ATV1200變頻器在工業水回用節能改造中的應用

孫兆瑞　于秋瑞

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

關鍵詞：ATV1200高壓變頻器 工業污水回用 節能改造 安全可靠

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

隨著國民經濟的持續發展，節能減排已成為共識，而大多數的能源以電能的形式供應，因此，節約電能是節能減排的重要組成部分。據統計目前全國各類電機年耗電量約占全國總發電量的65%，而其中大功率風機、泵類的年耗電量約占工業總耗電量的50%，最大限度地降低風機、泵類等設備的耗電量對于節能具有重要意義。

1 工業污水回用的工況

煉油化工工業污水回用是將工業污水通過隔油、浮選、曝氣池及沉淀等工藝環節的處理，達到國家或行業排放標準的前提下，再通過過濾、滲透等工藝步驟進行深度處理，能夠達到工業生產用水標準，回用到工業用水系統中，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，在整個煉油工業污水回用工藝過程中，涉及到物理過濾、沉淀與化學加藥等多種工藝處理方式，主要是利用設備對污水進行提升、加藥攪拌以及泵送來實現最終處理回用。污水回用處理的過程屬于連續不斷的生產過程，其中關鍵部位的原水提升、中間提升環節設備使用的是潛水泵，水回用外送主要采用高壓電機拖動離心泵工頻連續運行進行傳輸，以達到使用單位的需求。

1.2 能耗分析

在現場運行設備中，主要在提升和泵送兩個環節使用設備的功率較大，其耗電量占到整個回用水生產能耗的65%以上，特別是在回用水外送環節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受到外送水泵能耗的影響較大。

根據設備日常運行的工況分析，在設備運行過程中，閥門的開度基本上在30%～40%。根據離心泵工作原理，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，若是使用閥門調節來控制流量，則相對于水泵轉速調節，有ΔP的功率被損耗浪費了，并且隨著閥門的不斷關小，這個損耗還要增加。

根據外送泵的生產操作特性與工況，正常運行時外送泵閥門的開度基本上在30%～40%之間，根據離心泵工作原理，采用變頻調節裝置根據工況調節流量是很有必要性的。通過對運行工況及負載分析，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，既可以調節泵的出水量，又可以降低電動機的功耗，從而達到了保證和改善工藝，又可達到節能降耗的目的和效果。

2 改造設計

2.1 一次系統供電改造

根據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，實現現場啟停和運行電流監視功能。

為最大限度的節能，結合泵定期切換以及運行穩定性要求，變頻系統采用一拖二方式，并能實現變頻和工頻運行。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現場需要進行靈活切換。

改造前、后一次供電系統如圖1：

變頻系統由變壓器柜、旁路柜、控制柜、功率柜及配套的現場斷路器柜。相關說明：

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

系統要求正常情況下，允許有一負載工作在變頻狀態，另一負載工作在工頻狀態，也可以兩臺負載同時工作都在工頻狀態。變頻運行、工頻運行以及只能一臺水泵運行在變頻狀態具有相應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??—多電平串聯的技術來實現高壓電的輸出。這是目前高壓變頻器最成熟的一種技術。

該高壓變頻器具有運行穩定、調速范圍廣、輸出波形正弦度好、輸入電流功率因數高、效率高等特點，對電網諧波污染小，直接滿足國際諧波抑制標準，功率因數高，不必采用功率因數補償裝置，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、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。由于這種結構的高壓變頻器對電網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對高壓電網質量的影響，并且能夠安全經濟的使用。

2.3 控制方式

根據工藝調控操作要求，回用水外送泵變頻系統運行方式采用開環運行模式。

（1）現場操作箱控制，現場操作箱能夠實現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、停止功能以及相應的運行狀態顯示，數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，在就地控制箱轉換開關打到遠程位可實現變頻器的啟動、停機、參數設定等控制，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值。HMI人機界面以監視為主，控制功能在調試時使用，正常運行時控制功能屏蔽。

