一、引言
綠色環(huán)保節(jié)能是現(xiàn)代化城市必須要考慮的，特別是大型城市的供水供熱，擁有許多高壓電機(jī)拖動的設(shè)備，主要是以高壓大功率的風(fēng)機(jī)和水泵為主，占整個(gè)系統(tǒng)耗能的50－70％，高壓變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)代最先進(jìn)的調(diào)速技術(shù)，它不僅能夠?yàn)槲覀兲峁┦孢m的工藝條件，滿足用戶的使用要求，更重要的是這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、泵類等具有平方轉(zhuǎn)矩特性的負(fù)載時(shí)，可以節(jié)約大量的能量，最大節(jié)能率可以達(dá)到50％～75％。因此應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造在目前能源供應(yīng)緊張、價(jià)格不斷上漲的今天更具有特殊意義。
二、概述
包頭市城市供熱熱力管網(wǎng)改造工程投資總額2000萬美元，注冊資本800萬美元，是以集中供熱為核心的清潔能源上市公司，供暖及供暖接網(wǎng)是該公司的主要主營業(yè)務(wù)，屬于熱水生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)，占該公司主營業(yè)務(wù)收入96.58%，公司擁有供熱面積近2700萬平方米，占全市供熱市場的近1/3，公司積極落實(shí)國家提出的節(jié)能減排政策，其鍋爐使用的燃料皆為秸稈、稻桿等制成的無污染原料，主要風(fēng)機(jī)、水泵的電氣拖動采用均采用了變頻設(shè)備，在運(yùn)用新技術(shù)新設(shè)備和綜合利用能源方面走出了一條新路，也為企業(yè)的自身發(fā)展帶來的非常好的前景。公司供暖設(shè)備中主要由供暖鍋爐組成，鍋爐的循環(huán)水泵由2臺1250kW/10KV的高壓電機(jī)驅(qū)動，引風(fēng)機(jī)由一臺1000kW/10KV高壓電動機(jī)驅(qū)動，正常運(yùn)行的時(shí)候都是一用一備（共兩套），采用的是閥門調(diào)節(jié)流量，在調(diào)節(jié)過程中大量能量被截流閥門浪費(fèi)了。
考慮到引風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵的裕量可能達(dá)到20%以上。在引風(fēng)機(jī)和鍋爐循環(huán)的用電量中，很大一部分是因風(fēng)機(jī)水泵型號和管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)不匹配考而被白白消耗的。同時(shí)，鍋爐的負(fù)荷必須要跟隨用戶的使用狀況而改變，鍋爐的負(fù)荷調(diào)節(jié)要求鍋爐風(fēng)機(jī)水泵相應(yīng)作出調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中又有大量能量被截流閥門浪費(fèi)了。如果在循環(huán)水泵上加裝目前國內(nèi)已經(jīng)開始普遍采用的高壓變頻節(jié)電寶，由高壓變頻節(jié)電寶對風(fēng)機(jī)水泵電動機(jī)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)頻，從而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)水泵流量的調(diào)節(jié)以滿足負(fù)荷的變動，這樣就能將水泵擋板在節(jié)流過程中造成的能量損失和因風(fēng)機(jī)型號和管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)不匹配形成的能量損失節(jié)約下來。
通過考察，深圳市庫馬克新技術(shù)股份有限公司以其優(yōu)秀的技術(shù)方案、良好的運(yùn)行業(yè)績、規(guī)模化的生產(chǎn)能力以及專業(yè)的售后服務(wù)等，得到了包頭市城市供熱熱力管網(wǎng)改造工程項(xiàng)目技術(shù)人員的一致認(rèn)可。為了試點(diǎn)，深圳市庫馬克新技術(shù)股份有限公司經(jīng)過多方的研究和論證，將鍋爐給水由原來是的閥門調(diào)節(jié)改為變頻調(diào)速恒壓給水，通過變頻一拖二的系統(tǒng)改造，引風(fēng)機(jī)采用一拖一手動旁路柜，用調(diào)節(jié)頻率取代閥門調(diào)節(jié)，達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能效果。
三、改造方案設(shè)計(jì)
（一） 、根據(jù)現(xiàn)場情況和可具備的各種條件，決定采取以下改造方案：
1. 2臺循環(huán)水泵采用一拖二的方式，使用手動旁路系統(tǒng)；
2. 從母管上取壓力變送器的4~20mA電流信號作為反饋，給定頻率根據(jù)用戶從DCS系統(tǒng)直接給定；
