變頻調(diào)速節(jié)能實(shí)例

錢伯章

(上海擎督信息科技有限公司金秋能源石化工作室)

變頻調(diào)速節(jié)能實(shí)例

錢伯章*

(上海擎督信息科技有限公司金秋能源石化工作室)

在風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)和空調(diào)等設(shè)備上采用變頻調(diào)速技術(shù)可節(jié)約電能。分析了一些石油、化工企業(yè)采用變頻調(diào)速節(jié)電的成功實(shí)例。

變頻器電機(jī)風(fēng)機(jī)泵節(jié)能

變頻調(diào)速可節(jié)電。針對(duì)企業(yè)大馬拉小車情況，可采用幾種不同方式的調(diào)節(jié)：檔板調(diào)節(jié)、風(fēng)機(jī)動(dòng)葉可調(diào)調(diào)節(jié)、液力偶合器調(diào)節(jié)、水電阻調(diào)節(jié)、高壓變頻器調(diào)節(jié)等。變頻調(diào)速分為低壓變頻調(diào)速和高壓變頻調(diào)速。低壓變頻調(diào)速技術(shù)作為成熟技術(shù)早已經(jīng)過市場(chǎng)的檢驗(yàn)。高壓變頻器的使用經(jīng)歷了兩個(gè)階段：第一階段是高-低-高模式；第二階段為高-高模式。解決大馬拉小車問題也可以使用更換電動(dòng)機(jī)的辦法。

電動(dòng)機(jī)廣泛用于風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等設(shè)備，用電量約占全國用電量的60%。但由于目前我國工礦企業(yè)所使用的電動(dòng)機(jī)和被傳動(dòng)設(shè)備效率低；設(shè)計(jì)思想落后，選型上考慮安全系數(shù)偏大，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重；系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式落后，運(yùn)行中存在大量的截流損失，造成我國各類電動(dòng)機(jī)平均效率比發(fā)達(dá)國家低3～5個(gè)百分點(diǎn)，電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)整體運(yùn)行效率比發(fā)達(dá)國家低20個(gè)百分點(diǎn)。

變頻技術(shù)能實(shí)時(shí)改變用電設(shè)備的供電頻率，進(jìn)而達(dá)到控制設(shè)備輸出功率的目的。該技術(shù)通過變頻調(diào)速改變軸輸出功率，使電動(dòng)機(jī)能根據(jù)實(shí)際需要輸出功率，達(dá)到了減少輸入功率節(jié)省電能的目的，是感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能的重要技術(shù)手段之一。變頻傳動(dòng)調(diào)速的特點(diǎn)是：不用改動(dòng)原有設(shè)備包括電機(jī)本身；可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，滿足傳動(dòng)設(shè)備要求；變頻器軟啟、軟停功能，可以避免啟動(dòng)電流沖擊對(duì)電網(wǎng)的不良影響，減少電源容量的同時(shí)還可減少機(jī)械慣動(dòng)量，減少機(jī)械損耗；不受電源頻率的影響，可以開環(huán)、閉環(huán)手動(dòng)/自動(dòng)控制；低速時(shí)，定轉(zhuǎn)矩輸出和低速過載能力較好；電機(jī)的功率因數(shù)隨轉(zhuǎn)速增高、功率增大而提高。

我國目前石化工業(yè)系統(tǒng)電機(jī)的變頻器使用率為10%，節(jié)能潛力十分可觀，如果每臺(tái)電機(jī)使用變頻器，可提高能效20%～30%。

在石油和化工行業(yè)，風(fēng)機(jī)、水泵和壓縮機(jī)等電機(jī)傳動(dòng)設(shè)備的用量很大，理論上都能采用變頻技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造，節(jié)能潛力巨大。以注塑機(jī)為例，將注塑機(jī)上傳統(tǒng)的定量泵改造成變頻變量泵，能使溢流閥的回油流量降到最小，避免了高壓節(jié)流能量損失，進(jìn)而將傳統(tǒng)有高壓節(jié)流的“耗能型”注塑機(jī)升級(jí)為無高壓節(jié)流的“節(jié)能型”注塑機(jī)，節(jié)電率可達(dá)20%～30%甚至更大。

中央空調(diào)是大廈里的耗電大戶，每年的電費(fèi)中空調(diào)耗電占60%左右，因此中央空調(diào)的節(jié)能改造顯得尤為重要。由于設(shè)計(jì)時(shí)，中央空調(diào)系統(tǒng)必須按天氣最熱、負(fù)荷最大時(shí)設(shè)計(jì)，并且留10%～20%設(shè)計(jì)余量，然而實(shí)際上絕大部分時(shí)間空調(diào)是不會(huì)運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)下，存在較大的富余，所以節(jié)能的潛力就較大，其中，冷凍主機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，存在很大的浪費(fèi)。水泵系統(tǒng)的流量與壓差是靠閥門和旁通調(diào)節(jié)來完成，因此，不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象，不僅大量浪費(fèi)電能，而且還造成中央空調(diào)最末端達(dá)不到合理效果的情況。為了解決這些問題需使水泵隨著負(fù)載的變化調(diào)節(jié)水流量并關(guān)閉旁通。為了節(jié)約能源和費(fèi)用，需對(duì)水泵系統(tǒng)進(jìn)行改造，可采用成熟的變頻器來實(shí)現(xiàn)，以便達(dá)到節(jié)能和延長(zhǎng)電機(jī)、接觸器及機(jī)械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。

