ATV1200變頻器在工業(yè)水回用節(jié)能改造中的應(yīng)用

孫兆瑞　于秋瑞

摘 要：該文介紹了工業(yè)污水回用的工況和能耗情況，通過案例對工業(yè)污水回用中外送離心水泵一次供電系統(tǒng)、二次控制系統(tǒng)設(shè)計以及對改造完成后運行效果和節(jié)能效果分析，詳細(xì)闡述了施耐德ATV1200高壓變頻器在的節(jié)能改造中的應(yīng)用。運行結(jié)果表明，利用ATV1200高壓變頻器對大功率水泵進行變頻驅(qū)動改造，節(jié)能效果明顯，提高設(shè)備和系統(tǒng)的安全可靠性。

關(guān)鍵詞：ATV1200高壓變頻器 工業(yè)污水回用 節(jié)能改造 安全可靠

中圖分類號：TP316.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0082-02

隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，節(jié)能減排已成為共識，而大多數(shù)的能源以電能的形式供應(yīng)，因此，節(jié)約電能是節(jié)能減排的重要組成部分。據(jù)統(tǒng)計目前全國各類電機年耗電量約占全國總發(fā)電量的65%，而其中大功率風(fēng)機、泵類的年耗電量約占工業(yè)總耗電量的50%，最大限度地降低風(fēng)機、泵類等設(shè)備的耗電量對于節(jié)能具有重要意義。

1 工業(yè)污水回用的工況

煉油化工工業(yè)污水回用是將工業(yè)污水通過隔油、浮選、曝氣池及沉淀等工藝環(huán)節(jié)的處理，達到國家或行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，再通過過濾、滲透等工藝步驟進行深度處理，能夠達到工業(yè)生產(chǎn)用水標(biāo)準(zhǔn)，回用到工業(yè)用水系統(tǒng)中，從而達到污水回用的再利用的目的。

1.1 工況特點

北京燕山一水廠，在整個煉油工業(yè)污水回用工藝過程中，涉及到物理過濾、沉淀與化學(xué)加藥等多種工藝處理方式，主要是利用設(shè)備對污水進行提升、加藥攪拌以及泵送來實現(xiàn)最終處理回用。污水回用處理的過程屬于連續(xù)不斷的生產(chǎn)過程，其中關(guān)鍵部位的原水提升、中間提升環(huán)節(jié)設(shè)備使用的是潛水泵，水回用外送主要采用高壓電機拖動離心泵工頻連續(xù)運行進行傳輸，以達到使用單位的需求。

1.2 能耗分析

在現(xiàn)場運行設(shè)備中，主要在提升和泵送兩個環(huán)節(jié)使用設(shè)備的功率較大，其耗電量占到整個回用水生產(chǎn)能耗的65%以上，特別是在回用水外送環(huán)節(jié)使用高壓電機拖動的離心水泵，其能耗占到總能耗的45%～50%之間，所以整個回用水能耗指標(biāo)受到外送水泵能耗的影響較大。

根據(jù)設(shè)備日常運行的工況分析，在設(shè)備運行過程中，閥門的開度基本上在30%～40%。根據(jù)離心泵工作原理，在工頻運行條件下，一部分能耗直接消耗在閥門要求相同的流量時，若是使用閥門調(diào)節(jié)來控制流量，則相對于水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，有ΔP的功率被損耗浪費了，并且隨著閥門的不斷關(guān)小，這個損耗還要增加。

根據(jù)外送泵的生產(chǎn)操作特性與工況，正常運行時外送泵閥門的開度基本上在30%～40%之間，根據(jù)離心泵工作原理，采用變頻調(diào)節(jié)裝置根據(jù)工況調(diào)節(jié)流量是很有必要性的。通過對運行工況及負(fù)載分析，為2臺外送水泵配備變頻器，通過變頻器可對泵的輸出壓力和流量進行直接控制，既可以調(diào)節(jié)泵的出水量，又可以降低電動機的功耗，從而達到了保證和改善工藝，又可達到節(jié)能降耗的目的和效果。

