淺談變頻器在燃?xì)庀到y(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要

摘要：本文對鞍山市燃?xì)庀到y(tǒng)中變頻器的應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)，為現(xiàn)有燃?xì)庀到y(tǒng)調(diào)速控制改造提供了參考和依據(jù)。關(guān)鍵詞：變壓器；負(fù)載率1 引言 在節(jié)能降耗日益重要的今天，無論從國家大
摘要：本文對鞍山市燃?xì)庀到y(tǒng)中變頻器的應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)，為現(xiàn)有燃?xì)庀到y(tǒng)調(diào)速控制改造提供了參考和依據(jù)。
關(guān)鍵詞：變壓器；負(fù)載率
1 引言
    在節(jié)能降耗日益重要的今天，無論從國家大力提倡企業(yè)降低資源的消耗，還是從企業(yè)自身經(jīng)濟(jì)利益及其發(fā)展的角度講，節(jié)能降耗都是企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。調(diào)速技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用帶來的節(jié)能效果是明顯的[1～3]，在燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)中主要耗電設(shè)備是燃?xì)廨斔皖愒O(shè)備(如燃?xì)鈮嚎s機(jī)和燃?xì)夤娘L(fēng)機(jī))與燃?xì)鉂穹摿騼艋O(shè)備(如溶液泵和空氣壓縮機(jī))，對其進(jìn)行變頻節(jié)能改造是企業(yè)的重中之重。
2 變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的功耗分析
    在各類負(fù)載中，以流體(氣體或液體)的流量作為控制對象的機(jī)械占有相當(dāng)大的比例，例如：風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等等。改變流量的方法一般有兩種：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，調(diào)節(jié)閥門(或風(fēng)門)的開度；閥門(或風(fēng)門)的開度恒定，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在被控流量相同的情況下，兩種方法的耗用功率是很不一樣的。
(1) 水泵系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量的方法比較
    見圖1，當(dāng)閥門全部打開時(shí)，供水系統(tǒng)的阻力特性是曲線1；額定轉(zhuǎn)速時(shí)，泵的揚(yáng)程特性是曲線2。這時(shí)，供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)為A點(diǎn)；流量為QA；揚(yáng)程為HA；電動(dòng)機(jī)的軸功率與面積0QAAHA成正比。
    要使流量減少為QB，主要的調(diào)節(jié)方法有兩種：
    ① 轉(zhuǎn)速不變、將閥門關(guān)小，這時(shí)阻力特性如曲線3所示，工作點(diǎn)上移至B點(diǎn)；流量為QB；揚(yáng)程為HB；電動(dòng)機(jī)的軸功率與面積0QBBHB成正比。
    ② 閥門的開度不變，降低轉(zhuǎn)速這時(shí)揚(yáng)程特性曲線如曲線4所示，工作點(diǎn)移至C點(diǎn)；流量仍為QB；但揚(yáng)程為HC；電動(dòng)機(jī)的軸功率與面積0QCCHC成正比。
對比以上兩種方法，可以十分明顯地看出，采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法來調(diào)節(jié)流量，電動(dòng)機(jī)所需要的功率將大大減少，因而是一種能夠顯著節(jié)約能源的方法。
 

    (2) 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量功耗比較分析
    由流體力學(xué)可知，風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功率Ps與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比。當(dāng)所需風(fēng)量減少風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降，如所需風(fēng)量為額定風(fēng)量的80%，則轉(zhuǎn)速也下降為額
    定轉(zhuǎn)速的80%，而軸功率下降為額定功率的從事燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)、管理及相關(guān)研究工作。51.2%，當(dāng)所需風(fēng)量為額定風(fēng)量的50%時(shí)，軸功率可以下降為額定功率的12.5%。
    當(dāng)然，轉(zhuǎn)速降低時(shí)，效率也會(huì)有所降低，同時(shí)還應(yīng)考慮控制裝置附加損耗，即便如此，這種方法的節(jié)電效果也是非?？捎^的。綜合以上分析可以看出變頻調(diào)速是節(jié)能方式的最佳選擇。
