灌南硕项湖西线输水工程
硕湖泵房变频器改造方案
二0一五年一月
南京鲁格自动化科技有限公司
目录
1、改造方案及供货计划
项目概述及现状
目前灌南县县城有地表水厂一座，供水规模万m3/d，水源取自北六塘河，由取水泵站加压后经一条输水管线送至县城自来水厂。现状取水泵站及取水口供水规模5万m3/d。
由于夏季北六塘河容易受到上游农田灌溉的回归水中化肥农药等污染，而造成水质较差，无法满足水厂水源水质要求。同时，原供水管道为一条，事故检修时，无法保证供水安全性。为保证水厂原水供水安全性，灌南县县政府确定将硕项湖作为城市供水应急水源。当北六塘河水质较好的时候，通过输水管道向硕项湖补充原水。根据规划，在硕项湖南侧新建一座自来水厂，近期供水规模10万m3/d，远期20万m3/d，规划水厂从硕项湖取水。
根据相关规划和建设方意见，保留现状取水泵站及取水口，并在北六塘河新建取水泵站及取水口一座，取水泵站规模近期10万m3/d，远期15万m3/d，取水口规模为15万m3/d，以满足远期硕项湖南侧水厂20万m3/d的需水要求。
目前此泵站的3台供水泵采用软启动的方式运行，现根据实际生产需要，将软启改成变频，并增加相应的自动化恒压供水控制。
引用标准
本项目设备招标按照下列技术规程、规范进行，并要求所有硬件均可达到其规定的各项技术要求与指标。
GB 中华人民共和国国家标准
ISO 外壳防护等级
IEC 国际电力技术委员会
ASTM 美国材料试验协会
ISA 美国仪器仪表协会
ASME 美国机械工程师协会
ANS 美国国家标准协会
DIN 德国工业标准
项目目的
1、使电机频率可以控制，保证正常供水的情况下，降低能耗；
2、通过自动化程序保持供水压力恒定。
4. 项目内容
系统构成
本泵站的变频恒压供水控制系统由变频器、信号采集及处理系统和控制系统三部分组成。
变频器选择
变频器选用ABB公司的ACS800型，此变频器经过几番更新换代，质量更加可靠、性能更加稳定，与国外其他品牌的同类变频器相比性价比高，并且尤其适用于水泵和风机的控制。
信号采集及处理系统
该系统主要由安装在现场出水管道上的压力变送器、压力表和安装在控制柜内的PID 调节器组成，对就地采集的信号进行处理和转换，为控制系统提供一个准确的可利用的信号。
控制系统
该控制系统由按钮、旋钮开关、继电器、PLC模块及其它相关电子电气元件组成。该系统作为变频调速控制主体，可控制水泵的启停、加减速运转以及泵间的相互切换等。并将信号接入之间的西门子公司的SIMATIC S7-300可编程序控制器，它能满足高等性能要求的应用，方便用户和简易的无风扇设计，简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活，大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务，各种单独的模块之间组合以用于扩展，使用户可以完全根据实际应用选择合适的CPU模块及I/O扩展模块。
控制方案
为了实现恒压供水的目的，系统采用闭环控制，同时考虑系统的安全性，附加开环控制作为备用。开环、闭环之间可以方便的进行转换。压力变送器进行实时检测，并将检测到的管道水压信号经过转换后传送给PLC，PLC将此信号与给定值比较后，经过一系列的运算将输出一个标准的控制信号给本系统的执行器－变频器，变频器根据PLC输出信号的变化来改变其输出频率，进而改变水泵电机的转速，以此来控制出水量的大小。由于变频器的输出频率在0～50Hz范围内连续可调，当用水量较小时，水泵维持低速运行，当用水量增大致使压力降低时，变频器输出频率会一直上升到50Hz，因此当压力发生变化时，系统会自动调节出口水量，使压力始终在设定值附近波动并最终达到设定值，从而实现了恒压供水的目的。
系统功能
可以根据需要设定压力值，系统自动进行循环启动，实现恒压供水，系统的响应速度
快，稳定性好。
系统设有手动、自动控制模式：在手动模式下，由人工根据压力表显示值的情况，进行手动启动，并且可以设定由变频启动还是工频启动；在自动模式下，完全根据压力设定值进行循环启停泵操作。可以在线切换手自动模式。
