ATV1200变频器在工业水回用节能改造中的应用

孙兆瑞　于秋瑞

摘 要：该文介绍了工业污水回用的工况和能耗情况，通过案例对工业污水回用中外送离心水泵一次供电系统、二次控制系统设计以及对改造完成后运行效果和节能效果分析，详细阐述了施耐德ATV1200高压变频器在的节能改造中的应用。运行结果表明，利用ATV1200高压变频器对大功率水泵进行变频驱动改造，节能效果明显，提高设备和系统的安全可靠性。

关键词：ATV1200高压变频器 工业污水回用 节能改造 安全可靠

中图分类号：TP316.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0082-02

随着国民经济的持续发展，节能减排已成为共识，而大多数的能源以电能的形式供应，因此，节约电能是节能减排的重要组成部分。据统计目前全国各类电机年耗电量约占全国总发电量的65%，而其中大功率风机、泵类的年耗电量约占工业总耗电量的50%，最大限度地降低风机、泵类等设备的耗电量对于节能具有重要意义。

1 工业污水回用的工况

炼油化工工业污水回用是将工业污水通过隔油、浮选、曝气池及沉淀等工艺环节的处理，达到国家或行业排放标准的前提下，再通过过滤、渗透等工艺步骤进行深度处理，能够达到工业生产用水标准，回用到工业用水系统中，从而达到污水回用的再利用的目的。

1.1 工况特点

北京燕山一水厂，在整个炼油工业污水回用工艺过程中，涉及到物理过滤、沉淀与化学加药等多种工艺处理方式，主要是利用设备对污水进行提升、加药搅拌以及泵送来实现最终处理回用。污水回用处理的过程属于连续不断的生产过程，其中关键部位的原水提升、中间提升环节设备使用的是潜水泵，水回用外送主要采用高压电机拖动离心泵工频连续运行进行传输，以达到使用单位的需求。

1.2 能耗分析

在现场运行设备中，主要在提升和泵送两个环节使用设备的功率较大，其耗电量占到整个回用水生产能耗的65%以上，特别是在回用水外送环节使用高压电机拖动的离心水泵，其能耗占到总能耗的45%～50%之间，所以整个回用水能耗指标受到外送水泵能耗的影响较大。

根据设备日常运行的工况分析，在设备运行过程中，阀门的开度基本上在30%～40%。根据离心泵工作原理，在工频运行条件下，一部分能耗直接消耗在阀门要求相同的流量时，若是使用阀门调节来控制流量，则相对于水泵转速调节，有ΔP的功率被损耗浪费了，并且随着阀门的不断关小，这个损耗还要增加。

根据外送泵的生产操作特性与工况，正常运行时外送泵阀门的开度基本上在30%～40%之间，根据离心泵工作原理，采用变频调节装置根据工况调节流量是很有必要性的。通过对运行工况及负载分析，为2台外送水泵配备变频器，通过变频器可对泵的输出压力和流量进行直接控制，既可以调节泵的出水量，又可以降低电动机的功耗，从而达到了保证和改善工艺，又可达到节能降耗的目的和效果。

2 改造设计

2.1 一次系统供电改造

根据回用水外送泵工艺采用“一用一备”模式运行，由配电室的高压断路器直接供电，采用安装操作柱，实现现场启停和运行电流监视功能。

为最大限度的节能，结合泵定期切换以及运行稳定性要求，变频系统采用一拖二方式，并能实现变频和工频运行。具体改造是采用一台变频器分别单独传动二台水泵设备电动机中的一台水泵电动机变频运行，电动机可以变频运行也可以通过旁路方式工频运行，工频运行和变频运行可以根据现场需要进行灵活切换。

改造前、后一次供电系统如图1：

变频系统由变压器柜、旁路柜、控制柜、功率柜及配套的现场断路器柜。相关说明：

1QF和2QF以及M电动机为现场原有设备。VSD变频器、含QS10、QF11和QF12的RM6高压断路器柜体、含QS1-QS3高压隔离开关的一拖二旁路柜体以及QS4为新增设备。

系统要求正常情况下，允许有一负载工作在变频状态，另一负载工作在工频状态，也可以两台负载同时工作都在工频状态。变频运行、工频运行以及只能一台水泵运行在变频状态具有相应的机械以及电气连锁。

2.2 ATV1200变频器简介

ATV1200变频器是施耐德公司推出的一款专用节能的中压变频器，采用了目前高压变频器最成熟的一种技术??—多电平串联的技术来实现高压电的输出。这是目前高压变频器最成熟的一种技术。

