引言
中鋁廣西分公司供水車間擔(dān)任著中鋁廣西分公司廠區(qū)及生活區(qū)的供水任務(wù)，設(shè)計(jì)供水量為1400m3/h。其送水泵房共有4臺(tái)水泵機(jī)組，均為6kV/355kW，采用工頻運(yùn)行方式。但由于絕大部分時(shí)間的實(shí)際需求輸水總量為1100m3/h，所以只能依靠調(diào)節(jié)出口閥開度及頻繁開停泵來調(diào)節(jié)流量，以保證生產(chǎn)廠的處理平衡的需求。這不但操作麻煩、難以控制，而且能源浪費(fèi)大。為了資源的合理利用和能源的節(jié)約，保證輸水管網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，廠方經(jīng)過經(jīng)濟(jì)及技術(shù)評估，決定選用深圳市庫馬克新技術(shù)股份有限公司公司制造的ES9000-0450-06K高壓變頻調(diào)速裝置對送水泵房的2臺(tái)水泵機(jī)組進(jìn)行變頻改造，并于2010年9月投入使用。實(shí)踐證明，將近2個(gè)多月時(shí)間的運(yùn)用高壓變頻調(diào)速裝置，加壓水泵明顯降低了能耗，提高了工作效率。
一、 變頻器節(jié)能的理論依據(jù)
中鋁廣西分公司廠區(qū)和生活區(qū)的用水量是不均勻的，這是由于氣候和人們生活以及生產(chǎn)規(guī)律所決定的，由于流量的變化從而影響到管網(wǎng)水頭損失的變化。水泵站的裝機(jī)是按最不利條件下、最大時(shí)流量和所需相應(yīng)揚(yáng)程決定的。而實(shí)際上每天內(nèi)只有很短時(shí)間能達(dá)到最大時(shí)流量，大多數(shù)時(shí)間里，水泵站都處在小流量下工作。為了適應(yīng)流量的變化，先前泵站在運(yùn)行中多采取關(guān)小出口閘門的辦法來控制流量，從而造成出口閘門前后的壓力差值(少則多米，多則幾十米)就白白地浪費(fèi)于閘門阻力上。當(dāng)水泵臺(tái)數(shù)足夠多時(shí)，是可以很好地適應(yīng)水量變化的，但是水泵型號是有限的。裝機(jī)臺(tái)數(shù)過多，不僅管理不便，而且會(huì)無謂地增大建筑面積，提高工程造價(jià)，即使這樣，也無法做到完全適應(yīng)水量變化，還需要用閘門來調(diào)節(jié)水量。為此，采用水泵機(jī)組高壓變頻調(diào)速技術(shù)，可連續(xù)地改變水泵轉(zhuǎn)數(shù)，來變更水泵工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)于管網(wǎng)用水量的變化，從而提高機(jī)組效率，維持管網(wǎng)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能的效果。我們從水泵調(diào)節(jié)原理得知，當(dāng)水泵拖動(dòng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，出力為額定值，轉(zhuǎn)速及功率亦為額定值；當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，可以按需要升降電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數(shù)滿足工藝要求。根據(jù)水泵的相似定律，變速前后流量、揚(yáng)程、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：
ES9000系列高壓變頻器采用的是單元串聯(lián)多電平技術(shù)方案。其以低壓IGBT為功率器件，通過逆變橋的串聯(lián)形成高壓。使用單元串聯(lián)多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以直接使用成熟的低壓變頻器技術(shù)方案，具有對電網(wǎng)諧波污染小，輸出波形多電平，正弦度高，適配普通國產(chǎn)異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。該類型產(chǎn)品，輸出電壓可以直接到6kV或10kV，輸出不需要加裝升壓變壓器及濾波電抗器，結(jié)構(gòu)簡單。
根據(jù)實(shí)際情況，確定采用一拖二的方案：選擇1、2號泵為可調(diào)速水泵，正常運(yùn)行時(shí)其中任一臺(tái)運(yùn)行于調(diào)速狀態(tài)，而另一臺(tái)泵作為備用。兩臺(tái)泵運(yùn)行狀態(tài)的切換采用手動(dòng)方式，并要求兩臺(tái)泵不能同時(shí)投入變頻狀態(tài)，對此要求，在設(shè)計(jì)切換柜時(shí)特別設(shè)計(jì)了機(jī)械聯(lián)鎖裝置。開環(huán)或閉環(huán)自動(dòng)恒壓供水。
系統(tǒng)單線圖如圖1所示：
四、 恒壓供水系統(tǒng)原理及PID調(diào)整
PID閉環(huán)控制的工作原理如圖2所示，測量元件為壓力傳感器，將它設(shè)在水泵機(jī)組出水口，Vi為恒定供水壓力設(shè)定值，供水壓力V作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器內(nèi)部的PLC采集供水壓力值V與用戶給定值Vi進(jìn)行比較和運(yùn)算，通過PID進(jìn)行調(diào)整，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號送至變頻器，直至達(dá)到供水壓力的給定值Vi。不管系統(tǒng)供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。
1、在PID控制中，比例增益P加大，會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，P偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長。當(dāng)P太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。若P太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢；