3 變頻器在燃?xì)馍a(chǎn)中的使用
    鞍山燃?xì)饪偣久磕晗碾娏窟_(dá)4.2×106kWh，其主要耗電設(shè)備是燃?xì)廨斔皖愒O(shè)備(如燃?xì)鈮嚎s機(jī)和燃?xì)夤娘L(fēng)機(jī))與燃?xì)鉂穹摿騼艋O(shè)備(如溶液泵和空氣壓縮機(jī))?？梢钥闯鲋饕碾娫O(shè)備都是風(fēng)機(jī)和泵類，采取變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)進(jìn)行控制其節(jié)能效果非常明顯。結(jié)合實(shí)際情況，選擇變頻器兩種控制方式，一是對供氣設(shè)備用變頻器做閉環(huán)調(diào)節(jié)保持市街管網(wǎng)的壓力恒定；二是對燃?xì)鉂穹摿騼艋瞄_環(huán)控制利用變頻器的無極調(diào)速功能。
(1) 變頻調(diào)速恒壓系統(tǒng)的基本配置
    鞍山燃?xì)饪偣臼褂米冾l調(diào)速恒壓系統(tǒng)是用在燃?xì)獾妮斔停暂敵鰤毫ψ鳛榭刂茖ο?，見圖2。由顯示設(shè)定控制器輸出控制信號(hào)接至變頻器，變頻器輸出控制電動(dòng)機(jī)的工作頻率，由壓力傳感器取出信號(hào)接至變頻器，利用變頻器白帶的內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器，與預(yù)置的壓力給定信號(hào)相比較后，經(jīng)PID調(diào)節(jié)控制改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
 

    變頻器采用西門子公司的MM4系列變頻器，壓力變送器采用本質(zhì)安全型，顯示給定器是集顯示現(xiàn)場實(shí)際壓力和設(shè)定壓力為一體的裝置。其工作方式是先將顯示給定器的量程設(shè)定成與變送器的量程一致，通過改變設(shè)定壓力，輸出與之相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，變頻器接收該信號(hào)并與變送器的信號(hào)相比較進(jìn)行PI控制。
(2) 變頻調(diào)速恒壓系統(tǒng)在燃?xì)夤庵械膽?yīng)用
    鞍山燃?xì)饪偣旧侥瞎庹竟?yīng)鞍鋼東鞍山燒結(jié)廠有一條專用供氣線，在未使用變頻器時(shí)使用的是30kW的羅茨鼓風(fēng)機(jī)供氣，當(dāng)需要壓力調(diào)節(jié)時(shí)工人去開閉旁通閥調(diào)節(jié)壓力，由于時(shí)間具有不確定性，加大了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)由于該設(shè)備連續(xù)運(yùn)行且距離居民住宅較近，在夏天半夜時(shí)的噪音很大，經(jīng)常有居民投訴。為此，鞍山燃?xì)饪偣緵Q定使用變頻器恒壓控制來保證供氣壓力穩(wěn)定，對于噪音的解決辦法，考慮選用大的羅茨鼓風(fēng)機(jī)，通過大幅度降低轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)噪音的降低，但選用大的羅茨鼓風(fēng)機(jī)同時(shí)又要從運(yùn)行費(fèi)用方面進(jìn)行分析。為此在改造之前，鞍山燃?xì)饪偣緦υ?0kW的羅茨鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行了耗電量分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)際耗電量為17.5kWh。變頻恒壓改造鞍山燃?xì)饪偣具x用的是90kW的羅茨鼓風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)器安裝在操作室內(nèi)，職工根據(jù)調(diào)度指令設(shè)定壓力。無論燒結(jié)廠用氣量如何變化，均能實(shí)現(xiàn)壓力的恒定，極大減輕了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度。變頻器的實(shí)際輸出頻率僅為17.6Hz，經(jīng)實(shí)際測量使用變頻器控制的90kW羅茨鼓風(fēng)機(jī)的實(shí)際耗電量儀為18.5kWh。改造后無論是在供氣工藝、噪音控制、耗電等方面均達(dá)到了理想效果。對交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，除具有顯著的節(jié)能作用、調(diào)速性能之外，還能保護(hù)附屬電氣設(shè)備，減小電機(jī)啟動(dòng)時(shí)造成的機(jī)械沖擊，是理想的節(jié)能和控制裝置。
(3) 變頻節(jié)能改造在濕法脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用
    在濕法脫硫系統(tǒng)采用開環(huán)控制，在滿足生產(chǎn)的前提下調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，實(shí)際頻率為溶液泵是40.5Hz、空壓機(jī)是45Hz。濕法脫硫系統(tǒng)是長期連續(xù)運(yùn)行設(shè)備，其節(jié)能效果相當(dāng)明顯，耗電量降低了20%左右。
4 變頻器在燃?xì)馍a(chǎn)使用中的綜合效益分析
(1) 提高變壓器的負(fù)載率
