高压变频器在扬水泵站改造中的节能应用

宋磊

宁夏回族自治区固海扬水管理处，宁夏中宁，755100

0 引言

本次改造的扬水泵站是黄河扬水泵站，共计13级，该泵站是第12级扬水泵站，共设计6台单级双吸泵，两机一管，每台设计流量为1.06m3/s，设计扬程为34.7m，配套设计6台560kW的电动机，改造前全站最大运行流量为2.4m3/s，改造后设计流量增加到4.8m3/s，实际净扬程为31.5m，其中1#和5#机组配置高压变频系统（带旁路），可以用于调节系统供水量和渠道内流速，提升自动化水平，有利于全站的节能降耗。

在实际运行过程中，如果前池水位下降过快，吸水口易漏出水面而吸入空气，从而导致水泵震动加剧，损坏传动轴。如果渠道水位过高又会增加渠道两边堤坝压力，对两侧农户住房及周边农田产生危害。这就要求泵站在正常运行的前提下，能有效调节扬水水量，调节渠道流速，减轻渠道渡槽压力。传统水泵启动时，启动压力过大，容易出现“水锤”效应，水泵、管路与法兰盘等内部压力增大，对水泵、管路造成冲击，造成故障率增加。

传统的扬水泵站运行时频繁启停水泵存在一定的安全隐患。扬水泵站内部载流体为水，造成泵房空气湿度大，且因为泵房多建筑在地下或者较为阴凉潮湿的区域，进行操作控制时容易引起电机、电源漏电，甚至会导致电器损坏、火灾、人员触电身亡等[1]。

1 水泵变频改造

单级双吸水泵有一个旋转的叶轮，可用于将水输送到泵内并排出，通过使用水泵，所有类型的液体可以进行输送。扬水泵用于为周围农田灌溉渠道供水，其主要用途是从高程为1550m的前池中抽水通过水泵增压进入输水管道，将水输送至1580m的渠道中。在这种情况下，电子控制改变提供给电机的频率和电压，从而调节电机的速度，进而调节泵的输出。然而，并不是所有的水泵和应用程序都将受益于变频。对于高静态扬程的系统或在低流量条件下长时间运行的泵，不建议使用变频器。进一步需要考虑的是水泵的运行环境以及变频器及其数字控制系统对环境条件的相对灵敏度，例如，将昂贵的变频器安装在雷击可能性较高的地方可能是不明智的。原则上，变频器可安装在任何水泵上；然而，这并不总是实用或划算的。与常见的流量控制方法不同，在现有电机上改装变频器的优点在于能更好地将系统所需的流体能量和水泵输送给系统的能量互相匹配。

改变频率从而降低电动机转速，可以有效减轻节流流量，或允许水被泵得更慢，减少摩擦能量损失。软启动和停止功能还可以减少机械和电气应力以及水锤的风险。变频器以热的形式造成损失；通常，它们的效率在95%到99%之间。有效提升调配系统的运行稳定性，不会造成超调或振荡的问题，从而提升扬水泵站的供水质量。

2 变频器系统功能

图1显示了相对于液体循环系统的泵曲线。泵曲线描述扬程相对于特定泵的流量特性。曲线显示，在B点，如果该泵应用于抬升水所需的大压差系统，并克服流动阻力，那么该泵将产生有限的流量。如果压差减小，则该泵可以实现更大的流量——在A点，为了确定泵将沿着泵曲线运行的位置，需要系统曲线提供的信息。系统曲线显示了管道系统的特性。它显示摩擦头随着流量增加。摩擦头是由管道、阀门、弯头和其他系统部件提供的流体阻力的度量[2]。

图1 泵运行曲线

在零流量时需要的水头叫作静水头或升力。静扬程是指不管流量如何，水泵必须将水扬起的高度。另一种方法是考虑克服重力所需要的功。泵与系统曲线的交点表示系统的自然工作点或设计工作点。此时泵压力与系统损失相符。选择交叉点通常是为了确保泵以或接近其最佳效率运行。大多数的循环系统并不总是在设计条件下工作。带有双向控制阀的系统通过调节阀门到不同的位置来改变流量。关闭阀门会减少流量，增加系统中的摩擦。需要注意的是，流量是在增加系统压力下实现的。三通控制阀系统通过分流从泵出口到泵进口来保持恒定的压力。在保持良好流量的同时，也保持了泵的流量和能耗没有节能。将一个变频器应用到泵上以降低速度和流量，导致泵曲线向下移动。由于操作点仍然是新的泵曲线和系统曲线的减少，因此可以实现与阀门相同的流量减少。这种流动是在减压的情况下实现的。在较低的压力下工作可以延长泵的密封寿命，减少叶轮磨损，减少系统振动和噪声[3]。

我们选取的高压变频装置卖方配套提供自动旁路柜，当变频器出现故障时自动切换至工频状态，确保电机和水泵连续、稳定运行，不会对电机及水泵造成损坏。10kV自动旁路柜满足“五防”闭锁要求。自动旁路柜一次主回路如图2所示。