2 改造設(shè)計

2.1 一次系統(tǒng)供電改造

根據(jù)回用水外送泵工藝采用“一用一備”模式運行，由配電室的高壓斷路器直接供電，采用安裝操作柱，實現(xiàn)現(xiàn)場啟停和運行電流監(jiān)視功能。

為最大限度的節(jié)能，結(jié)合泵定期切換以及運行穩(wěn)定性要求，變頻系統(tǒng)采用一拖二方式，并能實現(xiàn)變頻和工頻運行。具體改造是采用一臺變頻器分別單獨傳動二臺水泵設(shè)備電動機中的一臺水泵電動機變頻運行，電動機可以變頻運行也可以通過旁路方式工頻運行，工頻運行和變頻運行可以根據(jù)現(xiàn)場需要進行靈活切換。

改造前、后一次供電系統(tǒng)如圖1：

變頻系統(tǒng)由變壓器柜、旁路柜、控制柜、功率柜及配套的現(xiàn)場斷路器柜。相關(guān)說明：

1QF和2QF以及M電動機為現(xiàn)場原有設(shè)備。VSD變頻器、含QS10、QF11和QF12的RM6高壓斷路器柜體、含QS1-QS3高壓隔離開關(guān)的一拖二旁路柜體以及QS4為新增設(shè)備。

系統(tǒng)要求正常情況下，允許有一負(fù)載工作在變頻狀態(tài)，另一負(fù)載工作在工頻狀態(tài)，也可以兩臺負(fù)載同時工作都在工頻狀態(tài)。變頻運行、工頻運行以及只能一臺水泵運行在變頻狀態(tài)具有相應(yīng)的機械以及電氣連鎖。

2.2 ATV1200變頻器簡介

ATV1200變頻器是施耐德公司推出的一款專用節(jié)能的中壓變頻器，采用了目前高壓變頻器最成熟的一種技術(shù)??—多電平串聯(lián)的技術(shù)來實現(xiàn)高壓電的輸出。這是目前高壓變頻器最成熟的一種技術(shù)。

該高壓變頻器具有運行穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、輸出波形正弦度好、輸入電流功率因數(shù)高、效率高等特點，對電網(wǎng)諧波污染小，直接滿足國際諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補償裝置，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt等問題，不必加輸出濾波器就可以使用普通的異步電機。由于這種結(jié)構(gòu)的高壓變頻器對電網(wǎng)和電機都幾乎沒有影響，所以選用ATV1200變頻器能夠從根本上解決變頻系統(tǒng)對高壓電網(wǎng)質(zhì)量的影響，并且能夠安全經(jīng)濟的使用。

2.3 控制方式

根據(jù)工藝調(diào)控操作要求，回用水外送泵變頻系統(tǒng)運行方式采用開環(huán)運行模式。

（1）現(xiàn)場操作箱控制，現(xiàn)場操作箱能夠?qū)崿F(xiàn)在就地控制兩臺清水泵電機的工頻和變頻運行機旁操做，具備變頻器以及對應(yīng)回路斷路器的啟動、停止、緊急停機和水泵工頻啟動、停止功能以及相應(yīng)的運行狀態(tài)顯示，數(shù)字頻率給定和反饋功能。

（2）柜體自帶HMI控制方式，變頻器柜體配有HMI人機界面，在就地控制箱轉(zhuǎn)換開關(guān)打到遠程位可實現(xiàn)變頻器的啟動、停機、參數(shù)設(shè)定等控制，可顯示輸出頻率、電壓、電流、功率級故障/報警等功能，顯示波形顯示等參數(shù)值。HMI人機界面以監(jiān)視為主，控制功能在調(diào)試時使用，正常運行時控制功能屏蔽。

