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英威腾高压变频器在俄罗斯某自来水公司的应用
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  :本文介绍了英威腾高压变频器在俄罗斯某自来水公司运行情况,详细说明了现场工频运行工艺及变频改造后工艺改善情况及节能效果。

关键词:变频调速、恒压供水、节能

1 概述
     随着电力技术的发展,变频调速技术的日臻完善,以变频调速为核心的智能供水控制方式已经取代了以往多泵切换和阀门调节的供水方式。变频调速时,起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击。由于泵启动平稳,正常运行的平均转速降低,从而延长了泵和阀门等设备的使用寿命。同时可以消除起动和停机时的水锤效应。变频器以其稳定的性能、简单的操作方式、完善的功能,将使供水系统实现节电、节水、节省人力,最终达到高效率的运行目的。

2 现场工况
     俄罗斯某自来水公司共有三个供水站:1#供水泵站、2#供水泵站和3#供水泵站,主要是对加里宁格勒城市中三大区域供水。每个水站都有多台水泵,采用母管式供水,变频改造以前工频运行时,为满足各个区域的供水量和供水压力,依靠多台水泵的切换和阀门进行调节,每天水泵的启停次数较多,现场操作极为不便,水管压力难以维持恒定,由于水泵经常工频直接启动,冲击较大,所以水泵和轴承维修时间较多。2009年我公司技术人员到现场实际测试运行数据,根据现场运行参数,提出对每个供水站上一台变频器,利用变频器自带PID功能,对供水系统实行恒压供水方案。2010年,我公司对该自来水公司进行变频改造后,解决了现场经常启停水泵和压力波动较大的问题,操作方便,投入运行后系统节电效果显著。

3 恒压供水原理

实际工程中,应用最为广泛调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要技术之一。当被控对象结构和参数不能完全掌握,或不到精确数学模型时,控制理论其它技术难以采用时,系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。 
    1)比例(P)控制
      比例控制是一种最简单控制方式。其控制器输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存稳态误差。 
    
2)积分(I)控制

      积分控制中,控制器输出与输入误差信号积分成正比关系。对一个自动控制系统,进入稳态后存稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差或简称有差系统。消除稳态误差,控制器中必须引入积分项。积分项对误差取决于时间积分,时间增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会时间增加而加大,它推动控制器输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。,比例+积分(PI)控制器,可以使系统进入稳态后无稳态误差。
    3)微分(D)控制
       微分控制中,控制器输出与输入误差信号微分(即误差变化率)成正比关系。 自动控制系统克服误差调节过程中可能会出现振荡失稳。其原因是存有较大惯性组件(环节)或有滞后组件,具有抑制误差作用,其变化总是落后于误差变化。解决办法是使抑制误差作用变化超前,即误差接近零时,抑制误差作用就应该是零。这就是说,控制器中仅引入比例项往往是不够,比例项作用仅是放大误差幅值,而目前需要增加是微分项,它能预测误差变化趋势,这样,具有比例+微分控制器,就能够提前使抑制误差控制作用等于零,为负值,避免了被控量严重超调。对有较大惯性或滞后被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统调节过程中动态特性。

要想维持系统的的被控制量不变,在被控量位置安装了传感器作为反馈元件,将被控量信号反馈给控制器,控制器将反馈信号与给定信号比较,计算出调节量,控制被控对象,使被控制量始终保持在一定范围,其闭环控制示意图如下所示:

   

4、设备选型及系统配置

我公司技术人员根据现场设备的参数及工艺要求,结合我公司的高压变频器性能特点,为现场三个水泵站配置两台6kV/500kW和一台6kV/250kW高压变频器,其主要技术参数如下表所示:


序号

项目

参数1

参数2

1

变频器型号

CHH100-0500-06

CHH100-0250-06

2

额定容量

630kVA

315kVA

3

额定电压

6kV

6kV

4

额定电流

60A

30A

5

可配电机

500kW

250kW

6

数量

2

1

7

泵站名称

1#泵站、2#泵站

3#泵站

根据现场空间情况,三台CHH100系列高压变频器安装于同一变频器室,每台变频器分别对三个水泵站的一台电机进行变频调速,变频器安装及现场电机如下图所示:

  

CHH100系列高压变频器内置有PID功能,操作比较灵活,控制接口有多种方式,可以采用硬接线方式、也可以采用通讯方式,根据该工程现场的实际情况,选择了硬接线的方式,远程采用操作柱对变频器进行控制控制,系统闭环运行和开环运行可以通过控制面板进行选择,变频器控制界面及远程操作柱如下图所示:

  

