作者：天津市自来水集团有限公司 孙有春
摘要：本文通过理论与实践的结合，阐述了天津水司新开河水厂送水泵站十年前引进的ABB公司设计制造的设备的技术状况与缺陷，以及对其进行国产化技术改造的方案和工程实施的具体做法。
关键词：送水泵站、引进、技术设备、国产化、改造
一 引言
天津自来水集团公司新开河水厂在十年前进行二期建设时，曾利用日本政府OECF贷款，大规模地引进了国外技术与设备。十多年过去了，设备已进入老化期，计算机控制系统亦需要升级更新，自然引进技术与设备的改造工作提到日程上来了。2003年底我们进行了这方面的工作，本文仅就该泵站引进技术与设备国产化改造的方案和措施做一介绍。
二 天津水司新开河水厂送水二泵站现状：
新开河水厂是1983年天津市“引滦”工程配套建设的日产水100万吨能力的大型水厂。其中一期工程86年建成投产，日产水能力50万吨，采用的是国产化设备；二期工程95年建成投产，日产水能力50万吨，采用的大部分是引进国外的技术设备。其中二泵站具体引进的有：ABB公司的一套6KV开闭站配电设备，两套2KV GTO技术变频调速设备，两套6KV降压启动设备，两台2KV调速电机与两台6KV定速电机，电机功率均为1650KW。为实现计算机自动化控制，引进了ABB DCS System一套，包括硬件设备与软件程序以及相应的仪器仪表。此外还有西班牙Sulzer公司4台大型水泵，其流量是10800m3/h、扬程是45m，还有日本KUBOTA公司4套液压驱动多功能球阀，共同组成了二期加压送水泵站，并全部实现了计算机自动化监测与控制。
特别需要说明的是引进ABB公司的变频调速设备，是1992年世界领先技术的2KV电压等级的GTO可关断晶闸管逆变变频器，三电平、单桥、六脉波、SPWM技术。但两台逆变变压器的联结组别却分别是Ｙ／Δ－１１和Ｙ／Ｙ－１２两种组别，只有其并联在一个电源下时可成双桥并联１２脉波，方可获得很好的抑制基本谐波的效果。但为方便水泵调速调度工艺着想，实际安装却是一台调速水泵和一台定速水泵分别组合联结在两段电源母线上。即1#调速泵与３＃定速泵接在一个电力专用电源上；而２＃调速泵与４＃定速泵接在一个电力公用电源上。由于该产品没能按照ＧＢ中国标准制造，其电源电压适用范围是±５％Ｕｅ，但国内电网电压实际波动范围是≥±１０％Ｕｅ，又因为该产品采用的继电保护是ＳＰＡ系列高灵敏度智能综合保护装置，所以当欠电压或过电压时，保护相当严格和灵敏。所以Ｔ接在公共电源上的２＃调速泵和4#定速泵的电机开关经常保护跳闸。而T接在专用电源上的1#调速泵和3#定速泵的电机运行相对稳定。此其缺陷之一。
因为ABB公司在3#、4# 6KV定速电机的启动方式采用的是自耦变压器降压启动方式，但负载是恒转矩水泵负载，所以启动电流较大。但ABB公司制造的自耦变压器是按欧洲EN标准和IEC标准设计制造的，其设计裕量太小、绝缘强度较低，均低于GB中国国家标准。所以在95年3#、4#两台定速电机在带水试泵时该两台自耦变压器即先后被烧毁，后来两台自耦变压器是当时又重新绕制的。再后来3#水泵电机在99年的一次启动过程中，由于dv/dt较高，操作过电压较大，致使该自耦变压器再次烧毁。此其缺陷之二。
由于ABB计算机控制系统的硬件设备是其专用的ABB Masterpiece 200/1型主控站计算机和ABB Masterview830/1型操作计算机和专用CRT，其应用程序是用ABB Master系统专用的编程工具软件编写的，同时该硬件和软件是93年引进的产品，所以其通用性和兼容性几乎没有，自成系统无法和其他系统联接，并且自己无法开发升级换代。此其缺陷之三。
客观上讲，尽管其有上谈的三点缺陷，但ABB公司的计算机系统、高压配电设备、变频调速设备和水泵电机机组一直是稳定运行的。2002年因为二泵站ABB计算机系统需要与水厂Siemens WinCC计算机调度系统联网，同时ABB公司Master 系统专用的CRT已损坏报废需更新，无法找到同类产品。提出了ABB计算机系统升级改造、更换计算机后台设备为通用的开放型的硬件设备与软件平台。同时由于定速电机启动变压器烧毁需更新，进口同型号产品价格太昂贵，提出了原定购两台启动变压器改为购置一台高压变频器“一拖二”使用，联接3#、4#两台定速水泵电机，既可以变频调速、又可以做软启动使用。结合此次重大改造，同时解决ABB GTO变频器外接电源电压适用范围窄，调整1#、2#调速水泵变频器上口电源使其适合国内电源电压波动范围宽的问题。几方面的改造结合在一块，花一次钱同时解决几个问题，使得二泵站的计算机系统、调速系统和供电系统的整体技术水平就有了一个质的升华提高。
三 送水泵站引进设备改造方案概述
（一）6KV配电系统结线方式的改造