（3）遠程中控室控制方式，在就地控制箱轉(zhuǎn)換開關(guān)打到中控室位可在中控室監(jiān)控畫面上對變頻系統(tǒng)進行運行頻率設(shè)定和緊急停機控制。中控室監(jiān)控主要以狀態(tài)顯示和相關(guān)保護報警信號及緊急停車為主，相關(guān)斷路器及變頻器的啟動功能在就地操作箱實現(xiàn)。endprint

2.4 系統(tǒng)改造關(guān)鍵點

由于改造前后兩臺泵的兩種運行方式的一次供電和二次控制系統(tǒng)存在相關(guān)性，改造注意點：

系統(tǒng)操作連鎖。變頻器和A臺泵電機由現(xiàn)場斷路器柜QF11與QF12控制，兩個斷路器之間實現(xiàn)電氣互鎖；旁路柜內(nèi)QS1、QS2、QS3為隔離刀，其中QS2和QS3為雙刀雙頭隔離開關(guān)，實現(xiàn)自然機械互鎖，同時3個隔離刀操作回路實現(xiàn)電磁鎖閉鎖功能；QS2與QF11、QS3與2QF之間電氣連鎖，實現(xiàn)A、B泵工頻、變頻互鎖；QS1與QF12、QS10與1QF之間電氣連鎖。

改造后采用集中控制，原有現(xiàn)場控制信號保留至新控制系統(tǒng)中，其中電流顯示采用數(shù)字表，將電流互感器二次0-1A電流信號轉(zhuǎn)為數(shù)字顯示。變頻器系統(tǒng)中變壓器柜、功率柜及控制柜運行期間要求具備柜門閉鎖報警功能。一次供電中增加QS4隔離刀，提供B臺工頻運行安全性，并作為檢修隔離使用，提供安全性。

變頻系統(tǒng)的安裝位置要考慮充分散熱。改造時將變頻系統(tǒng)安裝在空間相對大的房間，同時配備空調(diào)，以保證運行環(huán)境溫度受控，保障安全運行。

3 運行效果分析

3.1 運行效果

（1）使用變頻驅(qū)動回用水泵電機，出口調(diào)節(jié)閥門就可以處于90%以上的開度狀態(tài)（考慮靜揚程），對其維護量減少，而且消除出口閥節(jié)流時產(chǎn)生的噪音。

（2）變頻器在起動電機時，通過逐漸增大頻率，使電機起動電流從零線性上升，沒有任何沖擊，消除了大啟動電流對電機和泵負(fù)載的沖擊應(yīng)力，降低日常的維護保養(yǎng)費用，延長電機和泵的壽命。

（3）電機的加速和減速可根據(jù)工藝要求通過頻率實時調(diào)節(jié)，控制精度高，不僅保證穩(wěn)定供水，而且大大降低了操作勞動強度。

回用水外送泵變頻改造完成后，投入運行良好，達到了使用變頻的目的。

3.2 節(jié)能效果

3.2.1 節(jié)能分析

由于節(jié)能是減少電能的消耗值，無法直接測量，根據(jù)設(shè)備運行工況的變化情況，通過比較改造實施前后能耗的測量值確定。為分析節(jié)能效果，必須將改造措施對能耗的影響和產(chǎn)量增加對能耗的影響分離開。節(jié)能量是改造前實際能耗量與改造后實際能耗的差量。測量在泵工頻運行的條件下，調(diào)節(jié)輸出閥門開度（30%-40%左右）達到正常工況下泵的壓力，進行有功功率、有功電度等參數(shù)的測量來驗證工藝狀況是否變化，同時測量效果。

3.2.2 節(jié)能效果

（1）瞬時測量估算（如表1）

由于瞬時測量時水泵的實際運行負(fù)荷不同，工頻運行與變頻運行不能夠直接對比，但是根據(jù)變頻運行是的功率及電流參數(shù)，可以計算出在不同流量的工藝狀態(tài)下（最大與最?。?，變頻運行每年節(jié)能范圍位于20.5與39.1萬度之間（按每月30天計算）。

