1引言
江苏省盐业集团淮盐矿业有限公司主要从事岩盐资源开采，工业盐及盐类产品、卤水等生产、加工，拥有一流的集矿卤开采、输送为一体的机电管道设备，年采输卤设计能力达600万m3，输送距离长达187km，采用一泵到底的输送工艺。一期工程分为采卤工程和输卤管道工程两个部分，项目总投资5.2亿元，注册资金达2亿元，每年可实现利税6000万元。
在工程设计中，水泵的选型都是根据工程中最不利的工况选定的，即按最大设计流量和扬程选定的，而在系统实际运行时，流量都是随机变化的，在绝大多数时间里其流量都小于最大流量，在正常生产过程中，通常通过调节阀门来满足生产工艺。淮盐矿业输卤泵组正是基于上述情形，在阴雨天气，下游企业需卤量下降时，必须采取出口阀门截流，导致泵的出口压力升高，容易造成泵的出口管道爆管和损坏阀门等现象，影响安全生产和加大设备检修维护压力，由于阀门节流损失大，运行效率低等多方面原因导致浪费了大量电能。为了降低电耗，淮盐矿业于2010年开始进行变频改造的研究，通过对国内外变频厂家的比较，最终选用技术成熟先进、性能稳定、售后服务完善的北京动力源公司HINV系列高压变频调速装置，在2010年对1#和2#输卤泵（1000kW）进行了变频改造后，节能效果显著并且运行可靠性高。
2变频改造方案分析
原系统采用的是水泵阀门调节,不论工况如何变化,电机均要运行在额定转速,通过调节水泵阀门满足实际工况需要的流量，这样虽然满足了实际工况的流量需要，但是阀门调节时在节流装置上产生了很大的节流损失，浪费了大量的电量，同时设备的启、停对电网和设备的冲击，还会影响设备的使用寿命。
由流体力学原理可知：水泵的流量和电机转速成正比；水泵的扬程和电机转速的平方成正比；水泵消耗的轴功率跟电机转速的立方成正比；
输卤管在运行相当长一段时间后，管道里面形成结晶，导致管径变小，加大了管壁阻力，要输送等量的卤水，输送压力必然加大，大量能量消耗在克服管壁阻力上。输卤泵电机功率远远大于泵的功率，所以，定速泵出口阀门不能全开，必须截流，否则水泵会超负荷运行，影响水泵的寿命，设备安全和生产安全得不到保证。由于出口阀门截流，又有一部分能量消耗在阀门档板上，导致阀门前后端产生比较大的压差，卤水对阀芯的腐蚀和冲刷，容易导致阀门损坏，并且管道下壁容易被磨损变薄，严重者可能爆管，影响生产。我公司根据变频调速节能的种种优势，决定对1#、2#水泵进行变频改造，但考虑常年充分使用变频器，每台水泵配置1台变频装置成本过高，改造费用大大增加，最终经过研讨选用了动力源HINV系列一拖二变频调速装置，变频系统与负载的一次电气主接线原理图如图1所示。
图1 变频系统与负载的一次电气主接线原理图
注：TF为高压变频系统，虚线框内为旁路柜配置。高压开关柜QF1、QF2，电动机M1、M2为用户原有设备，供方提供高压变频系统、旁路柜。
变频系统旁路方案说明：
M1变频运行时：断开QS3、QS6、QF2，闭合QS2、QS5、QF1；
M2变频运行时：断开QS2、QS5、QF1，闭合QS3、QS6、QF2；
M1/M2工频运行时：断开QS2、QS3、QS5、QS6，闭合QS1/QS4；
6/10kV电源经用户输入真空开关QF1，通过变频装置进线刀闸QS2到高压变频调速装置，变频装置输出经出线刀闸QS5送至电动机M1；6/10kV电源经用户输入真空开关QF2，通过变频装置进线刀闸QS3到高压变频调速装置，变频装置输出经出线刀闸QS6送至电动机M2；6/10kV电源还可以经旁路刀闸QS1、QS4直接起动电动机M1、M2。变频装置的刀闸QS1和刀闸QS2互相闭锁，即QS2和QS1不能同时闭合；刀闸QS3和刀闸QS4互相闭锁，即QS3和QS4不能同时闭合。
旁路作用：
当变频装置工程检修时，可手动操作刀闸，形成明显断电点，能够保证人身安全；
当变频装置出现故障时，也可手动操作刀闸，将变频装置隔离，使负载在工频电源下正常运行，保证生产的安全、持续的运行。
一拖二手动方案适配手动旁路柜说明：
（1) 隔离开关QS1选用GN19-10 400A/12.5系列单投，QS2.3双投户内高压隔离开关，相间距为210mm；单投隔离开关的进线端的三个绝缘端子为高压带电显示装置HL1.2的三个传感器SQ1.2。
（2) 照明灯为柜门式照明灯。
（3) 避雷器采用三相组合式。
（4) 旁路柜有外加输入、输出端子和带电、工频、变频指示。
3变频器配置及性能参数
3.1主要技术指标
HINV系列高压变频器的主要技术参数：
系统控制器：DSP数据处理器、超大规模集成电路和16位的MCU组成；
整机功率范围：250kVA～6300kVA；
输入电压：3kV、6kV、10kV 50Hz 三相；
输出电压：三相交流 0V～变频器额定输出电压，连续可调；
输出频率：0～50Hz；
频率精度：±0.2%；
频率分辨力：0.1 Hz；
加减速时间：0.1～2999s可调；
功率因数：≥0.95；
效率：≥96%；
过载能力：125%额定电流时维持60s；
防护等级：IP30；
装置内部接地电阻：≤0.1Ω；
人机交互视窗：液晶触摸屏；
柜体型式：GGD组合型；
保护设置：功率单元过压、欠压、输入缺相、超温、通信、短路保护等及；
