論變頻技術(shù)的應(yīng)用

劉玉亭

(棗莊南郊熱電有限公司,山東 棗莊 277100)

摘要:簡(jiǎn)要的論述了恒壓供水變頻節(jié)能的原理;結(jié)合實(shí)例對(duì)變頻節(jié)能的效果進(jìn)行了計(jì)算。

關(guān)鍵詞:變頻;節(jié)能;原理;節(jié)能效果計(jì)算

中圖分類號(hào):TM344.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):16723198(2009)15029201

1引言

我電廠的綜合泵房共有9臺(tái)水泵,其中有3臺(tái)工業(yè)水泵,2臺(tái)消防穩(wěn)壓泵,2臺(tái)消防泵,2臺(tái)生活水泵。而工業(yè)水泵承擔(dān)著我公司兩臺(tái)5萬KW汽機(jī),兩臺(tái)額定蒸發(fā)量220T/H鍋爐生產(chǎn)用水的供水任務(wù),工業(yè)水泵的型號(hào):250SSK468/54,流量:468m3/h,揚(yáng)程54米,轉(zhuǎn)速1470 r/min,配用功率110KW;配用電機(jī)型號(hào)Y315S-4B3,電壓380V,電流201A,轉(zhuǎn)速1480 r/min.建廠初期由于設(shè)計(jì)問題,全部采用工頻運(yùn)行。為了保證生產(chǎn)的可靠性,各種水泵在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí),都留有一定的富余量。電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行,除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成電能的浪費(fèi),

2007年由于燃煤機(jī)組發(fā)電成本越漲越高,為了節(jié)能增效,公司采購了2臺(tái)西門子MICROMASTER430系列MM400變頻器,對(duì)供水量最大的工業(yè)水泵進(jìn)行節(jié)能改造?？刂品绞綖?#工業(yè)水泵使用一臺(tái)變頻器,2#和3#共用一臺(tái)變頻器控制。一臺(tái)變頻器設(shè)一臺(tái)壓力變送器,壓力變送器把工業(yè)水泵出口母管壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成4—0mA電流信號(hào)送到變頻器。變頻器根據(jù)變送器提供的電流信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速,從而維持生產(chǎn)需要的供水壓力,形成一個(gè)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。改造完成后,工業(yè)水泵的控制系統(tǒng)不僅很好的完成了公司生產(chǎn)用水的任務(wù),而且給公司節(jié)約了大量的能源。

2采用變頻技術(shù)前后工業(yè)水泵的流量特性

水泵電機(jī)工頻運(yùn)行 如圖1所示,當(dāng)水泵工作在曲線②的A點(diǎn)時(shí),其流量與壓力分別為Q1、P2,此時(shí)水泵所需的功率正比于P2與Q1的乘積。由于工藝要求需減小水量到Q2,通過增加管網(wǎng)管阻,使水泵的工作點(diǎn)移到曲線③上的B點(diǎn),水壓增大到P1,這時(shí)水泵所需的功率正比于P1與Q2的乘積,由圖可見這種調(diào)節(jié)方式控制雖然簡(jiǎn)單,但功率消耗并無減少。

若水泵電機(jī)采用變頻調(diào)速,水泵轉(zhuǎn)速由n1下降到n2,這時(shí)工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到C點(diǎn),流量仍是Q2,壓力由p2降到p3,這時(shí)變頻調(diào)速后水泵所需的功率正比于p3與Q2的乘積,由圖可見功率的減少是明顯的。

3改造設(shè)計(jì)

3.1調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)終端用戶生產(chǎn)工藝供水要求,考慮若干方面的因素,采用閉環(huán)調(diào)速控制(圖2)。系統(tǒng)主要由兩部分組成。

(1)控制對(duì)象。工業(yè)水泵電機(jī)功率110kW,額定電流201A;水泵配用功率l10kW,流量468m3/h,揚(yáng)程54m。

(2)變頻調(diào)速設(shè)備。變頻器選用西門子MICROMASTER430系列MM400變頻器,適配電動(dòng)機(jī)功率150kW;PLC選用S7-200 CPU226;擴(kuò)展模塊EM235;操作面板選用PSW 1711-CTN。

(3)壓力測(cè)量變送器(PT)。選用EJA430A-630SE/S1-2Mpa。用于控制水管出口壓力并將壓力信號(hào)變換為4mA-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào),再輸入調(diào)節(jié)器。

3.2鼠籠型電動(dòng)機(jī)變頻改造設(shè)計(jì)