（2）累計時間段內(nèi)能耗計量（如表2）

通過累計時間段的流量及對應(yīng)的電能消耗分析，可以分別計算出工頻和變頻運行方式下，每噸水所消耗的電量分別為0.553度/t和0.482度/t，每噸水節(jié)約0.071度電，消除工藝調(diào)整回用水量變化時產(chǎn)生的影響因素。按照每月生產(chǎn)30萬噸回用水，變頻比工頻運行方式每年節(jié)約電能約26萬度。

（3）通過（1）、（2）中工頻與變頻運行分析得出，一是回用水外送泵采用變頻運行時節(jié)能效果明顯；二是負(fù)荷不同，節(jié)能效果不同，當(dāng)負(fù)荷變化大，且負(fù)荷較低時變頻運行節(jié)能效果更為顯著。

4 結(jié)語

隨著企業(yè)的不斷發(fā)展，市場競爭會日益激烈，節(jié)約能源降低生產(chǎn)成本，逐步提升企業(yè)競爭力顯得越來越重要，特別是電能的節(jié)約。交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)及其他行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，特別在工業(yè)水處理行業(yè)，正確的、有效的使用ATV1200變頻器對高能耗的水泵設(shè)備進行節(jié)電改造，是降低生產(chǎn)成本，提升設(shè)備效率，提高經(jīng)濟效益的有效方法。

參考文獻

[1] ATV1200高壓變頻器編程手冊.施耐德電氣.

[2] ATV1200安裝調(diào)試及維護手冊.施耐德電氣.

[3] 陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)電氣自動化新技叢書[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.endprint

2.4 系統(tǒng)改造關(guān)鍵點

由于改造前后兩臺泵的兩種運行方式的一次供電和二次控制系統(tǒng)存在相關(guān)性，改造注意點：

系統(tǒng)操作連鎖。變頻器和A臺泵電機由現(xiàn)場斷路器柜QF11與QF12控制，兩個斷路器之間實現(xiàn)電氣互鎖；旁路柜內(nèi)QS1、QS2、QS3為隔離刀，其中QS2和QS3為雙刀雙頭隔離開關(guān)，實現(xiàn)自然機械互鎖，同時3個隔離刀操作回路實現(xiàn)電磁鎖閉鎖功能；QS2與QF11、QS3與2QF之間電氣連鎖，實現(xiàn)A、B泵工頻、變頻互鎖；QS1與QF12、QS10與1QF之間電氣連鎖。

改造后采用集中控制，原有現(xiàn)場控制信號保留至新控制系統(tǒng)中，其中電流顯示采用數(shù)字表，將電流互感器二次0-1A電流信號轉(zhuǎn)為數(shù)字顯示。變頻器系統(tǒng)中變壓器柜、功率柜及控制柜運行期間要求具備柜門閉鎖報警功能。一次供電中增加QS4隔離刀，提供B臺工頻運行安全性，并作為檢修隔離使用，提供安全性。

變頻系統(tǒng)的安裝位置要考慮充分散熱。改造時將變頻系統(tǒng)安裝在空間相對大的房間，同時配備空調(diào)，以保證運行環(huán)境溫度受控，保障安全運行。

3 運行效果分析

3.1 運行效果

（1）使用變頻驅(qū)動回用水泵電機，出口調(diào)節(jié)閥門就可以處于90%以上的開度狀態(tài)（考慮靜揚程），對其維護量減少，而且消除出口閥節(jié)流時產(chǎn)生的噪音。

（2）變頻器在起動電機時，通過逐漸增大頻率，使電機起動電流從零線性上升，沒有任何沖擊，消除了大啟動電流對電機和泵負(fù)載的沖擊應(yīng)力，降低日常的維護保養(yǎng)費用，延長電機和泵的壽命。