每台泵都设有变频/工频两种状态，在自动模式下，任三台泵均可进行变频调节。
工作原理
本系统共控制现场3台水泵电机，根据情况选择几号泵进行供水，三台泵均可以单独手动/自动工、变频启停。
在自动模式下，通过人为设定所需的压力，PLC自动启停预先选择好的泵后，并控制变频器的变频，使出水压力保持恒定。
在手动模式下，由人工上位机根据压力显示的压力情况进行上位机手动启停单台水泵电机，并且可以设定是由工频启动还是由变频启动。对于变频运行泵，可以通过上位机调节频率从面调节水泵电机转速的快慢。
控制电气图
详见AUTOCAD格式控制电气图（合同签订后一周内提供），电子电气元件规格型号及数量详见供货清单：
变频控制柜成套
柜体要求
控制柜柜体高2200mm宽800mm深800mm。柜体为仿威图型式，安装板为冷轧钢板，前门后板，前门下部均设带滤网的进风口。变频柜柜顶加装排风机，柜顶通风口全部设置滤网，柜体防护等级为IP20。
进出线电缆全部为下进下出方式。主回路采用电缆接线，以便于走线。柜内接地排。
变频器及其外围控制元件安装于变频控制柜内，柜面设置运行模式选择开关、切换模式选择开关、运行状态指示、数显表等控制指示元件。
电缆电线
电缆电线颜色
主电缆: (A B C三相:黑色,地线:黄绿线)；
控制电缆: 控制电源为AC220V，黑色；
接地线：所有需要接地的设备均按要求牢固接地，接地线采用黄绿线。
电线规格
主回路电缆按照负载功率选择；
控制线路采用500V聚氯乙烯阻燃电线,；
PLC控制线路采用500V聚氯乙烯阻燃电线,；
电缆电线符合国际标准。
电缆电线线号按照图纸要求采用专用打号机制作,主电缆用色标分清相序。
铭牌
1）铭牌内容与图纸一致或按常规制作；
2）铭牌采用黑底白字。
检验
柜体外观检验
主要检验柜体的外形尺寸是否符合设计要求，结构强度是否足够，表面有无明显伤痕，凹陷等,颜色是否满足用户色标要求。
设备安装检验
主要检验的内容是柜内所有安装的设备是否符合要求，包括设备外观及设备固定的检验，柜内所有安装设备的型号，技术要求参数是否与图纸相符，设备的功能是否达到要求。
设备标识检验
检验所有安装设备的标识是否符合要求，标牌的材质、大小、文字，文字内容等是否与图纸相符。
配线检验
配线工艺及外观检验
a.主要检验所用的线缆的颜色、绝缘、截面是否满足设计要求,同时还要检查接线的工艺水平，美观性是否符合规范要求，线耳的压接，线头的处理，接线的牢固性等，线号字迹是否清晰，导线的排列应横平坚直，布置合理，整齐美观，尽量采用行线槽配线。
b.捆导线的夹具应结实可靠，不应损伤导线的外绝缘，禁止用尼龙线等易破坏绝缘的材料来捆扎线束。线与元件端子或端子排的连接应采用BVR软线，用螺母固定的端子需加接线片。导线接线端应加具有识别标识回路的编号，编号应正确,字迹清晰。
c.在跨门或翻板的连接导线必须采用多股铜芯绝缘软导线，并要留有一定的长度裕量，并采用缠绕带等给以保护，并采取固定线束的措施。
d.连接导线中间不允许有接头，每个接线端子的每侧只接一根线。
e.强弱电加路不应使用同一束电缆，应分束排列。
检验接线的准确性
用万用表对接线做准确性检查，每一条回路都按图纸核对，确认所有回路和接线的正确。
绝缘测试
用交流500V绝缘测试仪测量所有的带电回路对机架的绝缘电阻，绝缘电阻应大于20M Ω。
5、变频器性能介绍
变频器具有以下特点
优良的调速性能，可完全满足生产工艺要求；
良好的节能效果，可提高系统运行效率；
实现电机软启动，减小启动冲击，降低维护费用，延长设备使用寿命；
系统安全、可靠，确保水泵连续运行；
控制方便、灵活，自动化水平高；
输入谐波含量小，不对电网造成污染；
变频器性能特性
变频器采用先进的功率单元串联叠波技术，空间矢量控制的正弦波PWM调制方法，新颖的全中文操作界面和高性能IGBT功率器件，可靠性高、性能优越、操作简便。可应用于交流电动机驱动的风机、水泵类负载的调速、节能、软启动和智能控制等多种场合。
