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案例頻道 1引言
煙臺臺海瑪努爾核電設備有限公司（THM）是煙臺市臺海集團有限公司于2006年12月15日創建的專業致力于“百萬千瓦級壓水堆核電站”回路主管道生產的企業。同時也是全國唯一一家同時具備二代和三代核電主管道生產能力的制造企業。
圖 1 臺海瑪努爾核電設備有限公司廠區
該公司在原有的6000噸水壓機的 基礎之上于2012年8月再次購進萬噸級水壓機。
圖 2 萬噸水壓機
整個萬噸級水壓機系統采用集散控制系統（DCS）。通過計算機和本地控制，既大大的提高了系統的自動化程度，滿足了生產要求，節約了能源，同時又提高了萬噸水壓機系統的可靠性和運行的靈活性，降低了運行維護成本，為企業帶來更大的經濟效益。
2 萬噸水壓機的工作原理
萬噸水壓機的工作水來源于相互接通的低壓容器和水箱。低壓水經過高壓水泵加壓后進入高壓水罐。通過三通閥門之間的切換，高壓水可進入主缸柱塞向下壓鍛件或進入升降缸向上推動主缸活塞，以此來實現對鋼件的鍛打成型過程。
3 交流變頻調速系統方案
為了提高整個個水壓機系統的安全運行系數，保證系統的不間斷運行,整個系統由八臺高壓水泵提供水壓,編號為:1#～8#。1#～8#三級柱塞式往復泵既互為備用，同時也具有獨立性（方便于分別進行檢修）。交流變頻器調速系統采用一拖一（不帶工頻旁路方案），通過高壓水罐內的壓力變送器反饋，由后臺DCS系統實現閉環控制。
圖 3 往復式高壓水泵
圖 4 SBH系列高壓變頻器
整個系統由一臺總進線開關柜送電，八臺出線開關柜分別控制1#～8#變頻器的投切。這個供電方案即方便了整個系統的整體控制，又實現了在任何一臺變頻器或電機水泵發生故障時的單獨切除檢修。整個系統一次方案圖如下:
圖 5 變頻調速系統（一拖一不帶工頻旁路）方案
根據萬噸水壓機所鍛造的鋼件的大小和密度等的不同，可將八臺往復泵分別置于“打壓”、“打循環”、熱備和冷備狀態。
“打壓”狀態：
電動機運行在50HZ，通過閥門的切換，往復泵不斷的往高壓水罐注入高壓水的過程。
“打循環”狀態：
電動機運行在25HZ，通過閥門的切換，往復泵中的高壓水不斷在主管道中循環的過程（此過程不對外做功，只是為了方便往復泵的自動、快速的投入“打壓”狀態）。
熱備狀態：
變頻器處于上電待機狀態，但并未運行，可方便運行中的變頻器發生故障時的快速啟動（由于此時變頻器中的移相變壓器處于空載狀態，無功損耗較大，功率因數較低，需注意整個電力系統的無功補償）。
冷備狀態：
變頻器處于未上電狀態，可根據需要隨時的投入運行。
4 自動化控制方案
煙臺臺海瑪努爾核電設備有限公司（THM）三期鍛造分廠新購進的萬噸級水壓機高壓水罐分有12級水位（水壓）自動檢測系統，由八臺710KW/10KV的高壓電機分別拖動1#～8#三級柱塞式往復泵往水壓機高壓水罐內供高壓水。
當高壓水罐水位低于9級水位時，按水泵序號將水泵由“打循環”狀態提升為“打壓”狀態；當高壓水罐水位高于9級水位時，按水泵序號將水泵由“打壓”狀態降為“打循環”狀態。整個運行過程由DCS控制，實現完全自動化的過程。
經過市場比對和產品穩定性觀察，采用森蘭SBH系列高壓變頻調速系統來做為該萬噸級水壓機高壓水泵的調速裝置。
森蘭SBH系列高壓變頻器提供多段速選擇功能：
設置參數 F4-16：多段速選擇方式為直接選擇；
F4-00：X1數字輸入端子功能為多段速選擇1；
F4-01：X2數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分別對應于往復泵的兩種工作狀態：“打循環”狀態、“打壓”狀態。
DCS控制后臺與變頻器通過硬接線通訊，當DCS給變頻器X1、X2端子命令為1、0時，變頻器運行于多段速1（30Hz）;當DCS給變頻器X1、X2端子命令為0、1時，變頻器運行于多段速2（50Hz）。
DCS控制后臺可根據高壓水罐水位的狀態變化，控制1#～8#變頻器的工作狀態，以維持高壓水罐的水位（9級水位）。
5 森蘭SBH系列變頻器特性
5.1 高—高變頻調速系統
森蘭SBH系列高壓變頻器產用“單元串聯多電平”結構，直接10KV輸入，輸出側0～10KV可調節，無需加裝升壓、降壓變壓器可直接拖動電機運行。變頻器內部每相單元串聯級數8級。
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。在任意單元出現故障后，變頻器自動將該單元及同層單元旁路（切除），實現不間斷工作，提高變頻器的安全運行系數。
