变频调速节电技术在自来水厂中的应用.doc

变频调速节电技术在自来水厂中的应用张玉林1 ,刘志梅1 ,刘国藩2 ,孙艺夫2 ,刘汉玉1(11 铁法煤业 (集团) 有限责任公司水暖厂 ,辽宁 铁法 112700 ;21 沈阳天工热电设备有限公司 ,辽宁 沈阳 110032)摘要 :对国内外高压电动机所采用的变频调速技术方案的优缺点进行了分析 ,介绍了面向高压电动机的“T G 系列高 - 低压变频调速集成装置”的技术特点和应用效果 ,指出采用变频调速装置调节水泵高压电 动机转速的方法具有良好的节能效果 ,可简化和便于泵房设备的调度 ,易于实现自动控制 ,是水泵节能技术改造的最佳方案 ,应大力推广应用 。关键词 :水泵 ;高压电动机 ;变频调速 ;节能中图分类号 : TM921 . 51 文献标识码 :B 文章编号 :1004 - 7948 (2004) 07 - 0040 - 03低 4818 % , 节 电 效 果 十 分 显 著 。转 速 在 80 % 100 %的范围内变化时 ,泵的效率基本不变 。水泵调 速之后 ,可以得到对应不同转速下的新的最佳工况 点 。不调速时 ,只有一个最佳工况点 ,调速后得到一条最佳工况线 。这样 ,水泵运行适应工况的范围扩大了 ,水泵容易在最佳工况区运行 ,减少能耗 。 水泵调速可以通过很多途径实现 ,其中变频调速是目前最理想的一种 。我们知道 ,异步电动机的 转速 n 与电源频率 f 成正比 , 与电动机极对数 p 成 反比 , 见下式n = ( 1 - S ) 60 f / P , S = ( n1 - n ) / n1式中 S 为异步电动机的转差率 ; n1 为异步电动 机的同步转速 。从公式中不难看出 : 均匀改变电动机定子绕组的电源频率 f , 就可以平滑地改变电动机的转速 。 电动机转速变慢 ,轴功率就相应减少 ,电动机输入功 率也随之减少 , 这就是水泵变频调速的节能原理 。 为了保持调速时电动机的最大转矩不变 ,需要维持电动机的磁通恒定 ,为此 ,要求定子绕组电压也要作相应的调节 ,变频调速器兼有调频 、调压两种功能 ,变频调速器就是基于这个原理实现调速的 。过去 ,在变频技术特别是高压变频技术尚未成熟时期 ,我 国曾推广过液力偶合器 、电磁调速电机 、调压调速电 机等以滑差损耗为代价的低效率调速方式 。例如液 力偶合器 ,就是一种利用油为介质的滑差传动装置 , 油传递功率时 ,不仅消耗能源变成热量白白浪费掉 , 而且产生滑差丢转数 。况且 ,一旦发生故障只能停 产检修 ,造成重大损失 。而以变频调速为代表的现1 序言对于供水系统的水厂来说 ,最大生产成本就是 水泵电动机的耗电电费 。节能降耗始终是自来水公司管理工作的重中之重 。统计表明 ,给水工程中电费约占供水成本的 50 %80 % ,水泵电动机的电费 占总电费的 95 %左右 。实际运行中 ,水泵的效率大 多数不足 60 % ,泵站的综合效率不足 50 % ,存在着较大的能源浪费 。因此 ,在能源供应紧张的今天 ,如 何运用水泵供水节能技术 ,使水泵能经常高效运行 , 从而节约电动机的耗电量 ,对提高自来水公司的经 济效益具有重大意义 。目前 ,绝大多数水泵都采用恒速电机拖动 ,当水 量发生变化时 ,采用阀门节流的办法来调节流量 ,因此严重浪费电能 。利用改变电动机的转速可改变水泵的特性 ,使之适应供水系统工况变化幅度较大的 情况 ,可达到实现节能降耗的目的 。在各种调节方式中 ,调节水泵的转速是降低能耗的最好方式 。原因在于改变水泵的转速且转速在80 %100 %范围内变化时 ,泵体内的水流速度与转 速成正比 ,流量与转速比成正比 ,扬程与转速比的平方成正比 ,轴功率与转速比的立方成正比 ,即Q = Q 0 ( n / n 0 )H = H0 ( n / n 0 ) 2P = P0 ( n / n 0 ) 3( 1)( 2) ( 3)式中 : n0 为 额 定 转 速 ; Q 0 为 额 定 转 速 时 的 流量 ; H0 为额定转速时的扬程 ; P0 为额定转速时的轴 功率 ; n 为调速后的转速 ; Q 为 n 转速时的流量 ; H 为 n 转速时的扬程 ; P 为 n 转速时的轴功率 。