產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
信發鋁電氧化鋁循環水泵變頻改造
1前言
廣西信發鋁電有限公司是山東信發集團實施“走出去”戰略，在廣西百色靖西投資興建的一家集發電、礦山、氧化鋁、碳素、鋁深加工等產業于一體的現代化企業。集團總公司山東信發集團始建于1972年，現有總資產800余億元，廣西信發鋁電有限公司一期工程包括3×155MW發電機組、160萬噸氧化鋁、16萬噸電解鋁礦山的選礦、洗礦等輔助工程。
廣西信發鋁電有限公司氧化鋁（一期）的循環水系統配置4臺水泵，根據季節不同，氣溫差異開啟兩臺或三臺循環水泵，對氧化鋁有關生產設備進行冷卻。由于水泵機組密封、機組效率、季節性溫差等原因，往往是為了保證生產冷卻需要，通常存在循環水系統開兩臺流量不夠，開三臺流量過大的情況，夏季運行流量卻不足等現象，這就無法保證水泵機組的長期經濟穩定運行，無法實現循環泵的功耗跟生產負荷隨機調整，循環泵能耗居高不下。在保證生產冷卻的同時減少循環水浪費、節約電耗即循環水泵改造的目的。
為了降低循環水泵的用電，提高水泵的運行效率，在2011年廠技改項目中，信發鋁電公司氧化鋁廠領導決定在循環水泵上采用山東新風光電子科技發展有限公司生產的2套1120 kW /10kV高壓變頻器對1#～4#循環水泵進行調速改造。
2 改造設備現場參數
循環水泵主要負責分解槽的板式換熱和精液降溫，并為分解槽和立下軟水系統，真空泵系統提供用水。通過涼水換熱后的回水進行降溫重新利用。循環水工藝流程如圖1所示。
循環水泵房配置4臺完全相同的循環泵，根據生產需要添加或減少投入的水泵數量。設備詳細參數如表1、表2所示。
3循環水泵節能原理
根據水泵的壓力-流量特性曲線按照工藝要求實現變速變流量控制，是節電的有效方法。
按照電機學的基本原理，電機的轉速滿足如下的關系式：
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其中p為電機極對數，f為電機運行頻率，s為滑差。
從式（1）看出，電機的同步轉速正比于電機的運行頻率（），由于滑差s一般情況下比較小（0～0.05），電機的實際轉速約等于電機的同步轉速。從所以調節了電機的供電頻率，就能改變電機的實際轉速，進而控制水泵流量的大小。
水泵功率與轉速有下列三次方關系：
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其中P為水泵消耗功率，KP為功率常數，n為電動機拖動水泵的轉速。
由式（1）和式（2），得式（3）：
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根據式（3）可以計算出：當頻率從50Hz降至45Hz時，可節約水泵能耗27%左右。
更直觀的水泵工作曲線圖如圖2所示，泵的軸功率與流量和揚程有以下關系，P∝KQH，Q為流量，H為泵出口壓力。由于循環水泵受管道阻力影響較小，在出口壓力基本恒定的情況下，轉速降低，流量降低，使泵的輸出功率減小。這種情況下節能效益比恒壓供水要顯著得多。圖2中陰影部分為節能功率。
4 風光JD-BP38系列高壓變頻系統技術參數
山東新風光是國家高新技術企業，生產的風光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。
JD-BP38-1120F高壓變頻器技術參數如表3所示。
5變頻改造控制方案
變頻調速系統操作方面，有遠程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統的安全性能。通過目前氧化鋁廠已有的DCS對高壓變頻器運行狀態進行監控，通過遠控和本地對變頻器進行控制，遠控盒具有以下功能：開機、停機、急停、變頻運行指示、變頻停止指示、變頻故障、頻率指示及電流指示，并可在DCS上顯示變頻器的運行數據和當前狀態，實時監控系統運行。
為了保證循環水泵系統的可靠性，變頻器裝置具有工頻手動旁路裝置，當變頻器發生故障，停止運行時，在確認水泵及電機沒有故障的情況下，電機可以手動切換到工頻下運行，這樣可以保證循環泵的供水要求，提高了整個系統的安全穩定性。