（3）電機的加速和減速可根據(jù)工藝要求通過頻率實時調(diào)節(jié)，控制精度高，不僅保證穩(wěn)定供水，而且大大降低了操作勞動強度。

回用水外送泵變頻改造完成后，投入運行良好，達到了使用變頻的目的。

3.2 節(jié)能效果

3.2.1 節(jié)能分析

由于節(jié)能是減少電能的消耗值，無法直接測量，根據(jù)設(shè)備運行工況的變化情況，通過比較改造實施前后能耗的測量值確定。為分析節(jié)能效果，必須將改造措施對能耗的影響和產(chǎn)量增加對能耗的影響分離開。節(jié)能量是改造前實際能耗量與改造后實際能耗的差量。測量在泵工頻運行的條件下，調(diào)節(jié)輸出閥門開度（30%-40%左右）達到正常工況下泵的壓力，進行有功功率、有功電度等參數(shù)的測量來驗證工藝狀況是否變化，同時測量效果。

3.2.2 節(jié)能效果

（1）瞬時測量估算（如表1）

由于瞬時測量時水泵的實際運行負(fù)荷不同，工頻運行與變頻運行不能夠直接對比，但是根據(jù)變頻運行是的功率及電流參數(shù)，可以計算出在不同流量的工藝狀態(tài)下（最大與最?。?，變頻運行每年節(jié)能范圍位于20.5與39.1萬度之間（按每月30天計算）。

（2）累計時間段內(nèi)能耗計量（如表2）

通過累計時間段的流量及對應(yīng)的電能消耗分析，可以分別計算出工頻和變頻運行方式下，每噸水所消耗的電量分別為0.553度/t和0.482度/t，每噸水節(jié)約0.071度電，消除工藝調(diào)整回用水量變化時產(chǎn)生的影響因素。按照每月生產(chǎn)30萬噸回用水，變頻比工頻運行方式每年節(jié)約電能約26萬度。

（3）通過（1）、（2）中工頻與變頻運行分析得出，一是回用水外送泵采用變頻運行時節(jié)能效果明顯；二是負(fù)荷不同，節(jié)能效果不同，當(dāng)負(fù)荷變化大，且負(fù)荷較低時變頻運行節(jié)能效果更為顯著。

4 結(jié)語

隨著企業(yè)的不斷發(fā)展，市場競爭會日益激烈，節(jié)約能源降低生產(chǎn)成本，逐步提升企業(yè)競爭力顯得越來越重要，特別是電能的節(jié)約。交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)及其他行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，特別在工業(yè)水處理行業(yè)，正確的、有效的使用ATV1200變頻器對高能耗的水泵設(shè)備進行節(jié)電改造，是降低生產(chǎn)成本，提升設(shè)備效率，提高經(jīng)濟效益的有效方法。

參考文獻

[1] ATV1200高壓變頻器編程手冊.施耐德電氣.

[2] ATV1200安裝調(diào)試及維護手冊.施耐德電氣.

[3] 陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)電氣自動化新技叢書[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.endprint

2.4 系統(tǒng)改造關(guān)鍵點

由于改造前后兩臺泵的兩種運行方式的一次供電和二次控制系統(tǒng)存在相關(guān)性，改造注意點：

系統(tǒng)操作連鎖。變頻器和A臺泵電機由現(xiàn)場斷路器柜QF11與QF12控制，兩個斷路器之間實現(xiàn)電氣互鎖；旁路柜內(nèi)QS1、QS2、QS3為隔離刀，其中QS2和QS3為雙刀雙頭隔離開關(guān)，實現(xiàn)自然機械互鎖，同時3個隔離刀操作回路實現(xiàn)電磁鎖閉鎖功能；QS2與QF11、QS3與2QF之間電氣連鎖，實現(xiàn)A、B泵工頻、變頻互鎖；QS1與QF12、QS10與1QF之間電氣連鎖。

改造后采用集中控制，原有現(xiàn)場控制信號保留至新控制系統(tǒng)中，其中電流顯示采用數(shù)字表，將電流互感器二次0-1A電流信號轉(zhuǎn)為數(shù)字顯示。變頻器系統(tǒng)中變壓器柜、功率柜及控制柜運行期間要求具備柜門閉鎖報警功能。一次供電中增加QS4隔離刀，提供B臺工頻運行安全性，并作為檢修隔離使用，提供安全性。

