高压变频器在胜利油田供水公司耿井水厂给水泵中的应用

2  水厂设备概况
    胜利油田供水公司耿井水厂决定3#、4#机组采用变频调速改造，采用一拖二的形式，即高压变频器拖动3#、4#机组任一台，当其中一台机组运行到50Hz供水不足时，变频器把当前机组切换到电网工频运行，然后拖动另外一台机组变频运行。设备现场情况如图1示。3#、4#机组为同型号机组，其中3#机组电机和水泵的主要参数如下:
（1）水泵
型号   RDL500
额定流量  3000m3/h
额定扬程  49m
额定轴功率  550kW
额定效率  83%
额定转速  970r/min
（2）电机
型号   JSQ458-6
额定功率  550kW
额定电压  6kV
额定电流  64A
额定功率因数  0.89
额定转速  985r/min

图1  设备现场情况图

3  风光牌JD-BP37-550F高压变频器的功能介绍
    胜利油田供水公司耿井水厂决定选用我公司生产的风光牌JD-BP37-550F高压变频器一拖二控制系统对3#、4#水泵机组作调速改造。以下是对风光牌JD-BP37-550F高压变频器功能的一些介绍。
3.1  JD-BP37-550F高压变频器的主要性能指标
变频器功率  550kW
额定输出电流  68A
输入频率  45Hz到55Hz
额定输入电压  6kV
允许电压波动  ±20%
输入功率因数  ≥0.98
输出电压范围  0～6kV
变频器效率  ≥96%
输出频率范围  0～50Hz
过载能力  100%连续  160%连续1min  220%允许1.5s

4  JD-BP37-550F高压变频器主要技术性能
(1）高--高电压源型变频器，直接6kV输入，直接6kV输出，无须任何输出变压器或滤波器，适配于普通高压电动机，对电机、电缆绝缘无损害。
（2）输入功率因数高，电流谐波小，无须功率因数补偿、谐波抑制装置。
（3）单元电路模块化设计，维护简单，互换性好。
（4）输出阶梯正弦PWM波形。
（5）高压主回路与控制器之间为光纤连接，强弱电隔离，安全可靠。
（6）完善的故障检测，精确的故障保护及准确的定位显示和报警。
（7）内置PLC，易于改变控制逻辑关系，可灵活选择现场控制/远程控制，适应现场多变需求。
（8）采用载波移相控制技术，大大抑制了输出电压的谐波成分，保证输出波形是完美正弦波。
（9）控制电源与高压电相互独立，无高压可以检测变频器输出，便于现场调试以及培训操作人员，便于维护。
（10）采用准优化SPWM调制技术，电压利用率高。
（11）功率单元经24h高温老化、150％负载试验，可靠性高。
（12）中文Windows 操作界面，彩色液晶触摸屏操作。主界面如图2示。用户操作监控系统界面十分友好和完善，系统包括上位机（商用PC机）、下位机（工控机）、单片机。其中单片机给用户提供一个4位LED数码显示屏和一个12键的小键盘操作平台，可对变频器进行全部操作，包括参数设置和各种运行指令。工控机用触摸屏和通用键盘给用户提供操作平台，其功能更齐全，包括参数设定、功能设定、运行操作、运行数据打印、故障查询等等。上位机（商用PC机）放在总控室，可对多台变频器进行遥测、遥控。若只有一台变频器，上位机可省，或让客户自定。
（13）可接收和输出多路工业标准信号。
（14）可打印输出运行报表。     
4.1  特殊功能