高质量电源输入：输入侧隔离变压器二次线圈经过移相，为功率单元提供电源。对于而言相当于30脉冲不可控整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，大大抑制了网侧谐波（尤其是低次谐波）的产生。变频器引起的电网谐波电压和谐波电流含量满足IEEE 519-1992和GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》对谐波含量最严格要求，无需安装输入滤波器并保护周边设备免受谐波干扰。正常调速范围内功率因数大于。无需功率因数补偿电容，减少无功输入，降低供电容量。
完美的输出性能：单元脉宽调制叠波输出， 6 kV系列每相5个单元，大大削弱了输出谐波含量，输出波形几近完美的正弦波。
输出电压波形输出电流波形
友好的用户界面：变频器采用中文LCD显示，面板轻触按钮直接操作，更适合国人使用习惯。
全中文文字表述，易学易用
大屏幕显示，可对多组参数进行设置，没有烦琐的参数代码号，参数设置准确、直观、便捷
运行参数同屏显示，一览无余
状态显示
可记录保存多达十个历次故障
其他特性：
高可靠性
高效率，额定工况下，系统总效率高达96%以上，其中变频部分效率大于98%
功率单元模块化结构，可以互换，维护简单
限流功能
飞车启动功能
输出电压自动调整
宽广的输入电压范围，更适合国内电网条件
功率单元光纤通讯控制，完全电气隔离
内置PID调节器，可实现闭环运行
隔离RS485接口，采用MODBUS通讯规约
具有本地、远程、上位三种控制方式
全面的故障监测电路、及时的故障报警保护和准确的故障记录保存
6、使用变频调速系统后优点
针对城市水管网需求，实时调整
白天用水高峰期水压要求较高，晚上用水低谷期水压要求较低，如果使用恒速水泵不能实现此功能。增加变频器后能够实现水管网要求，变频水泵做小范围水压调整，其它恒速水泵做较大水压调整使用。
提高网侧功率因数
原电机直接由水电机组驱动时，满载时功率因数为－，实际运行功率因数远低于额定值。采用变频调速系统后，电源侧的功率因数可提高到以上，大大的减少无功功率的吸收，进一步节约上游设备的运行费用。
降低设备运行与维护费用
采用变频调节后，通过调节电机转速实现节能；转速降低，主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻，维护周期、设备运行寿命延长；在使用变频器过程中，只需定期对变频器除尘，不用停机，保证了生产的连续性。从实际改造情况看，采用变频调速后，运行与维护费用大大降低。采用变频调节后，减少了水泵电机的磨损，维护工作量降低，检修费用下降。
软启软停功能
采用变频改造后，电机实现软启软停，启动电流不超过电机额定电流的倍，对电网无任何冲击，明显改善了设备的启动性能，延长了电机使用寿命。在整个运行范围内，电机可保证运行平稳，损耗减小，温升正常，无任何附加的异常振动和噪音。可对电机电流、功率因素进行监视，控制电动机端电压变化，使其在欠载或空载的情况下调整电动机上的电压，使其产生相应的转矩，从而达到节能的效果。
增强电机的保护功能
与原来旧系统相比较，变频器具有过流、过载、电压、缺相、温升等多项保护功能，更完善地保护了电机。
过流保护：为了防止过电流，变频器设置过电流保护电路。当电流超过某一数值时，变频器通过自关断电力半导体器件切断输出电流，或者调整水泵电机的运行状态，减小变频器的输出电流，从而达到保护电机的作用。
过载保护：变频器在系统软件中设置了电子热继电器保护，具有反时限保护功能。其原理是对逆变器的输出电流在一定时间间隔内进行积分处理，积分值反映电机发热的累积效应。当积分值超过一定值后，逆变器的保护功能开始发挥作用。
电压保护：当电源电压突然升高，或者电动机降速时，反馈能量来不及释放，使电机的再生电流增加，主电路直流电压超过过压检测值，形成再生电压。所以变频器具有过压保护和欠压保护的功能。
缺相保护：线路电源缺相时，会产生负序电流分量，三相电流不均衡或过大，引起电动机迅速烧毁。变频器具有保障电动机的安全运行，使其在发生缺相运行时能及时停止电动机的运行，避免造成电动机烧毁事故。