變頻系統(tǒng)的安裝位置要考慮充分散熱。改造時將變頻系統(tǒng)安裝在空間相對大的房間，同時配備空調(diào)，以保證運行環(huán)境溫度受控，保障安全運行。

3 運行效果分析

3.1 運行效果

（1）使用變頻驅(qū)動回用水泵電機，出口調(diào)節(jié)閥門就可以處于90%以上的開度狀態(tài)（考慮靜揚程），對其維護量減少，而且消除出口閥節(jié)流時產(chǎn)生的噪音。

（2）變頻器在起動電機時，通過逐漸增大頻率，使電機起動電流從零線性上升，沒有任何沖擊，消除了大啟動電流對電機和泵負(fù)載的沖擊應(yīng)力，降低日常的維護保養(yǎng)費用，延長電機和泵的壽命。

（3）電機的加速和減速可根據(jù)工藝要求通過頻率實時調(diào)節(jié)，控制精度高，不僅保證穩(wěn)定供水，而且大大降低了操作勞動強度。

回用水外送泵變頻改造完成后，投入運行良好，達到了使用變頻的目的。

3.2 節(jié)能效果

3.2.1 節(jié)能分析

由于節(jié)能是減少電能的消耗值，無法直接測量，根據(jù)設(shè)備運行工況的變化情況，通過比較改造實施前后能耗的測量值確定。為分析節(jié)能效果，必須將改造措施對能耗的影響和產(chǎn)量增加對能耗的影響分離開。節(jié)能量是改造前實際能耗量與改造后實際能耗的差量。測量在泵工頻運行的條件下，調(diào)節(jié)輸出閥門開度（30%-40%左右）達到正常工況下泵的壓力，進行有功功率、有功電度等參數(shù)的測量來驗證工藝狀況是否變化，同時測量效果。

3.2.2 節(jié)能效果

（1）瞬時測量估算（如表1）

由于瞬時測量時水泵的實際運行負(fù)荷不同，工頻運行與變頻運行不能夠直接對比，但是根據(jù)變頻運行是的功率及電流參數(shù)，可以計算出在不同流量的工藝狀態(tài)下（最大與最小），變頻運行每年節(jié)能范圍位于20.5與39.1萬度之間（按每月30天計算）。

（2）累計時間段內(nèi)能耗計量（如表2）

通過累計時間段的流量及對應(yīng)的電能消耗分析，可以分別計算出工頻和變頻運行方式下，每噸水所消耗的電量分別為0.553度/t和0.482度/t，每噸水節(jié)約0.071度電，消除工藝調(diào)整回用水量變化時產(chǎn)生的影響因素。按照每月生產(chǎn)30萬噸回用水，變頻比工頻運行方式每年節(jié)約電能約26萬度。

（3）通過（1）、（2）中工頻與變頻運行分析得出，一是回用水外送泵采用變頻運行時節(jié)能效果明顯；二是負(fù)荷不同，節(jié)能效果不同，當(dāng)負(fù)荷變化大，且負(fù)荷較低時變頻運行節(jié)能效果更為顯著。

4 結(jié)語

隨著企業(yè)的不斷發(fā)展，市場競爭會日益激烈，節(jié)約能源降低生產(chǎn)成本，逐步提升企業(yè)競爭力顯得越來越重要，特別是電能的節(jié)約。交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)及其他行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，特別在工業(yè)水處理行業(yè)，正確的、有效的使用ATV1200變頻器對高能耗的水泵設(shè)備進行節(jié)電改造，是降低生產(chǎn)成本，提升設(shè)備效率，提高經(jīng)濟效益的有效方法。

參考文獻

[1] ATV1200高壓變頻器編程手冊.施耐德電氣.

[2] ATV1200安裝調(diào)試及維護手冊.施耐德電氣.

[3] 陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)電氣自動化新技叢書[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.endprint