3. 運(yùn)行信號、停止信號從DCS系統(tǒng)給定；
4. 高壓變頻節(jié)電寶的狀態(tài)信號從變頻器的控制柜里送到DCS系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)觀察；
5. 改造后的母管壓力值達(dá)到工藝要求6.8MPa以上；
6. 將每臺水泵的旁通閥關(guān)閉，用高壓變頻節(jié)電寶調(diào)節(jié)高壓電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)所需的流量；
7. 引風(fēng)機(jī)采用一拖一手動旁路柜，用調(diào)節(jié)頻率取代閥門調(diào)節(jié)；
（二）、示意圖：
1、 鍋爐改造示意圖
2.引風(fēng)機(jī)改造示意圖
四、高壓變頻節(jié)電寶工作原理
1.ES9000系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用多個(gè)功率單元串聯(lián)的形式。電壓疊加原理類同于“電池組疊加”技術(shù)。對于10kV系統(tǒng)，每相九單元串聯(lián)，每個(gè)功率單元輸出交流有效值Vo為641V，相電壓為5773V，線電壓為10000V。
對于本案被驅(qū)動電機(jī)的額定電壓均是10kV，每相由九個(gè)相同的功率單元串聯(lián)而成，相電壓為5773V。每個(gè)功率單元輸出有效值641V。多重化串聯(lián)結(jié)構(gòu)使用低壓器件實(shí)現(xiàn)了高壓輸出，不僅降低了對功率器件的耐壓要求，而且還使輸出波形得到了極大的改善。輸出波形接近正弦波，不存在輸出諧波引起的電機(jī)發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，對普通異步電機(jī)不必加輸出濾波器就可以直接使用。在網(wǎng)側(cè)由于采用了54脈波整流的隔離多重化技術(shù)，對電網(wǎng)諧波污染非常小，輸入電流諧波畸變率遠(yuǎn)小于3%，滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)；輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。
五、可靠性設(shè)計(jì)
尤其是在冬季的北方，絕不能發(fā)生停機(jī)事故，一旦發(fā)生故障，對于老百姓的生活會造成極大的影響，還會造成大面積的管網(wǎng)爆裂，因此對可靠性的要求非常之高。
為了保證設(shè)備的使用壽命，深圳市庫馬克的高壓變頻節(jié)電寶功率單元采用了冗余設(shè)計(jì)，主要元器件的選取均留有足夠的余量，尤其是功率單元獨(dú)特的母線結(jié)構(gòu)使主器件的出力能力運(yùn)用到極致，因此保證了變頻器工作的可靠性。
庫馬克ES9000系列高壓大功率變頻節(jié)能寶功率單元采用了自動旁通設(shè)計(jì)，功率單元原理見下圖所示：
在萬一發(fā)生單元故障時(shí)，該單元會立即自動旁路，與之此同時(shí)與之同電平的其余輸出相的單元也自動在線旁路，使機(jī)器進(jìn)入不停機(jī)降額連續(xù)運(yùn)行。保證三相輸出電壓對稱，輸出電流平衡，最大限度地減小停機(jī)率，保證單元故障狀態(tài)不停機(jī)工作。但在實(shí)際大多數(shù)調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)下，其工作頻率多低于額定頻率的九分之八，縱然有一單元故障，機(jī)器運(yùn)行仍然不受任何影響而正常工作。
同時(shí)為了保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，整套變頻器配備有手動旁通裝置。如下圖所示：
變頻器異常時(shí)，變頻器停止運(yùn)行，并將任意電機(jī)切換到工頻運(yùn)行。工頻旁路由4個(gè)高壓隔離開關(guān)K1、K2、K3、K4組成。變頻運(yùn)行時(shí)，K1、K2合閘，K3或K4置于變頻位置，以實(shí)現(xiàn)單機(jī)變頻運(yùn)行。工頻運(yùn)行時(shí)，K1、K2斷開，K3或K4置于工頻位置，以實(shí)現(xiàn)單機(jī)工頻運(yùn)行。通過開關(guān)切換可實(shí)現(xiàn)任意一臺變頻另一臺工頻運(yùn)行，或者兩臺同時(shí)變頻或工頻運(yùn)行。
六、成功應(yīng)用
鍋爐引風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵高壓變頻節(jié)電寶調(diào)試期間，各種連鎖可靠，故障報(bào)警準(zhǔn)確，和DCS系統(tǒng)連接方便、控制精度高。投入生產(chǎn)運(yùn)行后，通過實(shí)際生產(chǎn)期間對給水泵工頻起動運(yùn)行和變頻起動運(yùn)行的大量對比測試，鍋爐循環(huán)水泵采用變頻運(yùn)行后具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。如下表所示：