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

2.4 系統改造關鍵點

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存在相關性，改造注意點：

系統操作連鎖。變頻器和A臺泵電機由現場斷路器柜QF11與QF12控制，兩個斷路器之間實現電氣互鎖；旁路柜內QS1、QS2、QS3為隔離刀，其中QS2和QS3為雙刀雙頭隔離開關，實現自然機械互鎖，同時3個隔離刀操作回路實現電磁鎖閉鎖功能；QS2與QF11、QS3與2QF之間電氣連鎖，實現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，原有現場控制信號保留至新控制系統中，其中電流顯示采用數字表，將電流互感器二次0-1A電流信號轉為數字顯示。變頻器系統中變壓器柜、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。

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

3 運行效果分析

3.1 運行效果

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

（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載的沖擊應力，降低日常的維護保養費用，延長電機和泵的壽命。

（3）電機的加速和減速可根據工藝要求通過頻率實時調節，控制精度高，不僅保證穩定供水，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 節能效果

3.2.1 節能分析

由于節能是減少電能的消耗值，無法直接測量，根據設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。為分析節能效果，必須將改造措施對能耗的影響和產量增加對能耗的影響分離開。節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，調節輸出閥門開度（30%-40%左右）達到正常工況下泵的壓力，進行有功功率、有功電度等參數的測量來驗證工藝狀況是否變化，同時測量效果。

3.2.2 節能效果

（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荷不同，工頻運行與變頻運行不能夠直接對比，但是根據變頻運行是的功率及電流參數，可以計算出在不同流量的工藝狀態下（最大與最小），變頻運行每年節能范圍位于20.5與39.1萬度之間（按每月30天計算）。

（2）累計時間段內能耗計量（如表2）

通過累計時間段的流量及對應的電能消耗分析，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，每噸水節約0.071度電，消除工藝調整回用水量變化時產生的影響因素。按照每月生產30萬噸回用水，變頻比工頻運行方式每年節約電能約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能效果明顯；二是負荷不同，節能效果不同，當負荷變化大，且負荷較低時變頻運行節能效果更為顯著。

4 結語

隨著企業的不斷發展，市場競爭會日益激烈，節約能源降低生產成本，逐步提升企業競爭力顯得越來越重要，特別是電能的節約。交流變頻調速技術在工業及其他行業應用越來越廣泛，特別在工業水處理行業，正確的、有效的使用ATV1200變頻器對高能耗的水泵設備進行節電改造，是降低生產成本，提升設備效率，提高經濟效益的有效方法。

參考文獻

[1] ATV1200高壓變頻器編程手冊.施耐德電氣.

[2] ATV1200安裝調試及維護手冊.施耐德電氣.

[3] 陳伯時，陳敏遜.交流調速系統電氣自動化新技叢書[M].北京：機械工業出版社，1998.endprint

2.4 系統改造關鍵點

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存在相關性，改造注意點：

系統操作連鎖。變頻器和A臺泵電機由現場斷路器柜QF11與QF12控制，兩個斷路器之間實現電氣互鎖；旁路柜內QS1、QS2、QS3為隔離刀，其中QS2和QS3為雙刀雙頭隔離開關，實現自然機械互鎖，同時3個隔離刀操作回路實現電磁鎖閉鎖功能；QS2與QF11、QS3與2QF之間電氣連鎖，實現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，原有現場控制信號保留至新控制系統中，其中電流顯示采用數字表，將電流互感器二次0-1A電流信號轉為數字顯示。變頻器系統中變壓器柜、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。

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

3 運行效果分析

3.1 運行效果

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

（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載的沖擊應力，降低日常的維護保養費用，延長電機和泵的壽命。

（3）電機的加速和減速可根據工藝要求通過頻率實時調節，控制精度高，不僅保證穩定供水，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 節能效果

3.2.1 節能分析

由于節能是減少電能的消耗值，無法直接測量，根據設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。為分析節能效果，必須將改造措施對能耗的影響和產量增加對能耗的影響分離開。節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，調節輸出閥門開度（30%-40%左右）達到正常工況下泵的壓力，進行有功功率、有功電度等參數的測量來驗證工藝狀況是否變化，同時測量效果。

