高壓變頻器在離心泵組的應(yīng)用

朱彥超 王慧強(qiáng)

安陽鋼鐵股份有限公司

高壓變頻器在離心泵組的應(yīng)用

朱彥超 王慧強(qiáng)

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(jié)能改造的應(yīng)用情況，簡述其節(jié)能原理和節(jié)能效果。

單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器；離心式水泵；節(jié)能

引言

鋼鐵產(chǎn)業(yè)是高能耗產(chǎn)業(yè)，隨著競爭的加劇，成本控制，節(jié)能降耗成為鋼鐵企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵手段。生產(chǎn)線上各種高能耗設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、水泵等成為節(jié)能改造的首選。風(fēng)機(jī)和水泵設(shè)備是軋鋼生產(chǎn)的主要輔助設(shè)備，為生產(chǎn)提供風(fēng)、水等動力介質(zhì)時，長期運(yùn)轉(zhuǎn)也使之成為能耗大戶，又由于使用技術(shù)含量低，效果差的調(diào)速和節(jié)能設(shè)備，所以應(yīng)用變頻節(jié)能設(shè)備后有很好的節(jié)能降耗的前景。

一、原設(shè)備運(yùn)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(guān)鍵設(shè)備，三臺離心式泵組每臺泵電機(jī)功率2800KW，一開兩備，1、2#泵共用一套控制系統(tǒng)，系統(tǒng)為西門子S7-300PLC控制，3#泵獨(dú)用一套控制PLC。3個泵組共用液壓潤滑和蓄能器儲水系統(tǒng)。泵組電機(jī)采用磁控軟起動器啟動，全壓運(yùn)行，采用調(diào)速型液力耦合器調(diào)速，實(shí)現(xiàn)泵組的高低速控制，該種調(diào)速方式存在著技術(shù)落后，使用成本高，效率低，能源浪費(fèi)巨大的缺點(diǎn)。水泵運(yùn)行在兩種工況下，一為打壓模式，液力偶合器調(diào)為高速，電機(jī)經(jīng)液力偶合器帶動水泵運(yùn)行在滿載，向蓄能器水罐和管路供水，補(bǔ)滿水后，水泵進(jìn)入為循環(huán)模式，液力偶合器調(diào)為低速，電機(jī)空載，水泵打循環(huán)，泵組輸出功耗最低。

液力耦合器屬損耗功率控制型機(jī)械調(diào)速方式，已經(jīng)進(jìn)入淘汰階段。為使之運(yùn)行必須有油站和油泵等附屬設(shè)備供油，用于冷卻和傳輸功率，泵組低速運(yùn)行時液耦整機(jī)效率低，損耗大，且液力耦合器自身的維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜，備件費(fèi)用高。據(jù)測算，高壓水泵電耗占噸鋼能耗的10%以上，整個調(diào)速系統(tǒng)滿足不了現(xiàn)今鋼鐵行業(yè)微利運(yùn)行，節(jié)能降耗的需要，是軋線主要的電能消耗設(shè)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(shù)在我國的發(fā)展，單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器在成本上，可靠性上有了長足的進(jìn)步，成為節(jié)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(jié)構(gòu)相對緊湊。輸入側(cè)用降壓變壓器采用移相方式，可有效消除對電網(wǎng)的諧波污染，采用成熟的低壓IGBT多電平單元串聯(lián)技術(shù)，高壓主回路和控制器之間用光纖連接，抗干擾能力強(qiáng)，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(chǎn)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，F(xiàn)PGA等先進(jìn)的電子器件，集成小型PLC S7-200，用于柜內(nèi)連鎖控制及與外部系統(tǒng)的通訊。變頻器可使用恒壓頻比控制(VVVF)和矢量控制方式運(yùn)行。

三、改造方案及實(shí)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(shí)行變頻改造，3#泵組仍為原有運(yùn)行方式。1，2#泵電機(jī)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(jìn)入泵站PLC，只有在操作臺上選擇正確的泵組，相應(yīng)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(jī)進(jìn)行了參數(shù)的辨識，建立電機(jī)的數(shù)據(jù)模型?？紤]到泵組實(shí)際情況，變頻器不適用盯住目標(biāo)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(yùn)行方式，變頻器根據(jù)水罐儲水情況選擇高速或低速兩種速度運(yùn)行。

2、工作方式選擇

單元串聯(lián)多電平變頻器的優(yōu)點(diǎn)是電壓電流波形平滑，適用老設(shè)備改造，缺點(diǎn)是沒有減速時的中間耗能環(huán)節(jié)水泵減速只能由負(fù)載阻力自然降速，升速也不能過快，容易過流，動態(tài)性能不強(qiáng)，升速打壓和降速滿足不了生產(chǎn)節(jié)奏的需要。為平衡節(jié)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(jīng)試驗(yàn)期多次的調(diào)節(jié)比對，設(shè)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(jìn)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(xiàn)改為低于4水位時開始打壓，高過5水位回低速，為保證節(jié)能效果，減少打壓次數(shù)，調(diào)大4，5水位間距離，這樣適度增加打壓次數(shù)，滿足現(xiàn)場使用，拿到節(jié)能的大頭。

3、節(jié)能原理分析及節(jié)能實(shí)效

離心式水泵、風(fēng)機(jī)是典型的變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即水量和轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)矩和風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速二次方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速三次方成正比。水泵的轉(zhuǎn)速與消耗的功率有直接的關(guān)系。為了取得較好的節(jié)能效果，我們曾經(jīng)編過一段PLC程序，統(tǒng)計3個月內(nèi)生產(chǎn)時水泵電機(jī)滿載和空載運(yùn)行各自比重，統(tǒng)計結(jié)果為空載打循環(huán)工況占72%，打壓工況占28%，即使考慮將來生產(chǎn)節(jié)奏再次緊張，打壓工況也不會占超過40%。所以，降低打循環(huán)工況時的電機(jī)運(yùn)行速度就成了爭取更好效果的關(guān)鍵。所以，考慮實(shí)際需要，泵組轉(zhuǎn)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(jié)能效果。低速時逐步由30Hz，25Hz，降低到20Hz，即40%的額定轉(zhuǎn)速。電機(jī)滿載時電流由原來的288A降低到234A，空載打循環(huán)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(jī)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(yùn)行電流下降更為明顯，泵組運(yùn)行穩(wěn)定性大為提高。省掉液力耦合器及附屬設(shè)備，減少維護(hù)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(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.6

[2]仲明振，趙相賓，主編.高壓變頻器應(yīng)用手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.4

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