）變頻器輸出諧波含量低，可以驅(qū)動(dòng)普通高壓電動(dòng)機(jī)，而不會(huì)增加電機(jī)溫升，降低電機(jī)容量，電機(jī)電纜無(wú)任何長(zhǎng)度限制；保護(hù)電機(jī)絕緣不受dv/dt應(yīng)力的損害；不會(huì)因?yàn)橹C波力矩而降低設(shè)備使用壽命。
（5）具有單元旁路功能，當(dāng)某個(gè)單元出現(xiàn)故障，系統(tǒng)可以自動(dòng)將其旁路，并降額繼續(xù)運(yùn)行，保證系統(tǒng)的可靠性。
（6）采用全中文操作平臺(tái)，10.4英寸真彩LCD顯示，觸摸屏直接操作，更適合國(guó)人使用習(xí)慣。
（7）功率單元模塊化結(jié)構(gòu)，可以互換，維護(hù)簡(jiǎn)單。
（8）輸入電壓范圍寬，在6KV（±20%）內(nèi)可連續(xù)運(yùn)行。
（9）功率單元采用光纖通訊控制，完全電氣隔離，抗干擾性強(qiáng)。
（10）內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行。
（11）內(nèi)置PLC，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的靈活控制。
3.3系統(tǒng)的構(gòu)成
　　（1）高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　?。?）功率單元結(jié)構(gòu)圖

　?。?）一次回路及保護(hù)

　　DL、DL1、DL2     用戶(hù)原有高壓開(kāi)關(guān)柜
　　BPQ               JD-BP37-630F高壓變頻器
　　K1、K2高壓隔離開(kāi)關(guān)
　　M1、M2           2#、4#水泵電機(jī)
　　變頻器供電電源及其保護(hù)由DL提供，速斷保護(hù)整定值按630KW重新整定。同時(shí)增加一面旁路柜，旁路柜有2個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)組合，兩臺(tái)電機(jī)均可變頻運(yùn)行。
　　2個(gè)隔離開(kāi)關(guān)之間及其斷路器之間用電磁鎖聯(lián)鎖，K1、K2只允許一個(gè)合閘；DL1合閘狀態(tài)，K1不允許操作；DL2合閘狀態(tài)，K2不允許操作。
　　當(dāng)K1、K2及DL供電電源斷開(kāi)時(shí)，變頻器處于安全狀態(tài)，便于檢修，維護(hù)和調(diào)試。變頻器與DL供電電源高壓斷路器聯(lián)鎖。
　　合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號(hào)串聯(lián)于高壓開(kāi)關(guān)合閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，變頻器故障或不就緒時(shí)，變頻器高壓開(kāi)關(guān)合閘不允許。
　　故障分閘：將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘?hào)串聯(lián)于高壓開(kāi)關(guān)分閘回路。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入。
　　工頻合閘：變頻器運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)，可以給出工頻合閘信號(hào)，啟動(dòng)備用機(jī)組工頻運(yùn)行。
      （4）二次回路及控制
　　控制系統(tǒng)由光纖板、信號(hào)板、主控板、PLC和人機(jī)界面組成。用戶(hù)提供控制回路220VAC電源。
　　控制系統(tǒng)與功率單元之間采用光纖通訊，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)弱電之間的光電隔離。
　　PLC用于變頻器內(nèi)部開(kāi)關(guān)信號(hào)以及現(xiàn)場(chǎng)操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的邏輯處理。PLC還有處理4路模擬量輸入和2路模擬量輸出的能力，模擬量輸入用與處理來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的流量、壓力等模擬信號(hào)或模擬設(shè)置時(shí)的設(shè)置信號(hào)；模擬輸出量可以是運(yùn)行頻率、電流等。
　　人機(jī)界面采用中文操作系統(tǒng)，彩色液晶觸摸屏，免費(fèi)提供軟件升級(jí)。人機(jī)界面圖如下示：