3.2.2 節能效果

（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荷不同，工頻運行與變頻運行不能夠直接對比，但是根據變頻運行是的功率及電流參數，可以計算出在不同流量的工藝狀態下（最大與最小），變頻運行每年節能范圍位于20.5與39.1萬度之間（按每月30天計算）。

（2）累計時間段內能耗計量（如表2）

通過累計時間段的流量及對應的電能消耗分析，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，每噸水節約0.071度電，消除工藝調整回用水量變化時產生的影響因素。按照每月生產30萬噸回用水，變頻比工頻運行方式每年節約電能約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能效果明顯；二是負荷不同，節能效果不同，當負荷變化大，且負荷較低時變頻運行節能效果更為顯著。

4 結語

隨著企業的不斷發展，市場競爭會日益激烈，節約能源降低生產成本，逐步提升企業競爭力顯得越來越重要，特別是電能的節約。交流變頻調速技術在工業及其他行業應用越來越廣泛，特別在工業水處理行業，正確的、有效的使用ATV1200變頻器對高能耗的水泵設備進行節電改造，是降低生產成本，提升設備效率，提高經濟效益的有效方法。

參考文獻

[1] ATV1200高壓變頻器編程手冊.施耐德電氣.

[2] ATV1200安裝調試及維護手冊.施耐德電氣.

[3] 陳伯時，陳敏遜.交流調速系統電氣自動化新技叢書[M].北京：機械工業出版社，1998.endprint

2.4 系統改造關鍵點

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存在相關性，改造注意點：

系統操作連鎖。變頻器和A臺泵電機由現場斷路器柜QF11與QF12控制，兩個斷路器之間實現電氣互鎖；旁路柜內QS1、QS2、QS3為隔離刀，其中QS2和QS3為雙刀雙頭隔離開關，實現自然機械互鎖，同時3個隔離刀操作回路實現電磁鎖閉鎖功能；QS2與QF11、QS3與2QF之間電氣連鎖，實現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，原有現場控制信號保留至新控制系統中，其中電流顯示采用數字表，將電流互感器二次0-1A電流信號轉為數字顯示。變頻器系統中變壓器柜、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。

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

3 運行效果分析

3.1 運行效果

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

（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載的沖擊應力，降低日常的維護保養費用，延長電機和泵的壽命。

（3）電機的加速和減速可根據工藝要求通過頻率實時調節，控制精度高，不僅保證穩定供水，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 節能效果

3.2.1 節能分析

由于節能是減少電能的消耗值，無法直接測量，根據設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。為分析節能效果，必須將改造措施對能耗的影響和產量增加對能耗的影響分離開。節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，調節輸出閥門開度（30%-40%左右）達到正常工況下泵的壓力，進行有功功率、有功電度等參數的測量來驗證工藝狀況是否變化，同時測量效果。

3.2.2 節能效果

（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荷不同，工頻運行與變頻運行不能夠直接對比，但是根據變頻運行是的功率及電流參數，可以計算出在不同流量的工藝狀態下（最大與最小），變頻運行每年節能范圍位于20.5與39.1萬度之間（按每月30天計算）。

（2）累計時間段內能耗計量（如表2）

通過累計時間段的流量及對應的電能消耗分析，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，每噸水節約0.071度電，消除工藝調整回用水量變化時產生的影響因素。按照每月生產30萬噸回用水，變頻比工頻運行方式每年節約電能約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能效果明顯；二是負荷不同，節能效果不同，當負荷變化大，且負荷較低時變頻運行節能效果更為顯著。

4 結語

隨著企業的不斷發展，市場競爭會日益激烈，節約能源降低生產成本，逐步提升企業競爭力顯得越來越重要，特別是電能的節約。交流變頻調速技術在工業及其他行業應用越來越廣泛，特別在工業水處理行業，正確的、有效的使用ATV1200變頻器對高能耗的水泵設備進行節電改造，是降低生產成本，提升設備效率，提高經濟效益的有效方法。

參考文獻

[1] ATV1200高壓變頻器編程手冊.施耐德電氣.

[2] ATV1200安裝調試及維護手冊.施耐德電氣.

[3] 陳伯時，陳敏遜.交流調速系統電氣自動化新技叢書[M].北京：機械工業出版社，1998.endprint