高壓變頻器在揚(yáng)水泵站改造中的節(jié)能應(yīng)用

宋磊

寧夏回族自治區(qū)固海揚(yáng)水管理處，寧夏中寧，755100

0 引言

本次改造的揚(yáng)水泵站是黃河揚(yáng)水泵站，共計(jì)13級(jí)，該泵站是第12級(jí)揚(yáng)水泵站，共設(shè)計(jì)6臺(tái)單級(jí)雙吸泵，兩機(jī)一管，每臺(tái)設(shè)計(jì)流量為1.06m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為34.7m，配套設(shè)計(jì)6臺(tái)560kW的電動(dòng)機(jī)，改造前全站最大運(yùn)行流量為2.4m3/s，改造后設(shè)計(jì)流量增加到4.8m3/s，實(shí)際凈揚(yáng)程為31.5m，其中1#和5#機(jī)組配置高壓變頻系統(tǒng)（帶旁路），可以用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量和渠道內(nèi)流速，提升自動(dòng)化水平，有利于全站的節(jié)能降耗。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，如果前池水位下降過快，吸水口易漏出水面而吸入空氣，從而導(dǎo)致水泵震動(dòng)加劇，損壞傳動(dòng)軸。如果渠道水位過高又會(huì)增加渠道兩邊堤壩壓力，對(duì)兩側(cè)農(nóng)戶住房及周邊農(nóng)田產(chǎn)生危害。這就要求泵站在正常運(yùn)行的前提下，能有效調(diào)節(jié)揚(yáng)水水量，調(diào)節(jié)渠道流速，減輕渠道渡槽壓力。傳統(tǒng)水泵啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)壓力過大，容易出現(xiàn)“水錘”效應(yīng)，水泵、管路與法蘭盤等內(nèi)部壓力增大，對(duì)水泵、管路造成沖擊，造成故障率增加。

傳統(tǒng)的揚(yáng)水泵站運(yùn)行時(shí)頻繁啟停水泵存在一定的安全隱患。揚(yáng)水泵站內(nèi)部載流體為水，造成泵房空氣濕度大，且因?yàn)楸梅慷嘟ㄖ诘叵禄蛘咻^為陰涼潮濕的區(qū)域，進(jìn)行操作控制時(shí)容易引起電機(jī)、電源漏電，甚至?xí)?dǎo)致電器損壞、火災(zāi)、人員觸電身亡等[1]。

1 水泵變頻改造

單級(jí)雙吸水泵有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的葉輪，可用于將水輸送到泵內(nèi)并排出，通過使用水泵，所有類型的液體可以進(jìn)行輸送。揚(yáng)水泵用于為周圍農(nóng)田灌溉渠道供水，其主要用途是從高程為1550m的前池中抽水通過水泵增壓進(jìn)入輸水管道，將水輸送至1580m的渠道中。在這種情況下，電子控制改變提供給電機(jī)的頻率和電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)泵的輸出。然而，并不是所有的水泵和應(yīng)用程序都將受益于變頻。對(duì)于高靜態(tài)揚(yáng)程的系統(tǒng)或在低流量條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的泵，不建議使用變頻器。進(jìn)一步需要考慮的是水泵的運(yùn)行環(huán)境以及變頻器及其數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境條件的相對(duì)靈敏度，例如，將昂貴的變頻器安裝在雷擊可能性較高的地方可能是不明智的。原則上，變頻器可安裝在任何水泵上；然而，這并不總是實(shí)用或劃算的。與常見的流量控制方法不同，在現(xiàn)有電機(jī)上改裝變頻器的優(yōu)點(diǎn)在于能更好地將系統(tǒng)所需的流體能量和水泵輸送給系統(tǒng)的能量互相匹配。

改變頻率從而降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以有效減輕節(jié)流流量，或允許水被泵得更慢，減少摩擦能量損失。軟啟動(dòng)和停止功能還可以減少機(jī)械和電氣應(yīng)力以及水錘的風(fēng)險(xiǎn)。變頻器以熱的形式造成損失；通常，它們的效率在95%到99%之間。有效提升調(diào)配系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，不會(huì)造成超調(diào)或振蕩的問題，從而提升揚(yáng)水泵站的供水質(zhì)量。

2 變頻器系統(tǒng)功能

圖1顯示了相對(duì)于液體循環(huán)系統(tǒng)的泵曲線。泵曲線描述揚(yáng)程相對(duì)于特定泵的流量特性。曲線顯示，在B點(diǎn)，如果該泵應(yīng)用于抬升水所需的大壓差系統(tǒng)，并克服流動(dòng)阻力，那么該泵將產(chǎn)生有限的流量。如果壓差減小，則該泵可以實(shí)現(xiàn)更大的流量——在A點(diǎn)，為了確定泵將沿著泵曲線運(yùn)行的位置，需要系統(tǒng)曲線提供的信息。系統(tǒng)曲線顯示了管道系統(tǒng)的特性。它顯示摩擦頭隨著流量增加。摩擦頭是由管道、閥門、彎頭和其他系統(tǒng)部件提供的流體阻力的度量[2]。

