1引言

煙臺(tái)臺(tái)?，斉瑺柡穗娫O(shè)備有限公司（THM）是煙臺(tái)市臺(tái)海集團(tuán)有限公司于2006年12月15日創(chuàng)建的專業(yè)致力于“百萬千瓦級(jí)壓水堆核電站”回路主管道生產(chǎn)的企業(yè)。同時(shí)也是全國(guó)唯一一家同時(shí)具備二代和三代核電主管道生產(chǎn)能力的制造企業(yè)。

該公司在原有的6000噸水壓機(jī)的   基礎(chǔ)之上于2012年8月再次購(gòu)進(jìn)萬噸級(jí)水壓機(jī)。

圖 1  臺(tái)?，斉瑺柡穗娫O(shè)備有限公司廠區(qū)

整個(gè)萬噸級(jí)水壓機(jī)系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)（DCS）。通過計(jì)算機(jī)和本地控制，既大大的提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，滿足了生產(chǎn)要求，節(jié)約了能源，同時(shí)又提高了萬噸水壓機(jī)系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行的靈活性，降低了運(yùn)行維護(hù)成本，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 萬噸水壓機(jī)的工作原理

萬噸水壓機(jī)的工作水來源于相互接通的低壓容器和水箱。低壓水經(jīng)過高壓水泵加壓后進(jìn)入高壓水罐。通過三通閥門之間的切換，高壓水可進(jìn)入主缸柱塞向下壓鍛件或進(jìn)入升降缸向上推動(dòng)主缸活塞，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼件的鍛打成型過程。

圖 2    萬噸水壓機(jī)

3 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)方案

為了提高整個(gè)個(gè)水壓機(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)行系數(shù)，保證系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行,整個(gè)系統(tǒng)由八臺(tái)高壓水泵提供水壓,編號(hào)為:1#～8#。1#～8#三級(jí)柱塞式往復(fù)泵既互為備用，同時(shí)也具有獨(dú)立性（方便于分別進(jìn)行檢修）。交流變頻器調(diào)速系統(tǒng)采用一拖一（不帶工頻旁路方案），通過高壓水罐內(nèi)的壓力變送器反饋，由后臺(tái)DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖 3   往復(fù)式高壓水泵                          圖 4    SBH系列高壓變頻器

圖 5   變頻調(diào)速系統(tǒng)（一拖一不帶工頻旁路）方案

根據(jù)萬噸水壓機(jī)所鍛造的鋼件的大小和密度等的不同，可將八臺(tái)往復(fù)泵分別置于“打壓”、“打循環(huán)”、熱備和冷備狀態(tài)。

“打壓”狀態(tài)：

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在50HZ，通過閥門的切換，往復(fù)泵不斷的往高壓水罐注入高壓水的過程。

“打循環(huán)”狀態(tài)：

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在25HZ，通過閥門的切換，往復(fù)泵中的高壓水不斷在主管道中循環(huán)的過程（此過程不對(duì)外做功，只是為了方便往復(fù)泵的自動(dòng)、快速的投入“打壓”狀態(tài)）。

熱備狀態(tài)：

變頻器處于上電待機(jī)狀態(tài)，但并未運(yùn)行，可方便運(yùn)行中的變頻器發(fā)生故障時(shí)的快速啟動(dòng)（由于此時(shí)變頻器中的移相變壓器處于空載狀態(tài)，無功損耗較大，功率因數(shù)較低，需注意整個(gè)電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償）。

冷備狀態(tài)：

變頻器處于未上電狀態(tài)，可根據(jù)需要隨時(shí)的投入運(yùn)行。

4 自動(dòng)化控制方案

煙臺(tái)臺(tái)海瑪努爾核電設(shè)備有限公司（THM）三期鍛造分廠新購(gòu)進(jìn)的萬噸級(jí)水壓機(jī)高壓水罐分有12級(jí)水位（水壓）自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，由八臺(tái)710KW/10KV的高壓電機(jī)分別拖動(dòng)1#～8#三級(jí)柱塞式往復(fù)泵往水壓機(jī)高壓水罐內(nèi)供高壓水。

當(dāng)高壓水罐水位低于9級(jí)水位時(shí)，按水泵序號(hào)將水泵由“打循環(huán)”狀態(tài)提升為“打壓”狀態(tài)；當(dāng)高壓水罐水位高于9級(jí)水位時(shí)，按水泵序號(hào)將水泵由“打壓”狀態(tài)降為“打循環(huán)”狀態(tài)。整個(gè)運(yùn)行過程由DCS控制，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化的過程。