　　圖4人機(jī)界面圖

3.4控制方式
　　變頻器具有以下三種控制方式：
　　本地控制：從變頻器操作界面控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止，并能完成變頻器的所有控制。
　　遠(yuǎn)程控制：通過(guò)內(nèi)置PLC接受來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)或控制室的開(kāi)關(guān)量或模擬量控制。
　　上位控制：通過(guò)RS485接口，接受上位機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)通信功能，并有變頻器運(yùn)行/停止/故障信號(hào)顯示及轉(zhuǎn)速顯示等。
　?。?）速度設(shè)定方式
　　變頻器具有多種速度設(shè)置方式，在閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，速度設(shè)置方式即為被控量的給定方式。
　　本地設(shè)置：通過(guò)操作觸摸屏設(shè)置運(yùn)行頻率。
　　模擬設(shè)置：接收DCS系統(tǒng)0～10V或4～20mA模擬信號(hào)設(shè)置運(yùn)行頻率或被控量給定值。
　　通信設(shè)置：通過(guò)通信方式接收來(lái)自上位機(jī)的運(yùn)行頻率或被控量的給定值。
　?。?）運(yùn)行方式
　　變頻器具有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種運(yùn)行方式。
　　開(kāi)環(huán)運(yùn)行：變頻器以設(shè)置頻率輸出。頻率的設(shè)置方式有本地設(shè)置、模擬設(shè)置、通信設(shè)置。
　　閉環(huán)運(yùn)行：對(duì)一個(gè)運(yùn)行參數(shù)（如流量、壓力、溫度等，此處以壓力為例）實(shí)現(xiàn)跟蹤控制。閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，實(shí)際壓力信號(hào)來(lái)自安裝于供水管道上的壓力變送器，而壓力期望值有4種設(shè)置方式，分別為本地設(shè)置、模擬設(shè)置、通信設(shè)置。變頻器通過(guò)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使實(shí)際壓力逼近壓力設(shè)置值，以保證供水管道的壓力恒定。
3.5對(duì)外接口
　　模擬量輸入：4路，4～20mA或0～10VDC。4～20mA時(shí)輸入阻抗250Ω，0～10VDC電壓輸入時(shí)輸入阻抗≥10MΩ。用于接收速度設(shè)置或被控量設(shè)置的模擬信號(hào)，例如現(xiàn)場(chǎng)的流量、壓力、煙氣濃度等信號(hào)。
　　模擬量輸出：2路，4～20mA或0～10VDC輸出。4～20mA輸出時(shí)最大阻抗500Ω，0～10VDC電壓輸出時(shí)最小阻抗5000Ω。以模擬方式輸出變頻器的運(yùn)行速度、輸出頻率、電流等變量。
　　數(shù)字量輸入：24路，光電隔離，隔離電壓500VAC,接收遠(yuǎn)程控制信號(hào)、速度給定開(kāi)關(guān)信號(hào)及各開(kāi)關(guān)狀態(tài)等。
　　數(shù)字量輸出：16路，中間繼電器隔離，隔離電壓750VAC,接點(diǎn)容量2A,輸出變頻器狀態(tài)、控制主電源開(kāi)斷等。
　　通信接口：RS485,實(shí)現(xiàn)與上位系統(tǒng)的通訊。
3.6特殊功能
　　變頻器除了以上基本功能以外，還具有如下特殊功能：
　?。?） 閥門(mén)真空度檢測(cè)。
　　變頻器在啟動(dòng)水泵以前，會(huì)自動(dòng)判斷真空度的值，如果沒(méi)有真空度或沒(méi)有達(dá)到要求，變頻器會(huì)提供報(bào)警信號(hào)，并拒絕啟動(dòng)水泵。
　　（2）配置工頻旁路。
　　變頻提供手動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)，使水泵機(jī)組既可變頻運(yùn)行，又可工頻運(yùn)行。
　?。?）具有閥門(mén)聯(lián)動(dòng)功能。
　　在開(kāi)泵和停泵的過(guò)程中，值班人員無(wú)需再對(duì)閥門(mén)進(jìn)行任何操作，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)開(kāi)停泵的全部自動(dòng)化。
　?。?）零流量自動(dòng)停機(jī)功能。
　　當(dāng)用戶(hù)用水量為零時(shí)，壓力比較高時(shí)，這時(shí)變頻器自動(dòng)停機(jī)。待用戶(hù)管網(wǎng)壓力到啟動(dòng)壓力后，變頻器自動(dòng)開(kāi)機(jī)運(yùn)行。
4變頻器運(yùn)行情況
　　高壓變頻器一次調(diào)試成功，并通過(guò)齊魯石化供排水廠(chǎng)驗(yàn)收，我高壓變頻器運(yùn)行良好。從變頻器投入運(yùn)行的應(yīng)用效果來(lái)看，完全達(dá)到了用戶(hù)進(jìn)行水泵變頻改造的目的，較改造前其優(yōu)越性體現(xiàn)于：
（1） 操作簡(jiǎn)便，易于觀察。
　　變頻器運(yùn)行時(shí)的所有數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)在上位機(jī)顯示屏都可顯示，如運(yùn)行頻率，輸入電壓，輸入電流，輸出電壓，輸出電流，開(kāi)閉環(huán)，壓力值等。上位機(jī)顯示屏操作簡(jiǎn)單明了，觀察方便。
（2）變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好。
　　風(fēng)光牌JD-BP37-630F高壓變頻器投入運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平滑可靠，電壓和電流正常，沒(méi)有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。
（3）減輕了值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
　　由于變頻器具有閥門(mén)聯(lián)動(dòng)功能，隨著供水水量的變化， 值班人員在值班時(shí)通過(guò)微機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行操作，不再需要頻繁地開(kāi)停大小泵及閥門(mén)，工作量大大減小。
（4）恒壓控制。
　　采用壓力閉環(huán)恒壓控制，用戶(hù)只需根據(jù)實(shí)際供水需要設(shè)定所需壓力，變頻器自動(dòng)恒壓運(yùn)行，壓力設(shè)定方便，精確穩(wěn)定，保證管網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，提高了供水質(zhì)量。
（5）降低了維護(hù)費(fèi)用。
　　由于變頻器對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小，對(duì)水泵機(jī)組沒(méi)有任何機(jī)械沖擊，通過(guò)泵變速調(diào)節(jié)來(lái)減小流量還有利于降低離心泵發(fā)生汽蝕的可能性，相應(yīng)地延長(zhǎng)了水泵、電機(jī)及閥門(mén)的使用壽命，大大降低了維護(hù)工作量和維護(hù)成本。
（6）節(jié)電效果分析：
　　這次改造的是齊魯石化供排水廠(chǎng)的生產(chǎn)用水，在生產(chǎn)用水中，電廠(chǎng)又是一個(gè)大戶(hù)，供水壓力以滿(mǎn)足電廠(chǎng)需求為主。水廠(chǎng)一般情況下開(kāi)兩臺(tái)水泵即可滿(mǎn)足供水要求。在電廠(chǎng)補(bǔ)水時(shí)，需調(diào)高供水壓力至0.56MPa，一次補(bǔ)水大約20-30分鐘，其補(bǔ)水沒(méi)有一定的規(guī)律，不補(bǔ)水時(shí)，壓力維持在0.50MPa。變頻改造后，采用恒壓供水，由圖6可知變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的特性曲線(xiàn)，工頻泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的曲線(xiàn)如圖中F1所示，C點(diǎn)為單臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)，F(xiàn)2為兩臺(tái)相同的泵工頻運(yùn)行時(shí)的特性曲線(xiàn)，A為工作點(diǎn)，揚(yáng)程Ha=Hf，流量Qa=2Qf。當(dāng)流量由Qa變?yōu)镼b時(shí)，管網(wǎng)阻力曲線(xiàn)變?yōu)镽2，上述對(duì)應(yīng)關(guān)系仍然成立，此時(shí)在保證管網(wǎng)壓力不變的情況下，揚(yáng)程損失為ΔH=2*（Hb-Ha）（調(diào)節(jié)兩臺(tái)泵的閥門(mén)時(shí)）或ΔH=He-Ha（調(diào)節(jié)一臺(tái)泵的閥門(mén)時(shí)）。采用一臺(tái)變頻泵和一臺(tái)工頻泵并聯(lián)運(yùn)行供水時(shí)，F(xiàn)3為變頻泵單獨(dú)運(yùn)行的特性曲線(xiàn)，F(xiàn)3為F1下方的一簇曲線(xiàn)，根據(jù)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)工作揚(yáng)程相等，流量相加的原則，可得出兩臺(tái)泵的運(yùn)行曲線(xiàn)F4，此時(shí)流量Qb=Qd+Qf揚(yáng)程Ha=Hd=Hf，由圖5可知，當(dāng)流量減小越大時(shí)，變速調(diào)節(jié)的節(jié)能效率也越大。

