【关键词】：高压大功率变频器、单元串联多电平、循环水泵、恒压供水、节能。
一、引言
中石油西南油气田分公司川西北气矿净化厂座落在四川省江油市，以四川江油中坝气田雷口坡气藏天然气为原料，对天然气进行净化加工，日处理量达50万立方米，是四川省重点企业。主要产品有：硫磺、石油液化气、天然气等，生产的化工产品远销国内外。西北气矿净化厂属于典型的石油化工行业，设备品种多、价值高、对设备完好率及连续运转可利用率要求较高。
川西北气矿净化厂脱硫分厂有1#、2#两台循环水泵，正常运行时“一用一备”，两台电机均为直接工频启动，启动电流大，既影响设备寿命又对电网产生较大冲击。脱硫工艺中,昼夜循环水温度变化较大,对循环水量要作出相应的调节。但原设备工频定速运行时，只能靠调节阀门的开度来调节循环水量的大小，通过人为改变管网的阻力，增加管网损耗来调节水量，造成相当大的一部分能量浪费在阀门上，致使电费居高不下。使用阀门调节流量，不仅不能够经济运行，而且增加了工人的工作量，调节不及时还会造成管网压力过高或过低，流量过大或过小，影响生产工艺及设备的安全运行。为了降低脱硫生产经济成本，提高工艺精度及工作效率，迫切需要对1#、2#循环水泵进行调速节能将耗改造。
经多次调研、考察，综合比较目前市场上的调速设备，最终决定采用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A直接高－高型变频器对两台循环水泵进行节能改造。
二、工况特点
(一)工艺流程
川西北天然气净化厂脱硫循环水系统主要由以下五个部分组成：冷却塔、中间池、循环水泵、溢流泵、脱硫装置。自脱硫装置排出的循环热水，经冷却塔冷却后流入中间池储存；其中大部分水经循环水泵供脱硫装置再度利用，多余部分则由溢流管道溢出。简单工艺流程如下：
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| 图1 脱流工艺流程 |
（二）工艺要求
1、进出冷却塔的温差恒定
要求温差范围恒定(4℃<△t<8℃)；如循环水泵阀门开大,水量增大,则冷却水温差减小，水量减小则温差增大。
2、最低压力钳位控制
要求变频器在保证脱硫装置入口水压(大于0.45Mpa)前提下，尽可能的节约循环水用水量，找到满足脱硫工艺生产要求的压力最低临界点。
（三）场地状况:
变频器室长7200mm,宽3000mm。(场地长度有限,无法并列摆放两台HARSVERT-A型变频器。)
（四）现场仪器仪表状况
压力变送器一块:单路输出4～20mA电流,负载能力300Ω（两线制）.
温差变送器一块:单路输出4～20mA电流,负载能力300Ω（四线制）.
（五）电机及水泵参数
| 1#、2#电机参数 | 1#、2#循环水泵参数 | ||
| 电机型号 | Y3556-4/YKK400-4 | 水泵型号 | 14SH-9A |
| 额定功率 | 315kW | 额定功率 | 315kW |
| 额定电压 | 6kV | 额定流量 | 1170m3/h |
| 额定电流 | 37.7A | 额定扬程 | 65m |
| 额定转速 | 1475rpm | 额定转速 | 1450rpm |
| 功率因数 | 0.86 | ||
三、现场调试及问题解决方案：
（一）场地问题
考虑到现场安装条件有限，现场决定将变频装置与手动旁路柜分开摆放：将1#、2#变频装置（单台外型尺寸(mm)(W×H×D)： 3300×2574×1200）并排摆放在变频器室内，而旁路柜则置于循环水泵现场。这样摆放的结果既解决了场地问题，又方便操作人员在循环水泵现场就能观察到变频器送电情况，两全其美。
（二）压力临界点
参考脱硫装置工艺要求，得出“压力”是保证脱硫生产的充分条件，即压力达到0.46Mpa，才能保证脱硫装置正常运行。泵出口压力过低则无法克服水的势能，无法将循环水送至冷却塔；压力过高则泵出水量增大，经冷却循环水的效率不高。因此决定采用“恒压”闭环控制方法，调整变频装置给定频率，找到工艺所需的压力最低临界点，使其即满足工艺所需压力又能保证循环水需求量，使进出冷却塔的温差△t稳定在4℃～8℃之间。经反复试验论证，当给定频率为43Hz时，水泵的压力（0.51 MPa）满足工艺要求，温差4.92℃ ，因此定43Hz为压力临界点。
调试参数表格如下：
| 给定频率 | 输入电压 | 输入电流 | 输出电压 | 输出电流 | 电机转速 | 反馈压力 |
| 20Hz | 6.02 kV | 4.68A | 2.24 V | 8.64 A | 592rpm | 0.15 MPa |
| 30 Hz | 5.98 kV | 9.6A | 3.48 V | 10.8 A | 888 rpm | 0.25 MPa |
| 40 Hz | 5.98 kV | 14.4A | 4.74 V | 19.4 A | 1184 rpm | 0.45 MPa |
| 45 Hz | 5.98 kV | 22.6A | 5.40 V | 25.92 A | 1332 rpm | 0.55 MPa |
| 50 Hz | 5.94 kV | 27.8A | 5.82 V | 31.2 A | 1480 rpm | 0.72 MPa |
| 43 Hz | 5.98 kV | 19.3 A | 4.84 V | 23.74 A | 1272.8 rpm | 0.51 MPa |
| 42.5 Hz | 5.98 kV | 17.5 A | 4.76 V | 22.32 A | 1258 rpm | 0.48 MPa |
| 42 Hz | 5.94 kV | 17.1 A | 4.72 V | 22.2 A | 1243.2 rpm | 0.46 MPa |
（三）变送器负载能力
由于现场只有一块单路输出的压力变送器，且带载能力只有300Ω，而变频器内置S7-200型PLC的模拟量输入模块EM235的输入电阻为250Ω；如将两台变频器的模拟输入回路串联，两个EM235的输入电阻即为500Ω，单台压力变送器无法带动两个EM235模块，此方案不可行。因此现场将压力变送器接入单台变频装置的EM235模块，利用S7-200的模拟量输出模块EM232实时输出一路现场压力，用此输出信号作为另一台变频器EM235的模拟输入。原理框图如图2：
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| 图2 |
四、节能计算
(一)水泵变频调速的节能原理
根据流体力学原理：
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| 图3 |
当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变水量的性能曲线，使水泵的额定参数满足工艺要求，根据水泵的相似定律，变速前后水量、水压、功率与转速之间关系为：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/P2=（n1/n2）3
P=H×Q
Q1 、H1、P1—风机在n1转速时的水量、水压、功率；
Q2、H2、P2—风机在n2转速时相似工况条