该高压变频器具有运行稳定、调速范围广、输出波形正弦度好、输入电流功率因数高、效率高等特点，对电网谐波污染小，直接满足国际谐波抑制标准，功率因数高，不必采用功率因数补偿装置，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt等问题，不必加输出滤波器就可以使用普通的异步电机。由于这种结构的高压变频器对电网和电机都几乎没有影响，所以选用ATV1200变频器能够从根本上解决变频系统对高压电网质量的影响，并且能够安全经济的使用。

2.3 控制方式

根据工艺调控操作要求，回用水外送泵变频系统运行方式采用开环运行模式。

（1）现场操作箱控制，现场操作箱能够实现在就地控制两台清水泵电机的工频和变频运行机旁操做，具备变频器以及对应回路断路器的启动、停止、紧急停机和水泵工频启动、停止功能以及相应的运行状态显示，数字频率给定和反馈功能。

（2）柜体自带HMI控制方式，变频器柜体配有HMI人机界面，在就地控制箱转换开关打到远程位可实现变频器的启动、停机、参数设定等控制，可显示输出频率、电压、电流、功率级故障/报警等功能，显示波形显示等参数值。HMI人机界面以监视为主，控制功能在调试时使用，正常运行时控制功能屏蔽。

（3）远程中控室控制方式，在就地控制箱转换开关打到中控室位可在中控室监控画面上对变频系统进行运行频率设定和紧急停机控制。中控室监控主要以状态显示和相关保护报警信号及紧急停车为主，相关断路器及变频器的启动功能在就地操作箱实现。endprint

2.4 系统改造关键点

由于改造前后两台泵的两种运行方式的一次供电和二次控制系统存在相关性，改造注意点：

系统操作连锁。变频器和A台泵电机由现场断路器柜QF11与QF12控制，两个断路器之间实现电气互锁；旁路柜内QS1、QS2、QS3为隔离刀，其中QS2和QS3为双刀双头隔离开关，实现自然机械互锁，同时3个隔离刀操作回路实现电磁锁闭锁功能；QS2与QF11、QS3与2QF之间电气连锁，实现A、B泵工频、变频互锁；QS1与QF12、QS10与1QF之间电气连锁。

改造后采用集中控制，原有现场控制信号保留至新控制系统中，其中电流显示采用数字表，将电流互感器二次0-1A电流信号转为数字显示。变频器系统中变压器柜、功率柜及控制柜运行期间要求具备柜门闭锁报警功能。一次供电中增加QS4隔离刀，提供B台工频运行安全性，并作为检修隔离使用，提供安全性。

变频系统的安装位置要考虑充分散热。改造时将变频系统安装在空间相对大的房间，同时配备空调，以保证运行环境温度受控，保障安全运行。

3 运行效果分析

3.1 运行效果

（1）使用变频驱动回用水泵电机，出口调节阀门就可以处于90%以上的开度状态（考虑静扬程），对其维护量减少，而且消除出口阀节流时产生的噪音。

（2）变频器在起动电机时，通过逐渐增大频率，使电机起动电流从零线性上升，没有任何冲击，消除了大启动电流对电机和泵负载的冲击应力，降低日常的维护保养费用，延长电机和泵的寿命。

（3）电机的加速和减速可根据工艺要求通过频率实时调节，控制精度高，不仅保证稳定供水，而且大大降低了操作劳动强度。

回用水外送泵变频改造完成后，投入运行良好，达到了使用变频的目的。

3.2 节能效果

3.2.1 节能分析

由于节能是减少电能的消耗值，无法直接测量，根据设备运行工况的变化情况，通过比较改造实施前后能耗的测量值确定。为分析节能效果，必须将改造措施对能耗的影响和产量增加对能耗的影响分离开。节能量是改造前实际能耗量与改造后实际能耗的差量。测量在泵工频运行的条件下，调节输出阀门开度（30%-40%左右）达到正常工况下泵的压力，进行有功功率、有功电度等参数的测量来验证工艺状况是否变化，同时测量效果。

3.2.2 节能效果

（1）瞬时测量估算（如表1）

由于瞬时测量时水泵的实际运行负荷不同，工频运行与变频运行不能够直接对比，但是根据变频运行是的功率及电流参数，可以计算出在不同流量的工艺状态下（最大与最小），变频运行每年节能范围位于20.5与39.1万度之间（按每月30天计算）。

（2）累计时间段内能耗计量（如表2）

通过累计时间段的流量及对应的电能消耗分析，可以分别计算出工频和变频运行方式下，每吨水所消耗的电量分别为0.553度/t和0.482度/t，每吨水节约0.071度电，消除工艺调整回用水量变化时产生的影响因素。按照每月生产30万吨回用水，变频比工频运行方式每年节约电能约26万度。