图2  主界面图
    变频器除了以上基本功能以外,还具有如下特殊功能:
(1)阀门真空度检测
变频器在启动水泵以前,会自动判断真空度的值,如果没有真空度或没有达到要求,变频器会提供报警信号,并拒绝启动水泵。
(2)配置工频旁路
变频提供手动旁路开关,使水泵机组既可变频运行,又可工频运行。
(3)具有“本地”及“远程”两种工作方式
根据用户的需要,既可以在变频器旁开停操作及调节参数,也可在远程的控制室通过人机界面对水泵进行控制。
(4)具有阀门联动功能
在开泵和停泵的过程中,值班人员无需再对阀门进行任何操作,减轻了工人的劳动强度,实现开停泵的全部自动化。 
（5)“一拖二”控制功能
该系统一拖二控制具有手动和自动两种运行方式，并设置远程控制还是就地控制，旋转电机选择3#、4#，指示即为优先拖动目标。
●手动方式
    如果选择“手动转换”、“远程控制”，则按以下步骤操作。以优先选择3#泵为例，检测3#泵真空度是否满足要求。如果其真空度满足要求，按“转变频”按钮，相应电机的接触器吸合，变频器在人机界面上确认3#泵处于变频待机状态。可根据用户的需要开机运行，同时人机界面上的运行指示灯有灰色变为绿色，3#泵的电磁阀开关相应打开。
    变频器按给定压力自动调节频率，如果变频器频率升至50Hz后管网压力还是低，延时一段时间后，给出压力低，转工频报警，操作人员经检查管网压力确实低，并符合转工频的条件，则按“转工频”按钮，变频器将3#泵转至工频运行。
    然后操作人员检查确认4#泵是否可以启动，若可以启动，则按“转变频”按钮，变频器拖动4#泵变频运行。若不需要转工频，则只将“报警消音”按钮按下，消除报警。
当管网压力高时，变频器频率运行在下限频率40Hz（可调），延时一段时间后，给出压力高报警信号。
    操作人员经检查管网压力确实高，关闭3#泵，由4#泵变频运行维持恒压供水。
●自动方式
    在自动运行时，首先优先选择3#、4#泵，如果3#泵出现故障，则通过人机界面在线修改该水泵的状态，把3#泵设为故障状态，则系统启动时，自动不启动3#泵。以优先选择3#泵为例，如果3#泵正常，如果其真空度满足要求，则3#泵变频运行。同时，打开3#泵的电磁阀，通过压力变送器检测压力的大小，PLC经过PID运算，控制变频器的输出频率，从最低频率开始上升;如果管网压力低,变频器运行频率上升至50Hz，给出压力低，转工频报警;如果管网压力一直低于设定压力,延时一定时间后，将3#泵切换到工频运行，再启动4#泵，直至满足供水需求。如果用水量减少，管网压力升高，则PLC控制变频器的输出频率，降低频率减少出水量，稳定管网压力。如果变频器的运行频率在下限频率40Hz(可调)，则系统压力高报警，同时PLC开始压力高计时，如果管网压力降低，则取消计时，如果管网压力一直高于设定压力，延时一定时间后，根据先投先停的原则，PLC将先关闭正在运行的投入时间最长的泵的电磁阀，再关闭该泵，直至维持管网压力达到设定值，这样依次类推。系统控制一拖二原理框图如图3所示。

图3  一拖二控制原理框图

图4  改造线路图
5  改造方案
胜利油田供水公司耿井水厂给水泵的改造方案主回路如图4所示。
KA0 变频器高压开关
KA1 、KA2 原3#和4#泵高压开关
KY1～KY4 高压真空接触器 
M1 3#水泵电机
M2 4#水泵电机
KY2不能和KY1或KY3同时吸合,KY3不能和KY4或KY2同时吸合。

6  项目实施情况
    2005年6月6日，胜利油田供水公司与山东新风光电子科技发展有限公司正式签定变频器的供货合同和技术协议。
    2005年8月6日，变频器运抵用户现场。
    2005年9月1日至5日，变频器本体安装。
    2005年9月6日，变频器空载调试。
    2005年9月7至9日，变频器带载运行调试。
    2005年9月10日至13日，变频器试运行。
    2005年9月14日，变频器正式交接、验收。

7  变频器运行情况
    从变频器投入运行的应用效果来看，完全达到了用户进行水泵变频改造的目的，较改造前其优越性体现于:
(1) 操作简便,易于观察
    变频器运行时的所有数据及运行状态在上位机显示屏都可显示,如运行频率,输入电压,输入电流,输出电压,输出电流,开闭环,压力值等。上位机显示屏操作简单明了，观察方便。
(2) 变频器运行稳定,性能良好
    风光牌JD-BP37-550F高压变频器投入运行以来,运行稳定,转速调节平滑可靠,电压和电流正常,没有出现异常现象。
(3) 减轻了值班人员的劳动强度
    由于变频器具有阀门联动功能,随着供水水量的变化, 值班人员在值班时通过微机远程监控系统进行操作,不再需要频繁地开停大小泵及阀门,工作量大大减小。
(4) 恒压控制
    采用压力恒压控制,用户只需根据实际供水需要设定所需压力，变频器自动恒压运行，压力设定方便，精确稳定，保证管网稳定运行，提高了供水质量。
(5) 降低了维护费用
    由于变频器对电机实现软启动，启动电流小，对水泵机组没有任何机械冲击，相应地延长了水泵、电机及阀门的使用寿命，大大降低了维护工作量和维护成本。
(6) 节电效果明显
    在胜利油田供水公司耿井水厂，目前采用多台水泵并联供水方式，水厂供水量采用阀门开度大小的方式进行调节，水厂改造前一般采用二到三台水泵工频并网向市区供水。用这种供水方式运行的2005年8月，千吨水耗电指标为140.6kWh，采用了变频器改造后，2005年10月，千吨水耗电指标为124.3kWh，综合电耗指标下降了11%左右。经过测算，不到两年即可收回成本。

8  结束语
    总之，山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37-550F高压大功率变频器在胜利油田供水公司耿井水厂的水泵调速改造中应用是成功的，它不仅满足了供水流量调节的需要，降低了供水成本,提高了供水水平,而且性能稳定，运行可靠，可以在类似的应用场合全面推广应用。

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