　　變頻器投入正常運(yùn)行后，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間觀察，變頻器大部分時(shí)間運(yùn)行40Hz-47Hz之間，變頻泵的流量保持在700m3/h-1800m3/h之間，管道壓力保持0.55MPa。只有少部分時(shí)間工作在高頻或低頻，在用水高峰時(shí)，變頻器工作在50Hz正好能滿(mǎn)足需求，可見(jiàn)變頻器的調(diào)節(jié)范圍能夠滿(mǎn)足用戶(hù)生產(chǎn)的需要。為了對(duì)比變頻器節(jié)能的情況，選取1#工頻機(jī)組和2#變頻機(jī)組作為參照，隨機(jī)抽取一個(gè)工作周，網(wǎng)側(cè)計(jì)量耗電量，每天耗電量數(shù)據(jù)分別記錄如下：

　　1#工頻機(jī)組一周耗電量為：87860 KWh，一周電費(fèi)為：39537元。
　　2#變頻機(jī)組一周耗電量為：61120 KWh，一周電費(fèi)為：27504元。
　　節(jié)電率=（87860 KWh -61120 KWh）/87860 KWh×100%=30%。
　　平均一天節(jié)電費(fèi)為：（39537-27504）元/7d=1719元。
　　一年按300天運(yùn)行計(jì)算，一年節(jié)省電費(fèi)：1719元×300天=515700元。
　　節(jié)電率達(dá)30%，節(jié)電效果還是非?？捎^的。單從節(jié)電費(fèi)一項(xiàng)計(jì)算，用戶(hù)投資一年半基本可以收回。
5結(jié)束語(yǔ)
　　總之，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-630F高壓大功率變頻器在齊魯石化供排水廠(chǎng)西夏配水站給水泵上的成功運(yùn)行，再次證明其在水行業(yè)的水泵調(diào)速應(yīng)用中所無(wú)可比擬的優(yōu)越性。