根据现场水泵的特性及用户用水量变化的情况,结合CHH100系列高压变频器的功能特性,对现场变频器的PID相关参数设置如下表所示:


序号

功能码

功能定义

设置范围

设定值

1

P9.00

PID给定源选择

09

2

2

P9.01

键盘预置PID给定

0.0100.0

0

3

P9.02

PID反馈源选择

07

0

4

P9.03

PID输出特性选择

01

0

5

P9.04

比例增益(Kp

0.00100.00

10

6

P9.05

积分时间(Ti

0.0110.00

10

7

P9.06

微分时间(Td

0.0010.00

0

8

P9.07

采样周期(T

0.01100.00

0.1

9

P9.08

PID控制偏差极限

0.0100.0

0

10

P9.09

反馈断线检测值

0.0100.0%

0

11

P9.10

反馈断线检测时间

0.03600.0

1

12

P9.11

PID休眠唤醒值

0.0100.0

0

13

P9.12

PID开始休眠延时时间

0.03600.0

0

14

P0.11

加速时间1

03600.0

180

15

P0.12

减速时间1

03600.0

180

5 节能效果  

变频器于201045现场安装完成。根据现场的生产要求,变频器于48调试完成并投入运行,于411413对现场水泵节电测试,其测试数据如下:

11#供水站水泵:


运行方式

测试时间

电度表读(kWH

电度表比值

耗电(kWH

工频运行

2010.4.11   8:00

73714.5

12001

11160

2010.4.12   8:00

73723.8

12001

变频运行

2010.4.12   10:00

73724.1

12001

8400

2010.4.13   10:00

73731.1

12001

两天变频方式和工频方式的运行耗电情况,根据实际电度表的实际读数,对系统节电进行计算, 1#供水站变频改造后综合节电情况为:

每天节约电功率 = 11160 - 8400 kWH = 2760 kWH

节电率 = 11160 - 8400/21720 ×100% = 24.73%

22#供水站水泵:


运行方式

测试时间

电度表读(kWH

电度表比值

耗电(kWH

工频运行

2010.4.11   8:20

41514.7

12001

9360

2010.4.12   8:20

41521.5

12001

变频运行

2010.4.12   10:35

41521.9

12001

6840

2010.4.13   10:35

41527.6

12001

两天变频方式和工频方式的运行耗电情况,根据实际电度表的实际读数,对系统节电进行计算, 2#供水站变频改造后综合节电情况为:

每天节约电功率 = 9360 - 6840 kWH = 2520 kWH

节电率 = 9360 - 6840/9360 ×100% = 26.92%

33#供水站水泵:


运行方式

测试时间

电度表读(kWH

电度表比值

耗电(kWH

工频运行

2010.4.11   8:50

14873.8

12001

5280

2010.4.12   8:50

14878.2

12001

变频运行

2010.4.12   11:20

14878.4

12001

3720

2010.4.13   11:20

14881.5

12001

两天变频方式和工频方式的运行耗电情况,根据实际电度表的实际读数,对系统节电进行计算, 3#供水站变频改造后综合节电情况为:

每天节约电功率 = 5280 - 3720 kWH = 1560 kWH

节电率 = 5280 - 3720/5280  ×100% = 29.55%

6 变频调速优点  

变频器改造后,对整个控制工艺有较大改善,对生产成本也有一定的降低,综合考虑,变频改造具有以下几方面的优点:

  1 功率因数提高:原电机直接工频运行时,满载时功率因数为0.84左右。采用变频调速系统后,电源侧的功率因数可提高到0.95以上,无需无功补偿装置就能满足电网要求,可进一步节约上游设备运行费用。

2 系统节电显著:变频器改造后,在满足用户要求的前提下,设置相应的压力运行,减小了电机消耗的功率,根据实际测试,泵站水泵节电率达到24%以上;
     3 设备操作方便:变频改造后,设定压力后,操作简单、灵活,避免现场对多次对泵的启停,减少了对电机、水泵的冲击,同时可以进行远程监控。;

4母管压力恒定:通过远程给定压力,变频器自动调节输出频率维持恒定的压力,减小了母管压力的波动,防止工频启动对管网冲击、避免管网压力超限,提高了供水质量。

5)减少设备维修费用:变频器调速后,启动平缓,减少了对电机轴承的冲击,正常运行时,多数时间运行频率低于50Hz,减少机械系统的磨损,使设备的维修量减少,同时,也延长了设备的使用寿命。

 

参考文献:

【1】CHH100系列高压变频器说明书,深圳市英威腾电气股份有限公司,2007;

 

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