变频器输出过热、冷却风扇故障、机柜门禁、变压器温度监测及保护、系统电流过流、过载监测及保护等；
用户接口：32个开关量输入，24个开关量输出，6模拟量输入，5模拟量输出；
梯形图编程控制（也可以外扩PLC控制）；
远程通信接口：RS-232/RS-485。
3.2功率单元原理
功率单元为3相交流输入，单相全桥输出的电路拓扑，如图2所示。功率单元的输入为移相变压器的分组输出，经整流滤波电路后形成直流电压，组成单相全桥的IGBT在控制器控制下将此直流电压变换为SPWM的交流输出电压。
图2 变频器功率单元的电路拓扑
3.3整机结构
HINV系列高压变频器的整机形态如图3所示，整机标准配置由控制柜、功率单元柜、变压器柜三部分组成；另外备有工频/变频切换旁路柜等，供用户选择订货。
图3 变频器整机结构
3.4控制柜
该柜安装系统控制器和低压电器；柜体正面安装用于人机交互的视窗控制器。系统控制器采用光纤信号传输方式和每一个功率单元进行控制通信。
3.5系统控制器
系统控制器的核心是由DSP数据处理器、超大规模集成电路和16位MCU组成，完成高压变频器的实时控制及其与外部接口（内置PLC控制器）的控制，视窗控制器通过通信将指令发到系统控制器，同时接收和显示高压变频器的工作状态。
3.6视窗控制器
视窗控制器的面板由点阵液晶屏和按键组成，用于设置和显示高压变频器的运行参数和运行状态，配置有LED指示灯显示部分高压变频器的主要状态。
4变频改造节能
项目改造完成后，分别按改造前后五天时间内连续不停机测算。具体测算条件如下：
测量条件：在测试时间内的日输卤量工频、变频两者测量时间内的生产工况尽量保持一致。
测量时间：在保证测量条件的基础下，工频/变频各连续测量5×24h。测算结果如附表所示。
附表 节能测算结果
在节能测算阶段，从用户实际利益出发基本以最大负荷运行，采用2台水泵1台工频定速运行，1台变频运行，节电率在17%以上，年运行时间按330天、电价按0.64元/kWh计算，输卤泵变频改造后每年可节约电量为1188000kWh，合计电费为760320元。所有投资在一年便可全部收回。
上述试验数据也验证了高压变频器在配备方面具有很大的灵活性，为大功率运行的风机/水泵变频改造项目提供了实践基础。设备自2010年投运以来一直运行稳定，节能效果显著。理论和实践证明了应用高压变频调速装置的突出优势。
（1）工频运行时由于设备设计余量而导致“大马拉小车”的现象，因电机定速旋转不可调节，这样运行自然浪费很大。而变频调节后彻底解决了这一问题；
（2）由负载阀门调节导致的大量节流损失，在变频改造后不再存在；
（3）某些工况负载需频繁调节，而档板及液耦等方式调节线性太差跟不上工况变化速度，并且在调节时容易出现电机过载现象，故能耗很高。而变频调节响应极快，基本与工况变化同步，对电机无冲击式的无级调速方式彻底解决了以上问题；
（4）异步电动机功率因数由变频前的0.8左右提高到变频后的0.95以上（20%负载以上时）；
（5）可实现零转速启动，无启动冲击电流，也减轻了冲击扭振。而且高压变频器本身损耗极小，整机效率在97％以上。
（6）可根据现场工艺要求进行不同配置，技术成熟先进，运行稳定可靠。
5改造后其他附加收益
(1)改善了工艺。解决了管道结晶、管径变小、加大管壁阻力等问题。
(2)延长电机和水泵的使用寿命。水泵工频启动时间长，启动电流大（约6～7倍额定电流，即使有水阻柜软启动装置启动电流也在3倍额定电流），对电机和水泵的机械冲击力很大，严重影响其使用寿命。而采用变频调速后，可以实现软起动（带负荷下启动电流不超过额定电流）几乎不产生冲击，可大大延长机械的使用寿命。
(3)减少阀门机械、电机振动、轴承磨损，延长电机水泵的大修周期，节省检修费用和时间。
(4)现场噪音大大降低，极大改善盐矿的运行环境。
(5)HINV高压变频装置很方便的同主控室DCS联接，避免了传统电动执行装置易损坏及开度指示不准的现象，提高了自动化水平。
6结束语
江苏淮盐矿业输卤泵的变频改造的成功实施运行，不仅使淮盐矿业公司的节能降耗工作上了一个新台阶，而且体现了北京动力源科技股份有限公司在高压变频综合改造上的技术解决能力，更体现出了变频技术的广泛应用前景。高压变频一拖二运行项目的顺利实施，大大扩展了变频技术作为当今节能改造的使用范围，也验证了国产高压变频器性能的成熟可靠性。
作者简介
沈晓兵（1968-）现任江苏省盐业集团淮盐矿业有限公司副总经理，主要从事生产、技术、项目建设。并主要从事盐岩矿山开采和卤水管道输送研究，2006年主持了淮盐矿业公司投资5.2亿元的年采输量达600万m3的采输卤工程建设，输卤管道直径¢559长达187km是目前国内最长的卤水输送管道。
参考文献
[1]梁卫国.盐类矿床控制水溶开采理论及应用[M].北京：科学出版社，2007.
[2]吴忠智.变频器应用手册[M].北京：机械工业出版社，2004.
[3]竺伟，陈伯时.高压变频调速技术[J].电工技术杂志，1999（3）.
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