6KV配电系统结线方式的改造比较简单，原来的结线方式是：6KV电源是双回路进线，联络开关不投入、分列运行。一路来自35KV电站313线路的水厂专用电源，在二泵站6KVⅠ段馈出下接1#ABB GTO 2KV调速泵电机和3# ABB 6KV定速泵电机；另一路来自35KV电站314线路的社会公用电源，在二泵站6KVⅡ段馈出下接2#ABB GTO 2KV调速泵电机和4# ABB 6KV定速泵电机。此次6KV配电系统结线方式改造，就是将3#定速水泵电机馈线与2#调速水泵电机馈线对调，使得1#、2# ABB GTO变频调速装置上口电源接在313线路的水厂专用电源上，而3#、4# 6KV定速泵电机改为高压变频调速“一拖二”使用时，要求高压变频器的电源电压波动适用范围要拓宽，使其上口电源接在314线路的社会公用电源上。这样就解决了上述的缺陷之一的问题。
虽然6KV配电系统结线方式的改造比较简单，但是由此而引起的计算机Master系统的改造就显得复杂了。因为该泵站已经实现了对6KV高压断路器、2KV高压断路器、GTO变频器、电动机、KUBOTA多功能球阀及其液压控制系统的完全计算机自动化控制。如此的改造就要求将ABB Master系统原来的程序读懂、分解、删除、重编、调整，然后再空载与带载重新调试新编写的程序。可见程序软件改造的工程量与难度要远远超过6KV配电系统结线方式的改造。此工作一并并入ABB Master系统硬件与软件的统一升级改造工作之中。
（二） 定速水泵电机加装高压变频器“一拖二”调速使用的改造
二泵站在装的3#、4#2台6KV 1650KW的电机是ABB公司630M-10型水风冷式电机，其额定电流Ie=203A。因为负载为水泵其电机启动电流很大，所以必须采用降压或软启动方式。ABB公司原采用自耦变压器降压启动方式，是常规和可用的。只是其在设计制造时，遵循的是EN欧洲标准与IEC国际标准，电压波动范围窄。虽然ABB电气设备电压适用范围是≤±5%Ue，仍低于GB标准。实际上电网供电电压波动范围经常是±10%Ue，甚至还要超过此范围。故使该产品在实际电网供电的条件下，使用不久即烧毁报废了。若同型号更新肯定是错误的选择，其进口或国内制造报价均在120万元左右。针对此我们大胆地提出采购按装一台高压变频器“一拖二”使用。既可以做软启动又可以做水泵调速使用，使其适应水泵变扬程、变流量供水的调度方式，同时可以降低配水电耗，一举多得。经过反复的方案论证、技术性能/价格比，决定采用这种改造方案。
方案确定后的关键问题是高压变频器的选型确定。至目前为止作为中、高压变频调速产品制造技术的突破和实现商业化使用只不过15年的时间，虽有成熟的产品问世使用，但各家的技术路线却完全不同。目前国内外基本有如下几种类型：
（1），三电平、IGBT技术产品、多为单桥或双桥、6脉波或12脉波、PWM脉宽调制技术，目前可以作到3.3KV、4.16KV和6KV标准电压等级，要求配套电机最好是专用电机、一般电机也可以。由于其整流波形是6脉波或12脉波，存在5次或11次以上谐波，故其谐波污染较厉害、谐波电流较大，应考虑加装专用的谐波滤波器，同时功率因数不理想。
（2）三电平、IGCT技术产品、多为单桥或双桥、6脉波或12脉波、PWM脉宽调制技术，目前可以作到3.3KV、4.16KV和6KV标准电压等级，不要求专用电机、一般电机就可以。存在5次或11次以上谐波但抑制得好，有一定的谐波污染和谐波电流，不强调加装谐波滤波器与功率因数补偿装置。
（3）多电平、IGBT技术产品、通过移相变压器构成五桥以上的多桥电路并获得30以上脉波、PWM脉宽调制技术，直接作到6KV和10KV标准电压等级，不要求专用电机、一般电机就可以。由于其整流波形是30脉波以上，存在29次以上谐波，几乎无谐波污染，无须加装谐波滤波器和功率因数补偿装置。
（4）近两年还有一种直接串联IGBT元件构成高压变频器的技术产品,其直接输入与输出高压电源,电压可达6KV、10KV,作到直接输出变频高压电源用于电机调速。由于此种技术理论还待讨论、其产品商业化后的实际应用尚待考察，暂时不敢贸然承担风险使用。
上述四种高压变频调速技术产品进一步的技术原理、技术细节、技术参数指标等在此不做展开讨论，这里仅概要的介绍其基本技术上的差异。经论证比较后决定选用上述第三种技术：即多电平、几乎无谐波的IGBT技术产品。目前此种产品形成规模生产的有两家，一家是美国的ROBICON公司，另一家是中国的利德华福公司。两家产品的技术路线基本上是一致的、属于同一类型。但是在具体的技术细节、使用的标准、人机界面与适用的现场环境还是有很大差异的。考虑后者在电源电压波动适用范围较宽、人机界面全汉化、售后服务较方便，尤其是两者的商业报价竟然相差40%的差别，最后权衡技术性能/价格比后，决定选用北京利德华福公司的产品。确定采用其6KV、2000KVA、多电平、IGBT技术的5桥30脉波的变频器一台，“一拖二”使用。用来拖动新开河水厂二泵站3#与4#原6KV、1650KW的定速水泵电机。
本文关键字：送水 变频改造，变频技术 - 变频改造