經(jīng)過市場(chǎng)比對(duì)和產(chǎn)品穩(wěn)定性觀察，采用森蘭SBH系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)來做為該萬噸級(jí)水壓機(jī)高壓水泵的調(diào)速裝置。

森蘭SBH系列高壓變頻器提供多段速選擇功能：

設(shè)置參數(shù) F4-16：多段速選擇方式為直接選擇；

 F4-00：X1數(shù)字輸入端子功能為多段速選擇1；

F4-01：X2數(shù)字輸入端子功能為多段速選擇2；

F4-17：多段頻率1為30Hz；

F4-18：多段頻率2為50Hz；

多段速頻率1和多段速頻率2分別對(duì)應(yīng)于往復(fù)泵的兩種工作狀態(tài)：“打循環(huán)”狀態(tài)、“打壓”狀態(tài)。

DCS控制后臺(tái)與變頻器通過硬接線通訊，當(dāng)DCS給變頻器X1、X2端子命令為1、0時(shí)，變頻器運(yùn)行于多段速1（30Hz）;當(dāng)DCS給變頻器X1、X2端子命令為0、1時(shí)，變頻器運(yùn)行于多段速2（50Hz）。

DCS控制后臺(tái)可根據(jù)高壓水罐水位的狀態(tài)變化，控制1#～8#變頻器的工作狀態(tài)，以維持高壓水罐的水位（9級(jí)水位）。

5 森蘭SBH系列變頻器特性

5.1  高—高變頻調(diào)速系統(tǒng)

森蘭SBH系列高壓變頻器產(chǎn)用“單元串聯(lián)多電平”結(jié)構(gòu)，直接10KV輸入，輸出側(cè)0～10KV可調(diào)節(jié)，無需加裝升壓、降壓變壓器可直接拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。變頻器內(nèi)部每相單元串聯(lián)級(jí)數(shù)8級(jí)。

5.2  單元旁路功能

森蘭SBH系列高壓變頻器提供單元旁路功能。在任意單元出現(xiàn)故障后，變頻器自動(dòng)將該單元及同層單元旁路（切除），實(shí)現(xiàn)不間斷工作，提高變頻器的安全運(yùn)行系數(shù)。

5.3  轉(zhuǎn)速跟蹤功能（帶速重啟功能）

森蘭SBH系列高壓變頻器從用戶本身出發(fā)，對(duì)負(fù)載的拖動(dòng)電機(jī)配備有電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤起動(dòng)功能。在電機(jī)未停止轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)下，自我的檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)輸出與之相應(yīng)的頻率與電壓，加快電機(jī)起動(dòng)過程，減輕電機(jī)與負(fù)載的機(jī)械沖擊，并且可完全避免帶速起動(dòng)過程中的沖擊電流。

5.4  自適應(yīng)性和完善的保護(hù)功能

森蘭SBH系列高壓變頻器對(duì)我國(guó)的電網(wǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，電網(wǎng)電壓波動(dòng)在-35%～+10%范圍內(nèi)不停機(jī)，掉電30S內(nèi)上電自動(dòng)重啟。同時(shí)該高壓變頻器為電動(dòng)機(jī)和設(shè)備本身提供了完善的保護(hù)功能，包括過流、過壓、過載、過熱、缺相、欠壓、負(fù)荷過重等。

5.5  無功損耗低，輸入、輸出功率因素高，諧波含量低

森蘭SBH系列高壓變頻器為電壓源型高—高變頻器，其內(nèi)部大量的濾波電容為電機(jī)提供無功功率，其接入網(wǎng)側(cè)功率因素大于0.96（>20%負(fù)載）。該高壓變頻器的工作效率高達(dá)97.0%。

由于森蘭SBH系列高壓變頻器輸入側(cè)采用的是移相整流技術(shù)，輸入諧波小于3%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。而在變頻器輸出側(cè)采用的是多重PWM波形疊加方式，輸出電流諧波同樣小于3%，運(yùn)行過程中不會(huì)對(duì)電機(jī)絕緣性產(chǎn)生任何影響。

5.6  I/O擴(kuò)展功能，控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高

森蘭SBH系列高壓變頻器I/O板接口已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全參數(shù)化，方便外部的擴(kuò)展，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場(chǎng)需要。該變頻器內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，可開環(huán)運(yùn)行，也可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。同時(shí)可接受和輸出包括4～24mA、2～10V等多種信號(hào)。