实现平滑无级调速 ,精度高 、启动电流小 、容易实现生产过程的自动控制 ,具有安装容易 、操作简单 、调 试方便等优点 。即便装置万一发生故障 ,随时可切 回原工频运行方式 ,不误生产 。2 高压电动机所用的各类变频调速方式分析目前 ,国内外对高压电动机所采用的变频调速 技术方式有如下几种 。211 高 - 低 - 高压型 它先通过一台降压变压器将高压变为低压工频电源 ,输入低压变频器 ,然后再将变频器输出的低压 变频电源通过一台升压变压器变为高压 ,提供给高 压电动机变频调速 。该方式的缺点是升压变压器必 须采用非晶态合金磁性材料 ,在非正弦变频工况下 , 效率低 、功率因数低 、高次谐波大 、成本高 、占地面积大 。由于该方式技术落后 ,成本高 ,现已被淘汰 。212 高 - 高压型它通过多支高压变频器件串联方式 ,实现高压 频率直接转换 。其缺点是多支高压变频器件串联的 变频装置 , 串联器件的均压问题不好解决 , 可靠性差 ,造价高 。如青海格尔木盐业有限公司引进的 4 台 6 kV 、500 k W 高 - 高压 I GC T 串联型变频装置 , 已有两台发生高压击穿 ,修复费十分昂贵 。213 多重化型 它通过一种特制的变压器将高压降为不同电角度的低压 ,经多台 ( 6 kV 为 15 台 ,10 kV 为 27 台) 低 压变频器叠加成高压 。其优点是输出波形接近于正 弦 ,高次谐波较低 。缺点是变压器结构复杂 、效率 低 、成本高 ,特别是所用的元器件数量是普通低压变 频器的 10 多倍 ,故障概率增大 。抚顺电厂花费 480万元 上 了 两 台 6 kV 、1250 k W 多 重 化 变 频 装 置 , 每 k W 造价 2000 元 。其中一台已发生故障停用 ,至今 尚未修复 。214 低压型 电源高压经输入变压器降压后供给低压变频器 ,将原高压电动机更换为普通低压电动机实现低 压变频调速 。该方式成本虽然较低 ,但低压变频器 高次谐波大 (近 5 % ,国家标准要求 610 kV 电网不 超过 4 %) ,普通低压电动机的绝缘又脆弱 , 长期在 脉冲频率下运行将加速绝缘老化 ,甚至发生击穿或烧毁事故 。况且 ,同等容量的低压电动机的机座一 般要比高压电动机的机座小一号 ,势必因底座尺寸 小且轴中心高度低不得不重打地基或者另加底垫 , 还因轴径细而需要更换对轮等 ,甚至影响机组的动平衡 ,给现场改造带来不小的麻烦 。215 内反馈型该方式是传统的串级调速类型的一种 ,不论内 反馈还是外反馈 ,都是基于绕线电动机的晶闸管变 频调速方式 。虽然内反馈型曾经起过很重要的作用 ,但在高 、低压笼型电动机变频调速技术均已成熟 ,价格大幅度下降 ,变频器已从第一代晶闸管 ,第 二代 GTR 、GTO , 发展到第三代 I GB T 、I GC T 的今 天 ,基于绕线电动机的内反馈型晶闸管变频方式已经落后了 ,价格上也失去了优势 。况且 ,同等容量的 内反馈绕线电动机结构复杂 ,效率低 ,加工周期长 。 其机座也比原高压电动机机座至少大一号 ,势必因 底座尺寸和轴中心高度问题得重新打地基 ,还需要 更换对轮 ,甚至更换水泵 ,施工周期也长 。此外 ,内反馈方式还存在先天性的高次谐波大 、功率因数低 、调速范围窄 、节能范围也窄 、逆变器易 遭颠覆等缺陷 。例如阜新市自来水公司一台 6 kV 、300 k W 供水泵电动机是最早安装内反馈调速装置 的现场 ,因其电抗器噪音太大 ,电刷粉尘污染环境 , 故障频繁 ,于 2003 年停运 ,并立项改用变频调速装 置取而代之 。这种带电刷和滑环的特种电动机 ,更 不适合电厂煤粉环境 ,而且早已被电厂所淘汰 。特别值得指出的是 ,对于大量运行中的高压电 动机来说 ,将其淘汰换成别种电动机 ,确实是一种宝贵资源的浪费 。因为高压电动机以其绝缘强度高和 坚固耐用而著称 ,而且内风冷条件较好 ,具备甚至超过变频调速专用电动机的一些特点 。