    電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)電流是額定電流的6～7倍，由于啟動(dòng)電流大對供電容量有較高要求。當(dāng)由變壓器進(jìn)行供電時(shí)，單臺(tái)電機(jī)的容量不能超過變壓器容量的1/3；當(dāng)由柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電時(shí)，單臺(tái)電機(jī)的容量不能超過發(fā)電機(jī)容量的1/4。這也造成供電容量大于設(shè)備容量之和較多的情況出現(xiàn)，使得基本電費(fèi)增加，同時(shí)也限制了供氣工藝的改造，不能選用更大電動(dòng)機(jī)容量的設(shè)備。當(dāng)使用變頻器控制電動(dòng)機(jī)時(shí)，啟動(dòng)電流為額定電流以下，這樣在供電容量不變的情況下，可以選用更大的電動(dòng)機(jī)。如鞍山燃?xì)饪偣捐F西供氣站是1997年改建，供電容量為800kVA，由2臺(tái)400kVA變壓器并列運(yùn)行，主要供氣設(shè)備功率為2臺(tái)160kW和1臺(tái)90kW羅茨鼓風(fēng)機(jī)，實(shí)際變壓器負(fù)載率為60%左右。隨著用氣量增加原有供氣能力已不能滿足需要，需要更新為兩臺(tái)250kW的羅茨鼓風(fēng)機(jī)，按照以前的控制方式需要對用電容量進(jìn)行增容，就需更換成2臺(tái)630kVA變壓器，會(huì)造成較大的投資。當(dāng)利用變頻器控制后，考慮到使用變頻器啟動(dòng)電機(jī)時(shí)啟動(dòng)電流是在額定電流以下，就不用對用電容量進(jìn)行增容，進(jìn)而節(jié)約資金。為此2008年增加變頻系統(tǒng)。用兩臺(tái)250kW的變頻器帶動(dòng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)供氣，仍然用原有的2臺(tái)400kVA變壓器并列運(yùn)行供電，實(shí)現(xiàn)了在不增容的前提下提升供氣能力，現(xiàn)在變壓器負(fù)載率為80%左右。
(2) 在天然氣供應(yīng)的應(yīng)急保證
    鞍山市焦?fàn)t氣與天然氣的供應(yīng)工藝上有區(qū)別，焦?fàn)t氣供應(yīng)由4個(gè)儲(chǔ)配站實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)狀供應(yīng)，天然氣是單獨(dú)儲(chǔ)配站支線供應(yīng)，這樣就對天然氣的供應(yīng)提出了更高的要求，一旦電網(wǎng)停電就會(huì)造成無法供氣的局面。隨著變頻器推廣應(yīng)用，能否使用發(fā)電機(jī)帶動(dòng)供氣鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行。天然氣儲(chǔ)配站配備有1臺(tái)120kVA的柴油發(fā)電機(jī)，是作為保證儲(chǔ)罐正常運(yùn)行的后備電源供應(yīng)，而天然氣的羅茨鼓風(fēng)機(jī)是160kW，按常理用120kVA的柴油發(fā)電機(jī)是決不可能帶動(dòng)的，但考慮到使用變頻器時(shí)電機(jī)啟動(dòng)電流是在額定電流以下，并且羅茨鼓風(fēng)機(jī)屬于輕載負(fù)荷，故此存在這種可能性。首先，測量電機(jī)啟動(dòng)電流，用變頻器帶動(dòng)的160kW電機(jī)啟動(dòng)電流為160A，低于發(fā)電機(jī)的額定電流180A，故此認(rèn)為可以進(jìn)行一下試驗(yàn)。經(jīng)過試驗(yàn)，120kVA的柴油發(fā)電機(jī)可以帶動(dòng)160kW的羅茨鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行供氣。但這種情況旨在維持市街管網(wǎng)的基本壓力，無法滿足供氣設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行。
5 結(jié)束語
    通過使用變頻器后，鞍山燃?xì)夤镜目偤碾娏肯陆盗?5%左右；實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了設(shè)備啟停時(shí)的電流和機(jī)械沖擊，延長了設(shè)備機(jī)組的使用壽命，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。使用變頻器啟動(dòng)電機(jī)時(shí)利用啟動(dòng)電流在額定電流以下的特性，實(shí)現(xiàn)了在不增容的前提下提升供氣能力，提高了變壓器的負(fù)載率，并利用該特性提高了天然氣供氣的可靠性。
參考文獻(xiàn)：
[1] 變頻器在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能，2009，20(4)：13-14.
[2] 淺談變頻器在焙燒多功能天車的應(yīng)用[J].2009.3：22-23，7.
[3] 供水系統(tǒng)調(diào)速控制改造能耗比較研究[J].科技信息，2009.26：90-91.
 
(本文作者：馬瑛超1 劉延智2 譚洪艷3 1.鞍山市燃?xì)饪偣?遼寧鞍山 114002：2.西安秦華天然氣有限公司 陜西西安 710075：3.遼寧科技大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 遼寧鞍山 114051)