5.7  模塊化設(shè)置，方便安裝與維護(hù)

森蘭SBH系列高壓變頻器實(shí)現(xiàn)單元的模塊化，方便更換與維修。全中文的人機(jī)界面，更人性化的設(shè)計(jì)適應(yīng)于不同層次水平的人員操作。

6變頻器設(shè)備節(jié)能預(yù)算

6.1 直接效益

煙臺(tái)臺(tái)?，斉瑺柡穗娫O(shè)備有限公司的萬噸級(jí)水壓機(jī)于2012年10月14日投產(chǎn)。在生產(chǎn)過程中，根據(jù)鍛造鑄件的大小,及成型的要求,以高壓水罐水位不低于9級(jí)為標(biāo)準(zhǔn),自動(dòng)控制分配和調(diào)整往復(fù)泵的工作狀態(tài)。

正常工作狀態(tài)下有4臺(tái)往復(fù)泵會(huì)處于“打壓”狀態(tài)，而剩下的4臺(tái)往復(fù)泵處于“打循環(huán)狀態(tài)。”

根據(jù)與以往未使用變頻調(diào)速系統(tǒng)的水壓機(jī)比較表格如下：

表 1   未使用變頻調(diào)速系統(tǒng)與使用變頻調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)比較表

根據(jù)上述表格可以看出水壓機(jī)安裝變頻器節(jié)能效益主要來自于“打循環(huán)”狀態(tài)。其中有4臺(tái)往復(fù)式水泵處于“打循環(huán)”狀態(tài)。

根據(jù)改造前和改造后水泵軸功率比較，單臺(tái)處于“打循環(huán)”狀態(tài)的水泵每年節(jié)電（計(jì)算每天工作時(shí)間8小時(shí)，每年工作300天）：

（工頻能耗-變頻能耗）×工作時(shí)間

=[10××22.5×0.8-6×14××0.95]×8×300≈41.6萬kW.h

煙臺(tái)市電費(fèi)價(jià)格以0.5元/kWh計(jì)算，單臺(tái)每年節(jié)約電費(fèi)：41.6×0.5=20.8萬元

4臺(tái)處于“打循環(huán)”狀態(tài)下的往復(fù)泵每年可節(jié)約電費(fèi)：20.8×4=83.2萬元

每年易損器件、維護(hù)費(fèi)用等預(yù)計(jì)投資按1.5%計(jì)算：360×1.5=5.4萬元

6.2 間接效益

6.2.1  監(jiān)控方便

使用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，由于森蘭SBH系列變頻器自帶電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視，不需要再增加額外的電動(dòng)機(jī)保護(hù)設(shè)備，減少設(shè)備投入。同時(shí)森蘭SBH系列變頻器產(chǎn)用全中文人機(jī)界面，顯示參數(shù)可選擇性，能同時(shí)顯示輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、輸出電流、運(yùn)行頻率及電機(jī)轉(zhuǎn)速（理論值）。

6.2.2  電機(jī)軟啟動(dòng)

使用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，所有八臺(tái)往復(fù)泵機(jī)組都能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)方式，電機(jī)啟動(dòng)電流遠(yuǎn)小于額定電流，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)的延長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)無較大沖擊，從而有效的減輕起動(dòng)時(shí)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)的機(jī)械損傷，更好的保護(hù)電機(jī)與水泵，延長(zhǎng)這些設(shè)備的使用壽命。

6.2.3  機(jī)組運(yùn)行噪音和震動(dòng)減小

使用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，當(dāng)往復(fù)泵處于“打循環(huán)”狀態(tài)時(shí)，由于運(yùn)行頻率的降低，震動(dòng)及噪音同時(shí)減小，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

7 結(jié)束語

煙臺(tái)臺(tái)海瑪努爾核電設(shè)備有限公司（THM）萬噸級(jí)水壓機(jī)項(xiàng)目采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)以后，既實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)了機(jī)械設(shè)備的壽命，又節(jié)約了能源,完成了整個(gè)鍛造過程的自動(dòng)化控制。同時(shí)，通過變頻器監(jiān)控整個(gè)拖動(dòng)電機(jī)組的工作狀態(tài)，適時(shí)的對(duì)拖動(dòng)電機(jī)提供保護(hù)，大大的增加了系統(tǒng)的安全運(yùn)行系數(shù)，也方便了人為的對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的觀察與控制。