圖1 泵運(yùn)行曲線

在零流量時(shí)需要的水頭叫作靜水頭或升力。靜揚(yáng)程是指不管流量如何，水泵必須將水揚(yáng)起的高度。另一種方法是考慮克服重力所需要的功。泵與系統(tǒng)曲線的交點(diǎn)表示系統(tǒng)的自然工作點(diǎn)或設(shè)計(jì)工作點(diǎn)。此時(shí)泵壓力與系統(tǒng)損失相符。選擇交叉點(diǎn)通常是為了確保泵以或接近其最佳效率運(yùn)行。大多數(shù)的循環(huán)系統(tǒng)并不總是在設(shè)計(jì)條件下工作。帶有雙向控制閥的系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)閥門到不同的位置來改變流量。關(guān)閉閥門會(huì)減少流量，增加系統(tǒng)中的摩擦。需要注意的是，流量是在增加系統(tǒng)壓力下實(shí)現(xiàn)的。三通控制閥系統(tǒng)通過分流從泵出口到泵進(jìn)口來保持恒定的壓力。在保持良好流量的同時(shí)，也保持了泵的流量和能耗沒有節(jié)能。將一個(gè)變頻器應(yīng)用到泵上以降低速度和流量，導(dǎo)致泵曲線向下移動(dòng)。由于操作點(diǎn)仍然是新的泵曲線和系統(tǒng)曲線的減少，因此可以實(shí)現(xiàn)與閥門相同的流量減少。這種流動(dòng)是在減壓的情況下實(shí)現(xiàn)的。在較低的壓力下工作可以延長(zhǎng)泵的密封壽命，減少葉輪磨損，減少系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲[3]。

我們選取的高壓變頻裝置賣方配套提供自動(dòng)旁路柜，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)切換至工頻狀態(tài)，確保電機(jī)和水泵連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)對(duì)電機(jī)及水泵造成損壞。10kV自動(dòng)旁路柜滿足“五防”閉鎖要求。自動(dòng)旁路柜一次主回路如圖2所示。

圖2 自動(dòng)旁路柜一次主回路

3 節(jié)能應(yīng)用

在水泵上安裝變頻系統(tǒng)是一種有效的節(jié)能措施。有實(shí)驗(yàn)表明將感應(yīng)電機(jī)的速度降低20%，可以節(jié)省50%的能源。變頻器需要采集流速、流量等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)分析，再進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的供水調(diào)節(jié)。從這幾年的運(yùn)行效果來看變頻器往往是最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備，可以有效降低泵站運(yùn)行成本和能源單耗。尤其在農(nóng)業(yè)供水中，水泵無處不在，變頻器可以在某些應(yīng)用中使能源消耗減半，所節(jié)省的成本可以迅速覆蓋技術(shù)成本。根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和操作類型，節(jié)能效果會(huì)有很大的不同。典型的節(jié)省范圍是從30%到50%。變頻器需要連接控制信號(hào)，還需要安裝測(cè)量設(shè)備或控制器，電子控制改變提供給電機(jī)的頻率和電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)泵的輸出。這些通常都應(yīng)該包括在測(cè)量成本中。揚(yáng)水泵站設(shè)備從每年3月一直運(yùn)行至11月底，除給渠道周圍農(nóng)田供水外，還承擔(dān)周圍農(nóng)戶飲用水及畜牧的飲水任務(wù)，所以在電機(jī)上改裝變頻器，可以實(shí)現(xiàn)最大程度的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

電機(jī)改裝變頻器的主要好處如下。

（1）降低變頻器的速度（節(jié)約能源和成本），如果能將泵的速度降低20%，那么可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)30%的能源節(jié)約。

（2）變頻器可以幫助緩慢啟動(dòng)泵，以減少葉輪的磨損，減少“水錘”對(duì)水泵、管路與法蘭盤的壓力，防止爆管等安全事故的發(fā)生。

（3）變頻器可以降低水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，這將使任何止回閥順利關(guān)閉，有助于減少維護(hù)。

（4）變頻器加入自動(dòng)化系統(tǒng)中，一個(gè)內(nèi)置的DSP可控邏輯控制，可以用來保持一個(gè)設(shè)定的現(xiàn)場(chǎng)變量。例如，壓力、流量、液位等。然后，變頻器用于自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，使實(shí)際水量保持在所需水平。

（5）變頻器內(nèi)部移箱式變壓器增設(shè)一個(gè)可滿足高頻諧波電流抑制的DC端子，將端子的終端接口與通信端口進(jìn)行對(duì)接，可充分滿足在運(yùn)行過程中的EMC指令控制需要，有效降低諧波對(duì)電機(jī)的影響，提升電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（6）變頻器自帶旁路系統(tǒng)，在變頻運(yùn)行出現(xiàn)故障后會(huì)自動(dòng)切換，保證渠道水位不會(huì)大范圍變化。

4 水泵變頻常見故障維護(hù)

