张庆忠1， 管仁丽2，刘振2，孔娟2 （1.贵州开阳化工有限公司， 贵州开阳550306）（2.兖矿鲁南化肥厂， 山东滕州277527） 摘要 通过ZNR 系列智能高压变频器在化工行业D#空分循环水泵节能改造中的应用，介绍了变频调速系统的配置与工作原理，根据运行工况进行了节能分析，给出了控制器功能基本参数。 关键字 高压变频器；循环水泵；节能；应用 Abstract Keywords
1 循环水泵参数和工况
D#空分3台循环水泵的参数相同，水泵为济南奔腾泵业有限公司生产，型号为BTOW600-710型，额定转速970 r/min，效率85豫，供水量6 000 m3/h，扬程50 m。拖动循环水泵的3 台电动机为YKK5603-6 型，额定功率1 120 kW，额定电压6 kV，额定电流124.6 A，功率因数cos渍=0.87，额定转速992.2 r/min，F 级绝缘，绕组Y 接，由哈尔滨电机厂有限责任公司生产。
A#，B#，C#，D#，E# 5 台循环水泵采用闭式循环水系统，补给水经化学弱酸阳离子交换器处理后的软化水。循环水泵采用单元制供水系统，即每台机组配1 座冷却塔，1 条压力循环水管，1 条双孔自流水沟和1 台循环水泵。冷却水塔采用风筒式逆流自然通风冷却塔，通风筒为双曲线旋转壳。在循环供水系统中，是由循环水泵实现水资源的循环利用的。经热交换后的热水进入冷却设施进行冷却，使其水温降至允许值，然后又重复将冷却水输入冷却器而循环使用，由于系统水位基本上是稳定的，故循环水泵的扬程也基本稳定，而其容量按计算水量确定。循环水泵随机组长期连续运行，由于机组负荷经常变化，需要及时调整循环水流量，以保证机组的安全经济运行。在正常运行工况下，5台循环水泵运行3 台，另2 台循环水泵备用。
即使在同一负荷的情况下，不同的外部环境也使得循环水流量的需求不同。利用高压变频器根据实际需要对循环水泵进行调速控制，从而既保证和改善运行工艺，又可达到节能降耗的目的。
2 改造方案
过去，设备的选择都是按最大负荷情况来选型，在实际运行中设备留有较大的裕量，一般对冷却循环水的流量与压力的控制是通过将冷却循环水泵出，以入口管上的调节阀来进行调节的，这样就造成电动机运行效率较低，电能浪费。为降低企业生产成本，经过调研与比较，反复论证，决定选用上海卫能能源科技有限公司生产的ZNR系列智能高压变频变频器对D#空分A#，B#，C#三台循环水泵进行变频调速节能改造，以解决能源浪费问题。
ZNR-A6H 1250/06YA10型智能高压变频器，额定电压为6 kV，额定容量为1 250 kV·A，采用的电路是6级H桥级联拓扑方式，适配电机为异步电机，采用“一”字排列安装形式，控制程序版本为A10型。
D#空分循环水系统要求运行可靠性高，为了充分保证系统的可靠性，考虑到变频调速系统退出运行后不影响生产，确保循环水系统正常运行，结合实际运行状况，设计为变频器加装工频旁路装置，当变频器故障时，变频器退出运行，可将电机直接手动切换到工频电源，恢复到原有系统运行方式。
3 系统的配置与工作原理
ZNR 系列智能高压变频调速系统的主体结构采用“一”字布置，由旁路柜1面、变压器柜1 面、功率逆变柜和控制柜1 面、连接电缆1 套等组成，如图1所示。旁路柜中的工频旁路由2 个高压隔离开关K1、K2 组成，其中QF 为用户高压开关柜原有高压断路器。变频运行时，K1 和K2 闭合，切换K2 至变频运行位置；工频运行时，K1 和K2 闭合，切换K2至工频运行位置。当高压变频调速系统出现故障时，控制器自动跳开QF，操作打开K1，切换K2 至工频运行位置，可将电机转切至工频运行，此时变频调速系统从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。为了实现变频器故障的保护，高压变频器对6 kV 开关QF进行联锁，一旦变频器故障，变频器跳开QF，工频旁路时，变频器允许QF 合闸，撤消对QF 的跳闸信号，使电机能正常通过QF合闸工频启动。
ZNR系列智能高压变频调速系统具有强大的自动控制和通信功能，高压变频装置投运后，电机运行方式以变频运行为主，装置具备手动旁路功能，在变频装置出现故障后，可以旁路工频运行。