2、積分I的作用主要是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。但過強(qiáng)的積分作用使供水系統(tǒng)超調(diào)加大。所以在調(diào)節(jié)過程初期，應(yīng)減弱積分作用，防止產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象；而到過程后期，應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)積分作用，以提高控制精度。
3、微分D的作用主要是改善供水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。增大微分時(shí)間，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但抑制外擾能力下降。所以微分時(shí)間常數(shù)應(yīng)該在供水系統(tǒng)控制要求的前提下而隨機(jī)改變。即在調(diào)節(jié)過程初期，應(yīng)加大微分的作用，以減小超調(diào)；在調(diào)節(jié)過程中、后期，應(yīng)不斷減小微分時(shí)間，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)還可以縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。
泵站變頻器在運(yùn)行初期，供水系統(tǒng)采用恒壓閉環(huán)控制，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)運(yùn)行頻率曲線呈鋸齒波，上下波動(dòng)幅度較大，因此對PID系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。通過幾次逐步調(diào)整，現(xiàn)運(yùn)行曲線較為平緩，波動(dòng)幅度相當(dāng)小。變頻器根據(jù)偏差相應(yīng)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)離目標(biāo)參數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)幅度加快，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，維持供水系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定狀態(tài)。
五、應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能效果
進(jìn)行變頻改造前電機(jī)的平均工作電流為43A，改造后平均為34A。
改造前電機(jī)的平均有功功率：
P1＝ UIcosφ＝ ×6×43×0.8＝357.5kW
改造后為：
P2＝ UIcosφ＝ ×6×32×0.9＝299.3kW
節(jié)約的有功功率：△P＝P1－P2＝58.2 kW
根據(jù)工業(yè)用電價(jià)格為0.50元/kW•h，變頻器一年內(nèi)的運(yùn)行工作日為300天，則一年可節(jié)約電費(fèi)：0.50×300×24×58.2＝20.95萬元，通過3年的運(yùn)行，可基本回收投資。
六、應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)生產(chǎn)的其他效果
1、改善了工藝。在實(shí)際生產(chǎn)操作過程中，泵的參數(shù)（尤其是流量）需時(shí)常調(diào)整，不僅需要調(diào)節(jié)參數(shù)，而且備用設(shè)備需時(shí)常切換。根據(jù)工藝的變動(dòng)，工藝參數(shù)又主要通過調(diào)節(jié)出口閥來控制，人工關(guān)小或開大閥門不僅費(fèi)事，速度慢，也縮短閥門的壽命（填料及閥桿的磨損）采用變頻調(diào)速就不用調(diào)節(jié)出口閥，只需要控制室內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可。變頻啟動(dòng)轉(zhuǎn)速可以從零開始逐漸升高，因此帶負(fù)荷直接啟動(dòng)不會(huì)有較大的啟動(dòng)電流，避免了通常泵組首先關(guān)閉出口閥后再啟動(dòng)的要求（無載啟動(dòng)是為了降低啟動(dòng)電流，保護(hù)電機(jī)）。
2、維護(hù)量減少。采用變頻調(diào)速后，可能避免因通過閥門控制使泵過多偏離額定工作區(qū)而引起的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起懸臂泵軸頭斷裂。通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了降低泵的轉(zhuǎn)速。由于啟動(dòng)緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長了許多零部件，特別是密封、軸承的壽命。
3、工作強(qiáng)度降低。由于調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備間實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制，機(jī)組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報(bào)警，操作工作由動(dòng)手轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運(yùn)營提供了可靠保證。
4、減少了對電網(wǎng)的沖擊。采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流只是額定電流，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了啟動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對電機(jī)機(jī)械損傷，有效的延長了電機(jī)的使用壽命。
