高压变频器在除磷泵上的应用

　　一.引言

　　福建省三钢(集团)有限责任公司前身为福建省三明钢铁厂，建于1958年。2000年4月，经福建省人民政府批准改制设立福建省三钢(集团)有限责任公司。历经50多年的发展，三钢集团已形成年产钢500万吨以上规模和以钢铁业为主、集多元产业并举的跨行业、跨地区、跨所有制的大型企业集团，是福建省最大的钢铁生产基地和化肥生产基地。

　　二.设备工艺及变频调速系统

　　高压除磷泵站是为粗除磷供给高压水，其作用是用高压水除去板坯表面的氧化铁皮，提髙成品板带的表面质量。采用调节阀门的大小进行调节供水量，过去根据供水的高低峰进行人为调节，并且调节精度不够，造成水资源和电能的浪费。因此，改进水泵的调节方式是降低水泵耗电量的最有效途径。采用高压变频调速系统恒压供水，节能效果显著。

　　图除磷泵现场工艺

　　现场高压除磷泵站共2台泵，一用一备。电机额定电压：10KV;额定电流：185A;额定转速：2982r/min;功率因数：0.9;额定功率：3000KW。采用Harvest-VA10/180型号变频器。

　　1.改造前系统存在的问题：

　　1.1该机组属于小流量，大压力工作机组，电机工频运行，不喷水时压力过高，造成能源浪费。

　　1.2由于流量和压力的不能调节，使水泵不能运行在最佳工况点，管网阻力曲线发生变化，泵的扬程损失较大，电机的能耗浪费较大，设备运行不经济。

　　1.3电机在工频电网下依托电网容量软启动。大容量的高压电机软启动会产生巨大的冲击电流与冲击转矩，巨大的冲击电流能够造成定子绕组绝缘的机械损伤和磨损，从而导致定子绝缘绕组击穿。直接启动时的冲击电流还会引起铁芯振动，引起电机发热，电机的损耗增加。

　　1.4原高压电机以工频电源驱动时，电机定速运行，不仅浪费能源，而且会产生“憋泵”现象，对管网造成巨大的危害，无形中增加了维修维护的费用。.

　　2、高压变频在此系统上的应用

　　除磷泵采用Harvest-VA系列高压变频调速系统，其基本原理：采用单元串联多电平技术，属于高-高电压源型变频器。变频器主要由移相变压器、功率单元和控制器组成：

　　移相变压器：电网电压经过干式移相变压器降压后给变频器功率单元供电，变压器采用移相多重化设计，以达到降低输入谐波电流的目的。

　　功率柜：功率柜为三组输入、单组输出的交一直一交电压源型逆变器结构，功率单元通过整流、逆变过程实现对驱动电机供电电源的频率调节。变频器采用8个独立功率单元串联的方式来实现高压输出。有利于改善输出波形，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机，不需要辅出滤波器。

　　控制器：控制器是变频器的控制中心，它完成变频器频率调节的全过程控制、变频器电气保护功能实现、以及变频器的人机交互与通讯接口功能实现。

　　图高压变频调速系统外形图

　　图变频器的功率单元示意图

　　三.除磷系统改造的实施

　　1.技术原理

　　除磷系统使用的是高压离心泵，空转时电能消耗较大，一般除磷工作时间只占40~50%，因此如果让高压离心泵在整个生产周期中都工作，其大部分时间都会处于空转状态，有较多的的电能被浪费掉。采用髙压变频调速控制除磷水泵转速，即根据除磷系统蓄能器液位(或压力)调节高压离心泵的转速，当蓄能器液位达到上工作液位或压力达到上限时，离心泵降速运行;当蓄能器液位达到下工作液位压力达到下限时，离心泵升速运行，达到稳定控制输出压力，保证输出流量，并达到节能的效果，这是带钢高压除磷系统最佳的节能控制模式。

　　2.性能指标

　　2.1以多点不间断连续测控实时参数为依据的恒压闭环运行控制方式，实际压力信号来自于现场信号，变频器通过调节速度，使实际压力逼近压力设置值，以保证系统的压力恒定。

　　2.2避免高压水除磷系统突然泄压和突然增压。

　　2.3变频器上下限频率的设定，一定要确保的出水输出压力能达到工艺要求的除磷压力。

　　四.冷却系统

　　高压变频器对运行环境温度通常要求在0～40℃，环境粉尘含量低于950ppm。过高的温度会造成变频器温度过热保护而跳闸，粉尘含量过高导致变频器通风滤网更换清洗维护量过高，增加维护费用。三钢中板厂采用BLH-CK系列空-水冷却系统。该系统从根本上解决了单位散热密度高、功率大，有效提高系统安全可靠性、降低运营成本的问题。

　　其主要原理是：将变频器的热风通过风道直接通过空冷装置进行热交换，由冷却水直接将变频器散失的热量带走;经过降温的冷风排回至室内。空冷装置内通过冷水温度低于33℃，即可以保证热风经过散热片后，将变频器室内的环境温度控制在40℃以下满足变频器对环境运行的要求。从而，保证了变频器室内良好的运行环境。冷却水与循环风完全分离，水管线在变频室外与高压设备明确分离，确保高压设备室不会受到漏水、绝缘破坏等安全威胁和事故。

　　同时，由于房间密闭，变频器利用室内的循环风进行设备冷却，具有粉尘度低，维护量小的特点;减少了环境对变频器功率柜、控制柜运行稳定性的不利影响。

　　图空-水冷却系统室内引出风道

　　图空-水冷却系统室外冷却器装置

　　五.节能效果

　　采用高压变频调速后取消了阀门调节，阀门全开，电机负荷随水泵负荷上下波动，节能一般在20%以上。由流体力学三定律可知，流量与转速成正比，扬程与转速平方成正比，功率与转速立方成正比，从理论上得出转速降10%的时候，会带来30%的功率下降，由于功率的大幅度下降，可获得显著的节电效果。

　　由于除磷泵的特殊性，现场运行频率低档为22HZ，高档为46HZ，设备投入运行时间较短，采集不到现场数据，理论上分析其节能效果最少能在25%。

　　六.总结

　　对该系统进行变频改造后会产生的一些其它影响总结如下几个方面：

　　(1)变频改造后，实现电机软启动，启动电流小于额定电流值，启动更平滑。

　　(2)系统效率得到提高，消除了阀门损失，取得节能效果。

　　(3)由于除磷泵采用转速调节后，工作特性改变，设备工况得到改善，延长设备使用寿命。

　　(4)除磷泵改变频后，由于变频器采用单元串联移相技术，因此在理论上可以消除41次以下谐波。由于实际制造工艺的限制，网侧电压谐波总含量可以控制在2%以内，电流谐波总含量小于4%。

　　(5)现场运行频率低档为22HZ，高档为46HZ，从低档到高档加速时间为8秒，完全满足工艺要求。

　　(6)该变频器为电压源型结构，功率因数可高达0.95。

　　三钢中板厂高压除磷系统的成功应用，为以后更大功率电机的应用提供了良好的应用经验，同时也证明了北京利德华福电气技术有限公司生产的高压变频调速系统在矢量控制等方面的技术成熟，满足现场工艺的特殊要求。