高压变频装置现场电控箱可以实现变频器的启动、停止，具有运行、停止指示，以及电机电流、电机转速显示，可以根据负荷情况调节现场电位器改变变频器输出频率以调节电机转速。工艺DCS控制室具有电机运行电流指示，运行状态显示，故障跳闸显示，并具有DCS 手操急停功能。高压变频装置本身具有功能完善的各项保护，电源断路器引入高压变频装置保护连锁，在变频装置不具备运行条件时电源断路器不能合闸，同时在高压变频装置故障跳闸后联跳电源断路器。循环水泵变频调速节能改造控制回路电气原理图如图2所示。
4 控制器功能基本参数
ZNR系列智能高压变频调速系统控制器功能基本参数如表1 所列。
5 改造前后运行情况及效果
本次只对5 台并联水泵中的3 台进行了改造，正常运行工况为3 台变频。由于季节及昼夜温度的差别使得变频系统的运行有着特殊性，管网总出口的压力取决于两台并联水泵各自的出口压力，从而决定了变频泵不可能在太低的频率下运行，否则会引起倒流或不出水的情况。另一方面，太低的频率会导致整体压力下降，达不到循环水系统总体的扬程要求，处于工频定速运行的水泵也易导致过流发生。根据以往的运行实践经验，在工频泵与变频泵同时运行的情况下，使变频泵最低的频率保持在38 Hz以上，在变频泵单独运行时，变频器可以根据需要在5耀45 Hz范围内调节（变频泵调节的频率必须满足水泵出口压力最低要求），这样可以满足运行需要，同时可对出水量进行连续的调节。
5.1 变频改造前后的节能计算
工频（50 Hz）运行时，输入电压6 kV，输入电流数据为：
3月27日14:30输入电流103.8 A；
3月27日21:35输入电流106.4 A；
3月28日08:00输入电流105.2 A；
3月28日21:00输入电流104.8 A；
3月29日06:25输入电流104.1 A；
工频运行时，平均电流I1=104.86 A，功率因数cos渍1=0.85。
变频运行时，输入电压6 kV，运行频率和输入电流数据为：
3 月27 日11:00 频率为41.55 Hz，输入电流为67.5A；
3 月27 日12:00 频率为41.55 Hz，输入电流为67.6A；
3 月27 日13:00 频率为41.55 Hz，输入电流为67.7A；
3 月27 日14:00 频率为41.55 Hz，输入电流为67.7A；
变频运行时，平均电流I2=67.63 A，功率因数cos渍2=0.98。
假如全年运行时间为330 天，可知变频改造后每年节省用电为（I1 cos渍1-I2cos渍2）伊6伊1.732伊24伊330=1 449 434 kW·h。
根据上网电价，每年节省电费为1 449 434kW·h伊0.5 元/kW·h=72.5万元。不到两年时间就可收回全部投资。变频运行时节电率达到40%。据统计设备运行频率在35 Hz就可以达到工艺所要求的出水压力，而在春冬秋三个季节，设备完全可以在35 Hz 下运行，故节电率可达到50%左右。
5.2 其他效益分析
首先，电源侧功率因数提高。原电机直接由工频驱动时，功率因数为0.8耀0.86，采用高压变频调速系统后，电源侧的功率因数可提高到0.95 以上，可减少大量无功功率，进一步节约了上游设备的运行费用。其次，循环水泵采用变频调速后，由于通过降低电机水泵转速实现节能，电机、水泵转速降低，管网压力降低，辅助设备如轴承、阀门等磨损大大减轻，设备运行与维护费用下降，维护周期可加长，设备运行寿命延长。另外，采用高压变频调速后，电机实现了软启动，启动电流不超过电机额定电流的1.2 倍，避免了全压启动对电网和电动机的冲击，降低了电动机的故障率，延长了电动机使用寿命，维护周期增长，电机检修费用也大幅降低。
6 结语
设备改造工程于2008 年11 月完成，高压变频器一次试车成功，运行正常，运行频率在40 Hz左右，保证了循环水的正常温度，取得了明显的节电效果，并获得很好的经济效益和社会效益，为高压电机的节能改造积累了丰富的经验。
作者简介：
张庆忠（1973-），男，山东济宁人，电气工程师，主要从事化工电气设备的技术管理工作。
参考文献：
[1] 方大千主编. 节能计算手册[M].北京：电力工业出版社，2006.
[2] 上海卫能能源科技有限公司.ZNR系列智能高压变频器安装使用说明书[Z].
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