富士高压变频器在循环水泵中的应用

1、引言

   上海蓝星化工新材料厂隶属中国化工集团蓝星总公司，是中央在沪企业，主营业务为化工新材料聚甲醛生产、精细化工产品的研发和聚甲醛产品、各类相关化工产品、油料的销售及各种贸易。现有员工300人，一期建设占地面积17.5万平方米。

   科研人员经过30余年的探索，1998年建成我国最大的具有自主知识产权的聚甲醛中试装置，填补了国内聚甲醛产品空白，上海蓝星化工新材料厂的4万吨/年装置是在消化吸收自主知识产权基础上，通过引进部分生产技术及关键设备建设的规模化装置，目前公司4万吨/年的聚甲醛生产项目一期建设已经完成并投入生产。在今后的3-5年时间内，达到年产量20万吨，成为世界聚甲醛生产基地，并组建国家级中国化工聚甲醛的重点实验室，成为中国聚甲醛行业的领航企业。

   本次进行变频节能改造的设备是工厂原有的五台循环水泵机组的其中一台，所使用的高压变频器是日本富士电机生产的FRENIC4600FM5e系列高压变频器产品，容量为700kVA/6kV。正常使用情况下，该循环水泵机组为三用二备方式，变频改造前均为工频运行，改造后，为一台变频运行，两台工频运行，其中变频运行的那台水泵采用压力PID调节控制，即可以根据当前管道水压的情况(实际需求量)，对变频运行的水泵进行实时的速度调节控制，从而达到节能降耗、提高经济效益的目的。

2、循环水泵机组技术数据

a)循环水泵机组结构：

 循环水泵机组由五台水泵构成，正常使用方式为三用二备，进行变频改造的水泵为1#水泵，编号为P-2101A，如下图所示：

图一 循环水系统

3、高压变频器主要参数

日本富士电机生产的FRENIC4600FM5e系列高压变频器的主要参数如下：

4、变频改造后系统图

图二 变频改造后系统图

变频改造后系统描述：

1）改造前所使用的工频供电高压开关柜用作高压变频器主电源供电柜，从DCS控制室引出两组低压电源给变频器，分别为：控制电源(1φAC220V/50Hz)和风机电源(3φAC380V/50Hz)。

2）设置现场操作盒：包括启动按钮、停止按钮、运行指示灯、停止指示灯，运行指令由现场操作盒的启动按钮发出，同时，停止按钮用于停机，为了确保安全DCS控制室只设有停止指令，高压变频器的运行必须在现场操作。

3）循环水系统的管道压力PID控制运算由DCS控制系统完成，即根据压力设定值及压力传感器反馈值进行PID调节运算，然后输出一路模拟量频率给定 (4-20mA)到高压变频器，高压变频器按照给定的频率运行，实现了对循环水系统管道压力的闭环变频控制。

4）高压变频器也同时输出DO及AO信号给DCS控制系统，以便于DCS控制系统实时监视高压变频器的运行状况，具体的DO及AO信号为：

 DO：运转准备就绪、运转中、重故障、轻故障、输入断路器投入条件等；

 AO：变频器输出电流值；

5、变频节能原理

1）一般情况下，水泵类负载大都采用三相异步电动机拖动，根据异步电动机的转子转速计算公式(如下)，可见电动机的调速关键在于频率的控制：

其中：n---电机转速(rpm)；f---输入频率(Hz)；p---电机磁极对数；s---电机转差率；

而且，在水泵类负载中，水泵流量Q、水压H、轴功率P与转速n的关系如下：

在实际的应用中，对于三相异步电动机的调速控制通常采用交流变频器驱动来实现，那么，高压电动机就相应地配置高压变频器驱动，只要能够满足工艺要求的情况下尽量减少轴功率即是降低能耗的重点。

2）以下为水泵类负载变频改造前后的两种不同的流量调节控制方式：

首先，在变频改造之前，高压水泵的流量调节一般采用调节阀门控制，也就是利用改变管道阀门的开度，来调节水泵输出的流量，简称：变阀控制。

其次，在变频改造之后，水泵的高压电机由高压变频器驱动，通过高压变频器改变输出到电机的电源频率和电压，从而实现对交流电机的速度调节(无级调速)，达到控制水泵流量的目的，简称：变频控制。

如图三所示为水泵类负载的水压H和流量Q的曲线特性图：

图三 水泵及管网特性曲线

图中，n为水泵速度特性曲线，R为管网特性曲线，A1‘和C分别为两种流量调节控制方式下水泵的工作点，在变阀控制的情况下，从大流量Q1调到小流量Q2只能改变管网特性，工作点从A1调整到A1‘，由于速度没有变化，系统功率消耗得不到有效节省(由0-Q1-A1-H2点围成的面积与0-Q2-A1‘-H1‘点围成的面积大小相差无几)。

但是，在变频控制的情况下，如果把速度降到n2，工作点从A1调整到C，则在满足流量的同时降低了速度，从而减少了轴功率，达到节省能耗的目的(由He-C- A1‘-H1‘点围成的面积就是节能的效果，节能的空间相当大)。

6、节能效果分析

7、结束语

1）通过上述对循环水泵节能效果的计算分析，可知变频改造后的节电效果非常明显，因为计算结果是根据现场实际测量数据求得的，所以每年节能带来的经济效益真实可信，与循环水泵变频改造时的投入费用相比，短期内(大约两年)即可收回投资成本。

2）变频改造后，电动机就可以实现软启动功能，减少电动机启动时对机械系统的冲击，有助于延长电动机的使用寿命，并且有效抑制了电动机启动/停止时管网“水锤”效应的产生。

3）循环水泵采用变频调速控制后，在满足正常使用流量的同时，降低了管网的给水压力，

有效避免了管路接合处的泄漏，因此，大大提高循环水泵机组运行的安全性。

4）采用变频器驱动调速控制，对电动机进行无级调速，根据实际流量需求，非常方便地实现循环水管道压力PID实时调节，优化了生产工艺的调整过程。

参考文献

[1] 孙凯、刘惠康等，基于矢量控制的完美无谐波高压变频器应用研究