温升保护：变频器可以使电机的温升不超过电机的额定值，从而达到保护的功能。
失速保护：加速过程中的失速必然表现为过电流，变频器通过过电流和过负荷保护实现此项保护功能。减速过程中的失速有可能表现为过电流和直流母线过电压，对于后者，可通过在调试过程中设定安全的减速时间来避免，如果出现万一的情况，发生直流母线过电压，变频器保护电机停机。
实现高度自动化
采用变频改造后，系统运行操作简单，运行方便。可通过计算机远程给定水泵转速等参数，实现智能调节。
增强系统运行的可靠性
变频调速系统能有效地减小因大功率电机的启动对用电电网的冲击，大功率的水泵电机，每次开启都会对厂区电网有影响。通常定速水泵在启动时是额定运行电流的6—7倍，这样大的冲击电流易引起掉闸事故，对电网造成威胁。特别是在电网回路中的电流已经接近满负荷时，如果需要再开泵，虽然开启后总电流不超过满负荷规定的要求，但是因为启动电流太大，瞬间总电流将过额定要求，所以不能开泵，因此影响了正常的生产。如果使用了变频器后，水泵电机可以从0赫兹逐步上升至实际稳定的运行频率，电机电流也能逐渐升高，电网所受的冲击化解，从而提高了电网的安全运行系数。
适应电网电压波动能力强，电压工作范围宽，电网电压在-35%～+15%之间波动时，系统均可正常运行。
保护水管网的安全
变频调速系统保证管网中压力的平滑过度，减少暴管的几率。管网压力也是水厂的一项重要指导生产指标，压力过高，不仅容易暴管，而且电耗也升高了；压力过低，难以保证城市的正常用水。在各个时段对压力要求也不一样。原有水泵都为定速泵，只要水泵一开启，便运行在工频状态下，其频率、电流都固定，全部采用定速泵的组合不一定能够保证管网压力正好在所要求的压力值范围内，每当管网用水需求变化时，压力便明显变化，必须调整车次，这样做即不安全，也不经济，而且管网在调整车次的短时间内，压力变化
较大，易发生暴管事故。而采用变频泵，可以使压力维持恒定，管网需求变化时，靠调节变频泵的频率可以满足用水需求。从而大大降低了管网的暴管次数。
对水泵的保护
减少水压突然增减对水泵的冲击，减少叶片及叶轮的磨损。
7、项目改造方案
主要设备目录
主设备电机参数：
1.泵参数：
额定流量：扬程45m时4865m/s,扬程31m时7000m/s
额定扬程：40m
最大扬程：46、47
泵的效率：62%
现有流量控制方式：离心泵、启停控制
谁落差
2.电机参数：220kw
电机效率：80%
变频控制主回路设计
变频控制电机采用一拖一驱动，将原回路中改为变频器。变频控制的水泵电机一直在变频的状态运行。变频控制水泵电机电路回路图如下：
变频控制水泵电机电路回路图
为了保护变频器，在变频器与断路器DL之间还有电气联锁，联锁信号有：
合闸闭锁：将变频器“合闸允许”信号，串联于开关合闸回路。在变频投入状态下，变频器故障或不就绪时，断路器DL合闸不允许。
故障分闸：将变频器“分断”信号与旁路柜“变频投入”信号串联后，并联于开关分闸回路。在变频投入状态下，当变频器出现故障时，分断变频器输入。
变频器控制水泵电机是通过检测管道压力，直接反馈给变频器调整变频器输出频率，从而调节流量。
1、启动信号：启动变频器运行调整流量。
2、压力设定：设定管道所需的压力和量程。
3、压力反馈：压力传感器检测管道的压力反馈给变频器做自动调节，使实际压力等
于设定压力。
变频装置说明
变频调速系统外形及布局要求
变频调速系统外形尺寸长*高*深 =2200x800x600mm
变频器在正面操作，二次接线室在背面。为了保证操作、维护的方便性和通风散热效果，变频器正面距墙距离不小于米，背面和顶部距墙距离不小于1米。
变频器安装图（侧面）
使用16#槽钢焊接的底座上，通过点焊方式将其固定在安装槽钢上，槽钢需可靠接地，接地电阻不得大于4Ω。
节能分析
自来水厂的输水、供水是通过水泵的提升来实现。据网上数据显示水厂的电费占制水成本的35%～50%。因此，控制水泵的运行方式可以达到节能的目的。采用泵的变频调速调节流量可实现工艺需求。
变频调速调节
（1）理论公式
离心泵一般用曲线表示流量与扬程，轴功率、效率等之间的关系。根据水泵特性，若改变水泵转速时，有下列相似的关系：