（3）通过（1）、（2）中工频与变频运行分析得出，一是回用水外送泵采用变频运行时节能效果明显；二是负荷不同，节能效果不同，当负荷变化大，且负荷较低时变频运行节能效果更为显著。

4 结语

随着企业的不断发展，市场竞争会日益激烈，节约能源降低生产成本，逐步提升企业竞争力显得越来越重要，特别是电能的节约。交流变频调速技术在工业及其他行业应用越来越广泛，特别在工业水处理行业，正确的、有效的使用ATV1200变频器对高能耗的水泵设备进行节电改造，是降低生产成本，提升设备效率，提高经济效益的有效方法。

参考文献

[1] ATV1200高压变频器编程手册.施耐德电气.

[2] ATV1200安装调试及维护手册.施耐德电气.

[3] 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统电气自动化新技丛书[M].北京：机械工业出版社，1998.endprint

2.4 系统改造关键点

由于改造前后两台泵的两种运行方式的一次供电和二次控制系统存在相关性，改造注意点：

系统操作连锁。变频器和A台泵电机由现场断路器柜QF11与QF12控制，两个断路器之间实现电气互锁；旁路柜内QS1、QS2、QS3为隔离刀，其中QS2和QS3为双刀双头隔离开关，实现自然机械互锁，同时3个隔离刀操作回路实现电磁锁闭锁功能；QS2与QF11、QS3与2QF之间电气连锁，实现A、B泵工频、变频互锁；QS1与QF12、QS10与1QF之间电气连锁。

改造后采用集中控制，原有现场控制信号保留至新控制系统中，其中电流显示采用数字表，将电流互感器二次0-1A电流信号转为数字显示。变频器系统中变压器柜、功率柜及控制柜运行期间要求具备柜门闭锁报警功能。一次供电中增加QS4隔离刀，提供B台工频运行安全性，并作为检修隔离使用，提供安全性。

变频系统的安装位置要考虑充分散热。改造时将变频系统安装在空间相对大的房间，同时配备空调，以保证运行环境温度受控，保障安全运行。

3 运行效果分析

3.1 运行效果

（1）使用变频驱动回用水泵电机，出口调节阀门就可以处于90%以上的开度状态（考虑静扬程），对其维护量减少，而且消除出口阀节流时产生的噪音。

（2）变频器在起动电机时，通过逐渐增大频率，使电机起动电流从零线性上升，没有任何冲击，消除了大启动电流对电机和泵负载的冲击应力，降低日常的维护保养费用，延长电机和泵的寿命。

（3）电机的加速和减速可根据工艺要求通过频率实时调节，控制精度高，不仅保证稳定供水，而且大大降低了操作劳动强度。

回用水外送泵变频改造完成后，投入运行良好，达到了使用变频的目的。

3.2 节能效果

3.2.1 节能分析

由于节能是减少电能的消耗值，无法直接测量，根据设备运行工况的变化情况，通过比较改造实施前后能耗的测量值确定。为分析节能效果，必须将改造措施对能耗的影响和产量增加对能耗的影响分离开。节能量是改造前实际能耗量与改造后实际能耗的差量。测量在泵工频运行的条件下，调节输出阀门开度（30%-40%左右）达到正常工况下泵的压力，进行有功功率、有功电度等参数的测量来验证工艺状况是否变化，同时测量效果。

3.2.2 节能效果

（1）瞬时测量估算（如表1）

由于瞬时测量时水泵的实际运行负荷不同，工频运行与变频运行不能够直接对比，但是根据变频运行是的功率及电流参数，可以计算出在不同流量的工艺状态下（最大与最小），变频运行每年节能范围位于20.5与39.1万度之间（按每月30天计算）。

（2）累计时间段内能耗计量（如表2）

通过累计时间段的流量及对应的电能消耗分析，可以分别计算出工频和变频运行方式下，每吨水所消耗的电量分别为0.553度/t和0.482度/t，每吨水节约0.071度电，消除工艺调整回用水量变化时产生的影响因素。按照每月生产30万吨回用水，变频比工频运行方式每年节约电能约26万度。

（3）通过（1）、（2）中工频与变频运行分析得出，一是回用水外送泵采用变频运行时节能效果明显；二是负荷不同，节能效果不同，当负荷变化大，且负荷较低时变频运行节能效果更为显著。

4 结语

随着企业的不断发展，市场竞争会日益激烈，节约能源降低生产成本，逐步提升企业竞争力显得越来越重要，特别是电能的节约。交流变频调速技术在工业及其他行业应用越来越广泛，特别在工业水处理行业，正确的、有效的使用ATV1200变频器对高能耗的水泵设备进行节电改造，是降低生产成本，提升设备效率，提高经济效益的有效方法。

参考文献

[1] ATV1200高压变频器编程手册.施耐德电气.