4.1 常見故障

水泵變頻器顯示正常，水泵不轉(zhuǎn)。出現(xiàn)這樣的問題有可能是定值設(shè)置問題，水泵的運(yùn)行定值設(shè)置低，已經(jīng)達(dá)到設(shè)定值；變頻器的故障，變頻器沒有輸出；信號(hào)傳送線路連接問題，變頻器到水泵之間的光電轉(zhuǎn)換器存在問題；水泵本身的故障問題。首先查看輸出電流，若是有電流輸出，電機(jī)不轉(zhuǎn)可能是電機(jī)問題。若沒有輸出電流，查看變頻器各個(gè)參數(shù)設(shè)置是否正確。

水泵噪聲大，水壓不穩(wěn)。水泵噪聲大是因?yàn)樗脝?dòng)前沒有排清里面的空氣，存在異物或者引起氣蝕，造成管道或者機(jī)械設(shè)備一同產(chǎn)生共振，從而引發(fā)聲響。先要檢查設(shè)備空氣是否渾濁、出口管路排氣是否順暢、有無雜物。水泵變頻器維修遇到噪聲問題，也要排查硬件設(shè)施、檢查供水設(shè)備水泵的硬件設(shè)施有無問題，比如軸承磨損是否嚴(yán)重。水壓不穩(wěn)的故障原因是變頻的參數(shù)設(shè)置異常，用戶可以嘗試重新設(shè)置系統(tǒng)的PID參數(shù)、調(diào)整變頻器DSP內(nèi)部參數(shù)、改變壓力變送器的安裝位置、查看液控閥門是否開到位置等[4-5]。

4.2 維護(hù)對(duì)策

4.2.1 維護(hù)重點(diǎn)

（1）檢查設(shè)備內(nèi)導(dǎo)電體、避雷器、電源轉(zhuǎn)換器等是否有腐蝕過熱的痕跡、變色或破損。

（2）檢查絕緣電阻是否在正常范圍內(nèi)。

（3）檢查冷卻風(fēng)扇是否運(yùn)行正常，轉(zhuǎn)動(dòng)方向是否正常，有異常情況應(yīng)及時(shí)更換。

（4）檢查端子排是否有損傷、發(fā)熱、損壞等情況，各個(gè)觸點(diǎn)、測(cè)點(diǎn)是否正常。

（5）變壓器投入運(yùn)行后，每6個(gè)月要進(jìn)行清掃一次，并進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量和耐壓試驗(yàn)。

4.2.2 定期檢查項(xiàng)目

（1）濾網(wǎng)的清洗更換。每?jī)芍芮謇硪淮喂耖T防塵濾網(wǎng)，保證冷卻風(fēng)路的通暢。如果環(huán)境灰塵污染嚴(yán)重，定期清理的時(shí)間還應(yīng)縮短。

（2）固定螺栓的緊固。每年春檢和秋檢期間，對(duì)所有螺栓進(jìn)行一次檢查，查看是否發(fā)生松動(dòng)或變色，若松動(dòng)則應(yīng)重新緊固，變色則需要更換。

（3）灰塵的清除。每?jī)芍茏笥覍?duì)變頻器柜內(nèi)部做一次清灰處理，檢查板卡是否松動(dòng)，風(fēng)扇是否能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。每6個(gè)月對(duì)變頻器進(jìn)行一次全面的清灰處理。高壓瓷瓶、絕緣子、控制器、電流互感器、隔離刀閘、避雷器等高壓設(shè)備也需定期檢查清灰。

（4）通風(fēng)散熱。夏季環(huán)境溫度較高時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)變頻器安裝場(chǎng)地的通風(fēng)，保證變頻器風(fēng)扇散熱條件良好，必要情況可以在變頻器室加裝空調(diào)。冬季天冷的時(shí)候，如果變頻器停機(jī)后恢復(fù)運(yùn)行，當(dāng)環(huán)境潮濕的情況下，應(yīng)先打開各控制電源，觀察變頻器有無告警異常，使其通風(fēng)半小時(shí)，以驅(qū)除變頻器內(nèi)部潮氣，然后再通高壓電投入運(yùn)行[6]。

（5）電解電容的激活。如果冬季停水期變頻器長(zhǎng)期停機(jī)，應(yīng)通高壓電一次，持續(xù)時(shí)間最少一小時(shí)，以防電解電容發(fā)生漏電流增加、耐壓降低、電解液干涸等劣化現(xiàn)象。注意備用模塊中的電解電容激活。

5 結(jié)論

在本次揚(yáng)水工程改造中，高壓變頻的使用是本次改造的一大亮點(diǎn)，對(duì)于變頻器的選型和使用滿足安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)可靠的要求，揚(yáng)水泵站必須引入更加智能、現(xiàn)代化的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供水的自動(dòng)調(diào)配，采用變頻調(diào)速的智能控制，在滿足用水用戶需求的同時(shí)，節(jié)省水資源運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用，同時(shí)還能夠在一定程度上減少故障發(fā)生率，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)揚(yáng)水泵站的全面自動(dòng)化控制，減少用于供水系統(tǒng)的維護(hù)成本。