3 面向高压电动机的“TG 系列高 - 低压变频调速集 成装置”311 工作原理其原理如图 1 所示 ,本装置主要由三部分组成 :绕组为特殊连接结构的多功能降压变压器 T ; 低压 变频器 L F ; 将原用户高压电动机 HM 通过改制而成的特殊低电压电动机 HM,尤其是改制后的电动 机 HM和变压器 T 是本方式的核心 。上述三部分再加上工频/ 变频切换开关 Qc 、Qf 、Qw 等实现变频 调速装置的集成化 。图 1 T G 系列高 - 低压变频调速集成装置电气原理图鉴于 低 压 变 频 器 的 高 次 谐 波 一 般 多 接 近 于5 % ,而国家标准 GB/ T14549电能质量 公用电网谐 波针对 6 10 kV 用 电 设 备 高 次 谐 波 的 限 定 值 为4 % 。T G 系列高 - 低压变频调速集成装置利用绕 组为特殊连接结构的多功能降压变压器来吸收变频 过程中的高次谐波 。故可将高压侧的高次谐波降至3 %以下 。改制后的电动机 HM功率不变 、外形尺 寸不变 、绝缘强度不变 ,定子工作电压降低 ,输入定 子的工作电流增加了 。由于工作电压降低了 ,绝缘 强度又不变 ,所以电动机 HM的寿命大大增加了 。 由于外形尺寸不变 ,现场施工量大为减少 ,用户感到 十分方便 。312 技术特点T G 系列高 - 低压变频调速集成装置与上述 5种变频调速方式比较 ,具有如下特点 :(1) 多功能降压变压器采用特殊的连接结构 ,具 有吸 收 谐 波 功 能 。完 全 达 到 了 国 家 标 准 GB/ T14549 电 能 质 量 公 用 电 网 谐 波 中 规 定 的 , 6 10 kV 用电设备高次谐波小于 4 %的要求 。(2) 低压变频器 L F 采用成熟的名牌变频器 ,具 有工作稳定 、可靠 ,价格低廉等优点 ,大大提高了装 置的工作可靠性 。(3) 原用户高压电动机 HM 通过改装后 , 即可 由低压变频器进行调速 。由于改装后高压电动机运 行于低压状态 ,可以大大提高电动机的工作寿命 ,且 节约资金 ,方便施工 。(4) 由于采用了特殊连接结构的多功能降压变 压器 ,改装后的电动机可直接在工频下启动 。(5) 本变频技术可满足不同功率 、不同电压 、不 同转速的高压电动机实现变频调速需要 。(6) 安全可靠 。装置采用的多功能变压器 、低压 变频器 、改装后的高压电动机均为高可靠耐用设备 , 变频控制柜全部采用低压元件 ,加之系统的优化控 制和多种保护功能 ,因而安全可靠 。(7) 多种控制模式 。该系列产品均可实现恒压 控制 、变压控制 、手控/ 自控切换 、变频/ 工频切换 、短 时升频超速运行等多种控制功能 。(8) 低成本 ,短工期 。设备成本比国内外的高压变频装置低 20 %30 % 。施工周期仅为后者的 1/ 21/ 4 。313 应用效益2003 年 8 月 ,铁煤集团水暖厂对张庄分厂引柴 加压站 2 # 供水泵 613 kV 、220 k W 高压电动机进行 了变 频 调 速 改 造 , 改 造 工 程 投 资 总 额 为 36 万 元 。2003 年 10 月 15 日变频调速装置正式投入使用 ,仅 两个月就圆满完成任务 。到 2004 年 5 月 25 日 ,变 频调速装置已连续运行 7 个多月 ,运行良好未出现 任何故障 ,深受现场欢迎 ,取得了十分明显的经济效 益 。(1) 节电效果明显 。变频调速改造前 , 2 # 供水 泵 613 kV 、220 k W 高 压 电 动 机 每 月 耗 电 量 为148000 k Wh , 变 频 调 速 改 造 后 , 每 月 耗 电 量 为91000 k Wh ,月节电量为 57000 k Wh 。实际月节电费 达 0145 元 57000 = 25650 元 。投资回收期为 14 个月 。(2) 实现了电动机的软启动 。电动机的启动电 流可由目前的 57 倍额定电流降低到额定值以下 , 避免了对电网冲击和对负载的机械冲击 ,从而延长 了运转设备的大修期 。(3) 提高功率因数 。可将电动机电源侧的功率 因数提高到 0194 ,从而节省无功功率 。(4) 低温升 ,长寿命 。该设备通过输出最佳工作 电压和频率 ,使电动机长期低温 、低速运行 ,从而延 长了运转设备的大修期和使用寿命 。(5) 减少噪音污染 , 降低了工作人员的劳动强 度