5.3 轉速跟蹤功能（帶速重啟功能）
森蘭SBH系列高壓變頻器從用戶本身出發，對負載的拖動電機配備有電機轉速跟蹤起動功能。在電機未停止轉動的狀態下，自我的檢測電機的轉速，同時輸出與之相應的頻率與電壓，加快電機起動過程，減輕電機與負載的機械沖擊，并且可完全避免帶速起動過程中的沖擊電流。
5.4 自適應性和完善的保護功能
森蘭SBH系列高壓變頻器對我國的電網適應性強，電網電壓波動在-35%～+10%范圍內不停機，掉電30S內上電自動重啟。同時該高壓變頻器為電動機和設備本身提供了完善的保護功能，包括過流、過壓、過載、過熱、缺相、欠壓、負荷過重等。
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，其內部大量的濾波電容為電機提供無功功率，其接入網側功率因素大于0.96（>20%負載）。該高壓變頻器的工作效率高達97.0%。
由于森蘭SBH系列高壓變頻器輸入側采用的是移相整流技術，輸入諧波小于3%，滿足國家標準要求。而在變頻器輸出側采用的是多重PWM波形疊加方式，輸出電流諧波同樣小于3%，運行過程中不會對電機絕緣性產生任何影響。
5.6 I/O擴展功能，控制系統自動化程度高
森蘭SBH系列高壓變頻器I/O板接口已經實現全參數化，方便外部的擴展，易于改變控制邏輯關系，適應多變的現場需要。該變頻器內置PID調節器，可開環運行，也可實現閉環控制。同時可接受和輸出包括4～24mA、2～10V等多種信號。
5.7 模塊化設置，方便安裝與維護
森蘭SBH系列高壓變頻器實現單元的模塊化，方便更換與維修。全中文的人機界面，更人性化的設計適應于不同層次水平的人員操作。
6變頻器設備節能預算
6.1 直接效益
煙臺臺海瑪努爾核電設備有限公司的萬噸級水壓機于2012年10月14日投產。在生產過程中，根據鍛造鑄件的大小,及成型的要求,以高壓水罐水位不低于9級為標準,自動控制分配和調整往復泵的工作狀態。
正常工作狀態下有4臺往復泵會處于“打壓”狀態，而剩下的4臺往復泵處于“打循環狀態。”
根據與以往未使用變頻調速系統的水壓機比較表格如下：
表 1 未使用變頻調速系統與使用變頻調速系統參數比較表
根據上述表格可以看出水壓機安裝變頻器節能效益主要來自于“打循環”狀態。其中有4臺往復式水泵處于“打循環”狀態。
根據改造前和改造后水泵軸功率比較，單臺處于“打循環”狀態的水泵每年節電（計算每天工作時間8小時，每年工作300天）：
（工頻能耗-變頻能耗）×工作時間
=[10×√3×22.5×0.8-6×14×√3×0.95]×8×300≈41.6萬kW.h
煙臺市電費價格以0.5元/kWh計算，單臺每年節約電費：41.6×0.5=20.8萬元
4臺處于“打循環”狀態下的往復泵每年可節約電費：20.8×4=83.2萬元
每年易損器件、維護費用等預計投資按1.5%計算：360×1.5=5.4萬元
6.2 間接效益
6.2.1 監控方便
使用變頻調速系統后，由于森蘭SBH系列變頻器自帶電動機保護功能和運行狀態監視，不需要再增加額外的電動機保護設備，減少設備投入。同時森蘭SBH系列變頻器產用全中文人機界面，顯示參數可選擇性，能同時顯示輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、輸出電流、運行頻率及電機轉速（理論值）。
6.2.2 電機軟啟動
使用變頻調速系統后，所有八臺往復泵機組都能實現軟啟動方式，電機啟動電流遠小于額定電流，啟動時間相應的延長，對電網無較大沖擊，從而有效的減輕起動時的機械轉矩對電機的機械損傷，更好的保護電機與水泵，延長這些設備的使用壽命。
6.2.3 機組運行噪音和震動減小
使用變頻調速系統后，當往復泵處于“打循環”狀態時，由于運行頻率的降低，震動及噪音同時減小，延長了設備的使用壽命。
7 結束語
煙臺臺海瑪努爾核電設備有限公司（THM）萬噸級水壓機項目采用高壓變頻調速系統以后，既實現了電機的軟啟動，延長了機械設備的壽命，又節約了能源,完成了整個鍛造過程的自動化控制。同時，通過變頻器監控整個拖動電機組的工作狀態，適時的對拖動電機提供保護，大大的增加了系統的安全運行系數，也方便了人為的對整個系統的觀察與控制。
參考文獻(略)
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號