循環水泵變頻系統具有如下特點：為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時，由于變頻器的控制電源和主電源沒有相位及同步要求，變頻器可以使用UPS繼續運行，不會停機；在現場速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉速繼續運行，維持機組的工況不變；變頻器配置單元旁路功能，在局部故障時，變頻器可將故障單元旁路，降額繼續運行，減少突然停機造成的損失，如果變頻器出現3個以上的故障單元，當前水泵可轉工頻運行，可保證生產不受影響。
6 變頻改造主回路介紹
氧化鋁循環水泵系統變頻改造采用1#、2#水泵共用一套高壓變頻器，3#、4#水泵共用一套高壓變頻器。高壓變頻器采用一拖二手動旁路方案，即配備兩臺高壓變頻器。以1#、2#水泵為例說明其控制思路，其一次系統接線圖路如圖3所示，通過切換高壓隔離開關把高壓變頻器切換到要運行的水泵上去。如圖所示高壓變頻器可以拖動1#給水泵電動機實現變頻運行，也可以通過切換拖動2#給水泵電動機實現變頻運行。兩側給水泵電動機均具備工頻旁路功能。
QF1和QF2分別為現場1#和2#循環水泵電源高壓斷路器；
QS11和QS21分別為1#、2#循環水泵電源高壓隔離開關；
QS12、QS22、QS13、QS23為變頻器旁路開關柜高壓隔離開關；
變頻器為風光JD-BP38系列高壓變頻器。
高壓變頻器控制電機為一拖二控制，旁路開關柜用于工/變頻切換。QS11和QS21為2個高壓隔離開關，變頻器運行時，要求QS11和QS21同時閉合。QS12閉合，QS22斷開，QS13斷開，1#水泵變頻運行；QS12斷開，QS13閉合1#水泵工頻運行；QS22閉合，QS12斷開，QS23斷開，2#水泵變頻運行；QS22斷開，QS23閉合，2#水泵工頻運行；其中，QS12與QS13、QS22實現電氣互鎖，QS22與QS23、QS12實現電氣互鎖；將控制柜“遠控/本控”開關打至“遠控”位置，將相應水泵斷路器“就地/遠方”開關打至“遠方”位置，可實現水泵的遠控操作。
7循環水泵電機變頻注意事項
（1）目前，1#、2#電機共用一臺變頻器，3#、4#電機共用一臺變頻器。
（2）每次起泵、倒泵前電話通知電氣值班人員電話、確認哪臺電機使用哪臺變頻器。
?。?）開機：每次變頻啟動電機確認給定最小頻率35Hz后方能啟動，待電機轉速達到35Hz后手動把電磁閥門打開，直到全開后，把電磁閥手動開關轉到自動，再把水泵頻率開到生產所需的頻率。
（4）停機：先把電機運行頻率降到35Hz以下，看電磁閥門是否關閉，確認電磁閥門完全關閉后再點“停機”按鈕，把設備完全停下來。
8 現場設備改造測試節能效果
循環水泵變頻改造后，2011年6月，兩套高壓變頻器一次性投入生產，至今運行正常。經過廠節能服務中心測試，系統達到了預期的效果。水泵變頻改造后，循環水泵輸入電流有明顯下降，設備實現了軟起動，改善了設備的運行工況，極大地減輕了設備起動時對供配電系統的沖擊。改造后的實際測量數據如表4所示。
為了對比改造前后的節能效果，在生產負荷基本相同的條件下，當工頻運行時，原系統為1#、2#、4#循環水泵投入運行，經統計三臺泵總的耗電量平均約為3300kW/h。當變頻運行時，此時設備1#、4#循環水泵為變頻運行，2#循環水泵為工頻運行（全開閥門），3#循環水泵作為備用。抄錄分解循環水耗電計量表數據如表5所示。
變頻耗電=692.6+1100.57+697.7=2490.87kW/h
節電量=原工頻耗電-變頻耗電=3300-2490.87=809.13kW/h
節電率=節電量/原工頻耗電=809.13/3300=24.5%。
另外循環水泵變頻改造后，具有軟啟動、軟停止；提高了機組水泵的運行效率；現場噪音大大降低，有效改善現場的運行環境，操作人員反映良好；便于實現廠循環水泵機組控制系統自動化管理。
9結束語
經過國內變頻器廠家的不斷努力，國內變頻器產品以其性能良好，性價比高，良好的本地化服務，廣泛應用于各行各業，并且綜合效益顯著，能短期內為用戶收回投資。隨著國家對節能減排工作力度空前加大，變頻調速技術發展前景十分廣闊，已迎來歷史黃金發展時期。