[2] ATV1200安装调试及维护手册.施耐德电气.

[3] 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统电气自动化新技丛书[M].北京：机械工业出版社，1998.endprint

2.4 系统改造关键点

由于改造前后两台泵的两种运行方式的一次供电和二次控制系统存在相关性，改造注意点：

系统操作连锁。变频器和A台泵电机由现场断路器柜QF11与QF12控制，两个断路器之间实现电气互锁；旁路柜内QS1、QS2、QS3为隔离刀，其中QS2和QS3为双刀双头隔离开关，实现自然机械互锁，同时3个隔离刀操作回路实现电磁锁闭锁功能；QS2与QF11、QS3与2QF之间电气连锁，实现A、B泵工频、变频互锁；QS1与QF12、QS10与1QF之间电气连锁。

改造后采用集中控制，原有现场控制信号保留至新控制系统中，其中电流显示采用数字表，将电流互感器二次0-1A电流信号转为数字显示。变频器系统中变压器柜、功率柜及控制柜运行期间要求具备柜门闭锁报警功能。一次供电中增加QS4隔离刀，提供B台工频运行安全性，并作为检修隔离使用，提供安全性。

变频系统的安装位置要考虑充分散热。改造时将变频系统安装在空间相对大的房间，同时配备空调，以保证运行环境温度受控，保障安全运行。

3 运行效果分析

3.1 运行效果

（1）使用变频驱动回用水泵电机，出口调节阀门就可以处于90%以上的开度状态（考虑静扬程），对其维护量减少，而且消除出口阀节流时产生的噪音。

（2）变频器在起动电机时，通过逐渐增大频率，使电机起动电流从零线性上升，没有任何冲击，消除了大启动电流对电机和泵负载的冲击应力，降低日常的维护保养费用，延长电机和泵的寿命。

（3）电机的加速和减速可根据工艺要求通过频率实时调节，控制精度高，不仅保证稳定供水，而且大大降低了操作劳动强度。

回用水外送泵变频改造完成后，投入运行良好，达到了使用变频的目的。

3.2 节能效果

3.2.1 节能分析

由于节能是减少电能的消耗值，无法直接测量，根据设备运行工况的变化情况，通过比较改造实施前后能耗的测量值确定。为分析节能效果，必须将改造措施对能耗的影响和产量增加对能耗的影响分离开。节能量是改造前实际能耗量与改造后实际能耗的差量。测量在泵工频运行的条件下，调节输出阀门开度（30%-40%左右）达到正常工况下泵的压力，进行有功功率、有功电度等参数的测量来验证工艺状况是否变化，同时测量效果。

3.2.2 节能效果

（1）瞬时测量估算（如表1）

由于瞬时测量时水泵的实际运行负荷不同，工频运行与变频运行不能够直接对比，但是根据变频运行是的功率及电流参数，可以计算出在不同流量的工艺状态下（最大与最小），变频运行每年节能范围位于20.5与39.1万度之间（按每月30天计算）。

（2）累计时间段内能耗计量（如表2）

通过累计时间段的流量及对应的电能消耗分析，可以分别计算出工频和变频运行方式下，每吨水所消耗的电量分别为0.553度/t和0.482度/t，每吨水节约0.071度电，消除工艺调整回用水量变化时产生的影响因素。按照每月生产30万吨回用水，变频比工频运行方式每年节约电能约26万度。

（3）通过（1）、（2）中工频与变频运行分析得出，一是回用水外送泵采用变频运行时节能效果明显；二是负荷不同，节能效果不同，当负荷变化大，且负荷较低时变频运行节能效果更为显著。

4 结语

随着企业的不断发展，市场竞争会日益激烈，节约能源降低生产成本，逐步提升企业竞争力显得越来越重要，特别是电能的节约。交流变频调速技术在工业及其他行业应用越来越广泛，特别在工业水处理行业，正确的、有效的使用ATV1200变频器对高能耗的水泵设备进行节电改造，是降低生产成本，提升设备效率，提高经济效益的有效方法。

参考文献

[1] ATV1200高压变频器编程手册.施耐德电气.

[2] ATV1200安装调试及维护手册.施耐德电气.

[3] 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统电气自动化新技丛书[M].北京：机械工业出版社，1998.endprint