(1)變頻器選型。

電機(jī)用變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)同采用工頻電源運(yùn)轉(zhuǎn)相比,電機(jī)的效率、功率因數(shù)將降低,電流增加,對(duì)同一負(fù)載而言約增加10%,400V電壓等級(jí)頻率為50Hz和60Hz時(shí)有如下電流關(guān)系:I400/50>I400/60。電機(jī)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)在50Hz時(shí)溫升裕量小,要降低負(fù)載轉(zhuǎn)矩使用;當(dāng)電機(jī)極數(shù)>4極時(shí)(如8極、10極等),選擇變頻器容量要用電流來校核,即電動(dòng)機(jī)脈動(dòng)電流應(yīng)不超過變頻器的過電流耐量,1脈動(dòng)<1.51;Ie電機(jī)負(fù)載很輕時(shí),即使電機(jī)的電流在變頻器額定以內(nèi),亦不能使用比電動(dòng)機(jī)容量小很多的變頻器。

低速時(shí),電機(jī)的銅耗大體與額定時(shí)相同,但由于轉(zhuǎn)速越低,電機(jī)冷卻效果越差,定子的溫升會(huì)發(fā)生變化。因此,選擇變頻器時(shí),要考慮在低速下使用電機(jī)的溫升,相應(yīng)減小運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩(電流),降低銅耗。

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在低頻區(qū)時(shí),轉(zhuǎn)矩特性會(huì)大幅度降低。對(duì)于負(fù)載變動(dòng)大或啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的情況,可選用上一級(jí)電動(dòng)機(jī)與變頻器。要考慮電機(jī)允許最高頻率的范圍。

(2)容量的選擇。

連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備所需的變頻器容量的計(jì)算,要考慮變頻器傳給電動(dòng)機(jī)是脈動(dòng)電流,其脈動(dòng)值比工頻供電時(shí)電流要大,因此變頻器的容量須留有適當(dāng)?shù)牧??？紤]到離心泵負(fù)載的具體情況,并參照廠家提供的產(chǎn)品選擇樣本確定變頻器的容量為150kVA。

4節(jié)能效果計(jì)算

節(jié)能效果可按GB12497《三相異步電機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理》強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督指南中的計(jì)算公式計(jì)算:采用閥門調(diào)節(jié)流量對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)輸入功率P1V與流量口的關(guān)系為:

P1V=[0.45+0.55(Q/QN)2]P1e;

式中 P1e——額定流量時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入功率,KW;

QN——額定流量,m3/h;

工業(yè)水泵采用變頻調(diào)速后節(jié)電率Ki為:

Ki=1-(Q/QN)3/[0.45+0.55(Q/QN)2]。

低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行電壓380V,電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流201A,水泵電機(jī)功率l10kW、極數(shù)4極、實(shí)際出力為55%～83%,取Q/QN=0.69得:

Ki=1-(Q/QN)3/[0.45+0.55(Q/QN)2]=1-0.693/(0.45+0.55×0.692)=0.5385;

P1e=1.732×380×201=132KW;

P1V=(0.45+0.55×0.692)×P1e=0.7119×132=94kW。

變頻器調(diào)速調(diào)節(jié)水量時(shí)相對(duì)閥門調(diào)節(jié)水量的節(jié)電率為0.5385。設(shè)備運(yùn)行每年按300天計(jì)算。年節(jié)電量超過27萬kW/h。按電價(jià)0.55元/kW/h計(jì)算,年節(jié)約電費(fèi)超過14.8萬元,技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益可觀。

5我公司變頻器其它方面的應(yīng)用

工業(yè)水泵變頻節(jié)能改造成功之后,公司又對(duì)兩臺(tái)消防穩(wěn)壓泵和兩臺(tái)除鹽水泵進(jìn)行了改造。兩臺(tái)消防穩(wěn)壓泵自動(dòng)切換使用一臺(tái)西門子MICROMASTER430系列MM400變頻器;兩臺(tái)除鹽水泵自動(dòng)切換使用一臺(tái)西門子MICROMASTER430系列MM400變頻器。也都獲得了很好的節(jié)能效果。

然而,在電廠廠用電中耗電最多的四大輔機(jī):給水泵(3臺(tái)),引風(fēng)機(jī)(4臺(tái)),一次風(fēng)機(jī)(2臺(tái)),二次風(fēng)機(jī)(2臺(tái)),卻仍然沒有采用變頻或是液力耦合等節(jié)能技術(shù)。電機(jī)全部工頻運(yùn)行,只是用調(diào)節(jié)其出口閥門開度來調(diào)節(jié)介質(zhì)流量,系統(tǒng)癟壓情況較嚴(yán)重,壓力不穩(wěn)定。設(shè)備振動(dòng)厲害,給生產(chǎn)帶來很多不穩(wěn)定的因素,同時(shí)浪費(fèi)了大量電能。

公司管理層現(xiàn)已經(jīng)越來越意識(shí)到節(jié)能的重要性,也正在進(jìn)行有計(jì)劃的改造工作。希望不久的將來能給公司帶來更加可觀的經(jīng)濟(jì)效益。