混凝土攪拌電機系統(tǒng)節(jié)能與評估*

強 雄， 彭 酉， 嚴蓓蘭， 賀文琪

(1.上海電科電機科技有限公司，上海 200063;

2.上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心，上海 200063;

3.上海電器設(shè)備檢測所，上海 200063)

0 引言

電動機廣泛應(yīng)用于風機、空壓機、制冷機和車床等機械裝置及其他各類電氣設(shè)備中，是量大面廣的終端耗能大戶。據(jù)統(tǒng)計，我國各類電動機用電量約占全國用電量的60%?，F(xiàn)我國電機系統(tǒng)主要存在以下兩方面的問題:(1)電動機及被拖動設(shè)備效率低，比國外先進水平低2% ～5%;(2)系統(tǒng)匹配不合理，大馬拉小車現(xiàn)象嚴重，系統(tǒng)效率比國外先進水平低10% ～20%。近年來，我國的資源環(huán)境問題日益突出，節(jié)能減排形勢十分嚴峻，近期國家公布的千家重點需要節(jié)能減排的企業(yè)中，電機系統(tǒng)為用電量較大的設(shè)備，國內(nèi)很多企業(yè)急需對現(xiàn)有電機系統(tǒng)進行節(jié)能改造。

目前我國正處于城市綜合功能升級、加快經(jīng)濟建設(shè)的重要時期，各類基礎(chǔ)、商業(yè)設(shè)施的建設(shè)大大增加了對混凝土的需求量，混凝土攪拌電機系統(tǒng)用電量約占攪拌站用電量的80%。本文在典型工況現(xiàn)場詳細測試的基礎(chǔ)上，對攪拌電機系統(tǒng)進行了科學全面的分析，找出存在的節(jié)能空間，提出可以提高系統(tǒng)運行效率的改造建議，達到降低系統(tǒng)能耗、提高系統(tǒng)運行效率的目的。

1 系統(tǒng)概況

一套典型的攪拌電機系統(tǒng)包括上料皮帶機、螺旋輸送機、泵、攪拌主機(通常是2臺功率相同的三相異步電動機)等，系統(tǒng)裝機容量約為200 kW，攪拌能力為2 m3/次(或其他的立方量)，一個這樣的系統(tǒng)稱之為攪拌臺，攪拌站一般由3～4個攪拌臺組成，以適應(yīng)不同立方量的需求，系統(tǒng)主要耗用能源是電力?；炷翑嚢韫に嚍殓P車將堆料場石子和黃沙運送到皮帶機，皮帶機分別將石子和黃沙輸送到角料倉，角料倉由多個小倉位組成，分別存放了石子、黃沙、其他粉塵、水泥等各類預拌混凝土的原材料，布料機按計算機控制分別打開倉門，根據(jù)混凝土配方要求將石子、黃沙等原材料逐一放至稱量斗稱量至標準定額數(shù)量，再將其放到攪拌機內(nèi)，加入適量的水由攪拌主機攪拌混合為成品，最后由攪拌車外運，圖1為生產(chǎn)工藝流程圖。其中生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備和工藝是攪拌主機和攪拌過程，攪拌主機約占攪拌電機系統(tǒng)用電量的80%，是系統(tǒng)中的重點耗能設(shè)備。

根據(jù)現(xiàn)場了解的情況，攪拌主機平均每天運行16 h，除去每年30天的維修停用，全年運行時間為5 280 h，全年用電量38.5萬kWh。攪拌主機參數(shù)如表1所示。

圖1 生產(chǎn)工藝流程圖

表1 攪拌主機參數(shù)

2 系統(tǒng)測試

現(xiàn)場測試時情況復雜多變，測試前應(yīng)具備攪拌主機的參數(shù)、運行記錄等有關(guān)資料和生產(chǎn)工藝流程圖樣，測試必須在攪拌主機正常運行工況下進行，測試的時間選擇和測算數(shù)值的取值應(yīng)具有代表性。測試時不影響生產(chǎn)、不斷電，使用便攜式電參數(shù)測試儀或電能質(zhì)量分析儀，配置柔性電流鉗，在現(xiàn)場配電柜內(nèi)空間小、布線緊密的情況下仍可較方便地進行電流測試;同時還需配置一定容量的存儲空間和計算機通信接口，以方便長時間連續(xù)記錄數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析。測試系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)記錄儀、電壓傳感器、電流傳感器和計算機四部分組成，如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)示意圖

(1)37 kW攪拌主機現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)(攪拌C20型混凝土)如圖3、4所示，數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3 37 kW攪拌主機運行電流圖

圖4 37 kW攪拌主機運行功率圖

(2)65 kW攪拌主機現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)(攪拌C20型混凝土)如圖5、6所示，數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 37 kW攪拌主機運行數(shù)據(jù)(攪拌C20型混凝土，2 m3)

圖5 65 kW攪拌主機運行電流圖

圖6 65 kW攪拌主機運行功率圖

表3 65 kW攪拌主機運行數(shù)據(jù)(攪拌C20型混凝土，4 m3)

3 系統(tǒng)分析與節(jié)能

通過對上述測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析和現(xiàn)場生產(chǎn)情況的調(diào)查，得出攪拌主機在用能上有一定的節(jié)能空間。