图2 自动旁路柜一次主回路

3 节能应用

在水泵上安装变频系统是一种有效的节能措施。有实验表明将感应电机的速度降低20%，可以节省50%的能源。变频器需要采集流速、流量等系统数据，进行系统分析，再进行频率调节从而达到整个系统的供水调节。从这几年的运行效果来看变频器往往是最经济的设备，可以有效降低泵站运行成本和能源单耗。尤其在农业供水中，水泵无处不在，变频器可以在某些应用中使能源消耗减半，所节省的成本可以迅速覆盖技术成本。根据系统的特点和操作类型，节能效果会有很大的不同。典型的节省范围是从30%到50%。变频器需要连接控制信号，还需要安装测量设备或控制器，电子控制改变提供给电机的频率和电压，从而调节电机的速度，进而调节泵的输出。这些通常都应该包括在测量成本中。扬水泵站设备从每年3月一直运行至11月底，除给渠道周围农田供水外，还承担周围农户饮用水及畜牧的饮水任务，所以在电机上改装变频器，可以实现最大程度的经济运行。

电机改装变频器的主要好处如下。

（1）降低变频器的速度（节约能源和成本），如果能将泵的速度降低20%，那么可以实现高达30%的能源节约。

（2）变频器可以帮助缓慢启动泵，以减少叶轮的磨损，减少“水锤”对水泵、管路与法兰盘的压力，防止爆管等安全事故的发生。

（3）变频器可以降低水泵的运转速度，这将使任何止回阀顺利关闭，有助于减少维护。

（4）变频器加入自动化系统中，一个内置的DSP可控逻辑控制，可以用来保持一个设定的现场变量。例如，压力、流量、液位等。然后，变频器用于自动调节电机的速度，使实际水量保持在所需水平。

（5）变频器内部移箱式变压器增设一个可满足高频谐波电流抑制的DC端子，将端子的终端接口与通信端口进行对接，可充分满足在运行过程中的EMC指令控制需要，有效降低谐波对电机的影响，提升电机运行的稳定性。

（6）变频器自带旁路系统，在变频运行出现故障后会自动切换，保证渠道水位不会大范围变化。

4 水泵变频常见故障维护

4.1 常见故障

水泵变频器显示正常，水泵不转。出现这样的问题有可能是定值设置问题，水泵的运行定值设置低，已经达到设定值；变频器的故障，变频器没有输出；信号传送线路连接问题，变频器到水泵之间的光电转换器存在问题；水泵本身的故障问题。首先查看输出电流，若是有电流输出，电机不转可能是电机问题。若没有输出电流，查看变频器各个参数设置是否正确。

水泵噪声大，水压不稳。水泵噪声大是因为水泵启动前没有排清里面的空气，存在异物或者引起气蚀，造成管道或者机械设备一同产生共振，从而引发声响。先要检查设备空气是否浑浊、出口管路排气是否顺畅、有无杂物。水泵变频器维修遇到噪声问题，也要排查硬件设施、检查供水设备水泵的硬件设施有无问题，比如轴承磨损是否严重。水压不稳的故障原因是变频的参数设置异常，用户可以尝试重新设置系统的PID参数、调整变频器DSP内部参数、改变压力变送器的安装位置、查看液控阀门是否开到位置等[4-5]。

4.2 维护对策

4.2.1 维护重点

（1）检查设备内导电体、避雷器、电源转换器等是否有腐蚀过热的痕迹、变色或破损。

（2）检查绝缘电阻是否在正常范围内。

（3）检查冷却风扇是否运行正常，转动方向是否正常，有异常情况应及时更换。

（4）检查端子排是否有损伤、发热、损坏等情况，各个触点、测点是否正常。

（5）变压器投入运行后，每6个月要进行清扫一次，并进行绝缘电阻测量和耐压试验。

4.2.2 定期检查项目

（1）滤网的清洗更换。每两周清理一次柜门防尘滤网，保证冷却风路的通畅。如果环境灰尘污染严重，定期清理的时间还应缩短。

（2）固定螺栓的紧固。每年春检和秋检期间，对所有螺栓进行一次检查，查看是否发生松动或变色，若松动则应重新紧固，变色则需要更换。

（3）灰尘的清除。每两周左右对变频器柜内部做一次清灰处理，检查板卡是否松动，风扇是否能灵活转动。每6个月对变频器进行一次全面的清灰处理。高压瓷瓶、绝缘子、控制器、电流互感器、隔离刀闸、避雷器等高压设备也需定期检查清灰。

（4）通风散热。夏季环境温度较高时，应加强变频器安装场地的通风，保证变频器风扇散热条件良好，必要情况可以在变频器室加装空调。冬季天冷的时候，如果变频器停机后恢复运行，当环境潮湿的情况下，应先打开各控制电源，观察变频器有无告警异常，使其通风半小时，以驱除变频器内部潮气，然后再通高压电投入运行[6]。

（5）电解电容的激活。如果冬季停水期变频器长期停机，应通高压电一次，持续时间最少一小时，以防电解电容发生漏电流增加、耐压降低、电解液干涸等劣化现象。注意备用模块中的电解电容激活。

5 结论

在本次扬水工程改造中，高压变频的使用是本次改造的一大亮点，对于变频器的选型和使用满足安全、稳定和经济可靠的要求，扬水泵站必须引入更加智能、现代化的综合自动化系统，实现对供水的自动调配，采用变频调速的智能控制，在满足用水用户需求的同时，节省水资源运输的费用，同时还能够在一定程度上减少故障发生率，进一步实现扬水泵站的全面自动化控制，减少用于供水系统的维护成本。