q
1/q
2
=n
1
/n
2
（1）
h
1/h
2
=(n
1
/n
2
)2 （2）
n
1/n
2
=(n
1
/n
2
)3 （3）
它们表明了同一台叶片泵，当转速n变化时，其它性能参数将按上述比例关系而变化，由此得到与原特性曲线平行的不同的特性曲线。
（2）节能效果分析
图3 节能图解分析
由图3可知，当一水泵设计的额定流量为q
1，使q
2
能满足工况要求，有以下方式：
当采用变频调速控制时，可通过调整其频率使电机转速由n
1调到n
2
，水泵q-h曲线下
移到（q-h）’曲线，这样r
1线与（q-h）’曲线交于点b’（q
2
，h
3
），点b’即满足了流
量q
2的需求，又使水泵的高效区内运行，此时水泵扬程降到h
3
，轴功率为n
3
。也就说，采
用变频调速控制时可节省能耗，n=n
3-n
2
。
通过以上分析，我们会发现通过变频调速方法，可大大节省能源。节能计算结果：
我们按照以下参数进行计算
系统参数
1 流体密度kg/m3
2 落差m
泵参数
1 额定流量m3/h
2 额定扬程m
3 最大扬程m
4 泵的效率%
5 现有流量控制方式
电机参数
电源电压kV
2 电机功率kW
3 电机效率%
电机运行状况
90%流量下，运行h
80%流量下，运行h
70%流量下，运行h
电机运行时间为不停止运行
通过计算我们能够发现年节约用电2837MKW，如果按照每度电元计算，年节约费用1,589,114元。
8. 供货范围及报价
9. 工作计划表
硕湖泵房变频器改造工程进度计划
10. 提供的技术资料
1、硬件手册
2、操作手册
11. 技术服务
项目管理
我公司设项目经理，负责与用户取得联系，密切配合工程进展。派遣有经验的工程师进行各阶段现场的技术服务。提供买方人员在卖方场所和工作的便利。
涉及到和硬件设备的接口，对接事宜、规约问题要求，由我公司和系统成套商两家自行协调解决。
技术培训
我公司负责对用户技术人员进行系统培训，达到使用户能独立运行操作、日常维护的目的，培训时间为项目竣工设备可以正常运行，培训的地点为现场中控室，
现场服务
卖方将派遣足够数量的工程技术人员参加现场的安装调试和试验工作。
售后服务
终身售后服务，软件免费升级，免费培训。
终身免费提供监控装置与保护装置接口软、硬件，规约和接口装置。
卖方将在验收合格后12个月内提供免费的售后服务。包括：设备故障后免费维修更换等。卖方将在验收合格12个月后对相关的服务收取成本费。在系统发生故障并接到客户通知后，保证在8小时内响应，48小时内赶到现场。
在设备保质期内，免费更换正常操作所损坏的设备部件和零件。在设备保质期外，接受用户维修咨询和提供必要的服务，并定期回访用户。
售后服务人员一览表
12、施工方案
施工组织管理
工程项目管理规范
遵照国家对于计算机控制系统工程的实施过程管理规范，结合ISO：9001企业质量管理规范及CMM软件项目管理规范，我司建立了与自身特点相适应的项目管理方法论。
1、我司项目实施管理方法论的目的和宗旨是：
1）、保证客户满意；
2）、保证项目在进度计划、质量要求内完成；
3）、规范项目执行过程，积累知识财富；
2、我司项目实施管理方法论的特点包括：
1）、理论与实践的结合：ISO9001:2000、CMM项目管理的理论知识与项目实践在不断探索中趋于完美融合。
2）、质量管理的科学组织架构、明确的职责定位
3）、以客户满意、质量、进度为基本出发点
4）、项目实施成功的基础：5条线原则
与国家对于计算机控制项目实施过程的规范相结合，我司对于项目实施过程中的各个阶段，均制定了相应的管理和控制措施，以保障项目的顺利实施。
在项目的管理控制方面，我司也制定了相应的管理控制规范：
项目实施过程控制流程
项目实施过程监控流程
施工规划（组织方案和计划）
根据本项目的有关技术文件要求，并结合我公司在重大工程项目中的施工经验，我们提出本项目的施工组织方案和计划。它包括了工程实施过程中从运输、仓储管理、施工、安装、调试、测试运行全过程的计划及工程管理的要点的基本内容。