3.1 攪拌主機用能上存在的問題

(1)攪拌主機一個攪拌過程只要約60 s，在攪拌車進出和不攪拌混凝土期間是50 Hz、380 V空載運行并不停機，造成電能浪費。經(jīng)了解，工藝上對空載運行轉(zhuǎn)速沒有要求。

(2)攪拌主機在攪拌時的實際轉(zhuǎn)速比工藝要求高了10%，同時負載率約為75%，轉(zhuǎn)速和負載率均沒有用足。

(3)攪拌機主機現(xiàn)為星-三角降壓起動，優(yōu)點是可以降低起動電流，其缺點在于起動轉(zhuǎn)矩降到三角形接法的1/3，起動時間相對變長，沖擊電流的時間增多，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其他用電設(shè)備的運行安全，同時攪拌主機工頻起動對其本身沖擊大，電機軸承的磨損大，所以設(shè)備維護工作繁瑣。

3.2 攪拌主機系統(tǒng)節(jié)能方案

根據(jù)上述分析，攪拌主機的功率和轉(zhuǎn)速接近于線性關(guān)系，降低轉(zhuǎn)速使功率下降可達到節(jié)能的目的。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，調(diào)速平滑、范圍寬，安裝使用方便，成本不高，故擬采用閉環(huán)變頻調(diào)速控制節(jié)能技術(shù)的優(yōu)化方案，大幅降低空載時主機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，適當降低負載時主機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，詳細的優(yōu)化數(shù)據(jù)如表4所示。對攪拌主機進行變頻改造時，考慮攪拌主機在實際運行過程中根據(jù)攪拌物料的特性以及加入其他化學物質(zhì)的時間不同，設(shè)定多段速度進行控制，提高生產(chǎn)效率的同時更加節(jié)能。采用矢量控制技術(shù)(見圖6)和PID調(diào)節(jié)技術(shù)(見圖7)相結(jié)合的手段進行系統(tǒng)控制，從而達到更好的節(jié)能效果。

表4 優(yōu)化后的攪拌主機運行數(shù)據(jù)

圖6 矢量控制框圖

圖7 PID控制系統(tǒng)的接線圖

攪拌主機變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作過程如下:XT為目標信號，其大小與所稱量斗內(nèi)攪拌物的重量相對應(yīng)，XF為傳感器的反饋信號，則變頻器輸出頻率FX的大小由合成信號(XT-XF)決定。系統(tǒng)控制流程如圖8所示。

變頻器選型時要注意以下幾點:

圖8 系統(tǒng)控制流程框圖

(1)變頻器的負載類型。明確負載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時的方式，在恒轉(zhuǎn)矩負載或有減速裝置時需要特別考慮。

(2)變頻器與負載的匹配。變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符;變頻器的額定電流與電機的額定電流相符，對于特殊負載以最大電流確定變頻器電流和過載能力。

(3)轉(zhuǎn)速的變化不僅改變了電動機內(nèi)部的電磁負荷，也改變了電動機運行時的主要性能值，在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩一定時，通過選擇合適的轉(zhuǎn)差率，能夠使電動機的性能得到很大改善，且當轉(zhuǎn)速下降較多時，將偏離運行的高效區(qū)，使變頻器、電機的損耗功率增加引起整個系統(tǒng)效率下降。因此，在調(diào)速運行時應(yīng)選擇合理調(diào)速范圍，才可以保證系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行。

3.3 節(jié)能量預計算

攪拌主機節(jié)能量計算公式見式(1):

式中:P1——原負載輸入功率;

P2——原空載輸入功率;

P3——改造后負載輸入功率;

P4——改造后空載輸入功率;

t1——負載運行時間;

t2——空載運行時間。節(jié)能量預計算匯總?cè)绫?所示。

表5 節(jié)能量預計算匯總表

4 結(jié)語

(1)采用閉環(huán)變頻調(diào)速控制節(jié)能技術(shù)，節(jié)能率可達20%～30%，在滿足使用要求的前提下達到了最大限度的節(jié)能。

(2)降速運行和軟起動減少了振動、噪聲和磨損，延長了設(shè)備維修周期和使用壽命，提高了設(shè)備的MTBF值(平均故障維修時間)，并減少了對電網(wǎng)的沖擊。

(3)系統(tǒng)具有各種保護措施，安全性和可靠性大大提高。

(4)閉環(huán)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)與工頻控制系統(tǒng)可隨時切換，方便在變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)檢修維護或故障時，工頻控制系統(tǒng)可以正常運行。

隨著城市化進程的不斷深入，混凝土攪拌電機系統(tǒng)在電機系統(tǒng)中的比重將不斷增加，運用科學有效的手段，全面客觀反映攪拌電機系統(tǒng)的變化情況，并對其系統(tǒng)節(jié)能潛力分析方法進行研究，提出切實有效的節(jié)能改造措施，對我國電機系統(tǒng)節(jié)能和低碳經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。

［1］周勝，趙凱.電機系統(tǒng)節(jié)能實用指南［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［2］張燕賓，李鶴軒.電動機變頻調(diào)速圖解［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［3］秦宏波，胡壽根，黃軍輝.電機空壓機系統(tǒng)性能測試與分析［J］.電機與控制應(yīng)用，2010，37(3):61-64.