一種新型節(jié)能矩陣變頻環(huán)保電梯在山東百斯特電梯公司研制成功。該產(chǎn)品是矩陣變頻拖動(dòng)與永磁同步無齒輪曳引系統(tǒng)相結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品，配置具有反饋功能（帶逆變器）的“矩陣變頻器”（調(diào)速器），具有電源反饋功能（可控制輸入功率因數(shù)）；輸入電源高次諧波少，可減少電污染；主回路無電解電容；具有交流-直流直接變換等特點(diǎn)。大轉(zhuǎn)距、低轉(zhuǎn)速的永磁同步曳引機(jī)具有機(jī)械效率高、噪音低、無需加油的特點(diǎn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，采用該項(xiàng)技術(shù)的電梯與傳統(tǒng)電梯相比，節(jié)能效果可達(dá)77.2%。

目前，電梯節(jié)能的主要途徑是提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。如永磁同步無齒輪曳引機(jī)在解決機(jī)械損耗、提高負(fù)載運(yùn)行效率方面取得了突破；同時(shí)通過變頻調(diào)速技術(shù)及其優(yōu)化控制方案，在滿足電梯運(yùn)行過程中的速度、轉(zhuǎn)距于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)等要求的前提下可實(shí)現(xiàn)“按需供能”。如果能夠通過這兩個(gè)成熟技術(shù)的整合，并且進(jìn)行進(jìn)一步延伸，利用電梯運(yùn)行固有特性——位能負(fù)載，將電機(jī)已轉(zhuǎn)換到負(fù)載上的位能變換成電能，回饋再生利用，將會(huì)大大降低電梯運(yùn)行的電能消耗。百斯特節(jié)能型矩陣變頻環(huán)保電梯就是基于這樣的創(chuàng)新思想研發(fā)而成的。這為消費(fèi)者提供了更具價(jià)值的創(chuàng)造性產(chǎn)品。

巨化合成氨廠在對(duì)電氣設(shè)備實(shí)施電機(jī)變頻技術(shù)改造后，節(jié)電效果顯著。僅此一項(xiàng)該廠每天就可節(jié)電2萬kW·h多，年節(jié)省電費(fèi)300多萬元。巨化合成氨廠是一家老中氮企業(yè)。近年來，隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式的完善，在生產(chǎn)過程中，該廠許多大功率的設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成了電力資源的浪費(fèi)。為此，該廠把目光投向了投資回報(bào)率較高的電機(jī)變頻改造。2006年，該廠在對(duì)主要機(jī)泵的工藝及運(yùn)行效率調(diào)查后，新增了9臺(tái)變頻器，對(duì)甲醇富液泵、造氣污水泵等9臺(tái)低壓設(shè)備進(jìn)行了第一階段變頻改造。經(jīng)過動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)人員近半年的努力，設(shè)備順利完成了全部改造。在富液泵改造后，不僅每天可以節(jié)電1 000 kW·h多，而且大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度?；受囬g的二氧化碳?jí)嚎s機(jī)使用的是6 kV高壓同步電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)的變頻改造技術(shù)在國內(nèi)還是一片空白。2006年3月份，該廠與某電氣技術(shù)公司合作，共同對(duì)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)實(shí)施變頻改造。該廠與變頻器提供廠家緊密協(xié)作，克服工藝復(fù)雜、邊生產(chǎn)邊試車等困難，不斷改進(jìn)技術(shù)參數(shù)，完善試車方案，通過十多次調(diào)試，成功完成了高壓同步電動(dòng)機(jī)的變頻改造。據(jù)測(cè)算，改造后1臺(tái)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)每年可以節(jié)電約30萬kW·h，而且還可延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命和保養(yǎng)周期，降低檢修維護(hù)費(fèi)用。

雙星輪胎斜交胎一廠針對(duì)動(dòng)力站供水壓力不穩(wěn)及兩臺(tái)超級(jí)“電耗子”展開攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了變頻自動(dòng)恒壓節(jié)能供水，每年可節(jié)約電能近20萬元。以前該廠成型車間動(dòng)力站水泵房2臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行，不但供水壓力和供水量無法設(shè)定，而且造成了水力和電力的巨大浪費(fèi)?，F(xiàn)在該廠可任意設(shè)定供水壓力，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)恒壓供水，提高了供水靈活性和供水質(zhì)量，并達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，日平均節(jié)電約800 kW·h。

安徽六國化工公司熱電車間對(duì)2號(hào)鍋爐鼓風(fēng)機(jī)的電機(jī)進(jìn)行了技術(shù)改造，將電機(jī)原來的繼電器控制系統(tǒng)改造為變頻器控制系統(tǒng)，以提供更精準(zhǔn)的工藝參數(shù)，提高了操作的自動(dòng)化和數(shù)控化，大大降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。據(jù)悉，此次技改選用了ACS-800-07型變頻器，其控制的關(guān)鍵程序直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）為目前國際上最先進(jìn)的交流異步電機(jī)控制方式。此次技改完成后，六國化工公司熱電車間電機(jī)變頻器的運(yùn)行效率達(dá)到97%以上。

滄州煉化公司采用西門子無諧波高壓變頻技術(shù)，在450 kW循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)上成功應(yīng)用了首套高壓變頻裝置，獲得了異常顯著的節(jié)電效果。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，該公司采用變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，通過泵出口壓力變送器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的恒壓自動(dòng)控制方式。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，可使企業(yè)每天節(jié)電3 800 kW·h，全年節(jié)電138.7萬kW·h，預(yù)計(jì)18個(gè)月以內(nèi)即可收回全部投資。

揚(yáng)子石化公司中壓加氫裂化裝置反應(yīng)器加熱爐于2009年6月5日實(shí)施鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)增設(shè)變頻設(shè)備改造。經(jīng)過精心調(diào)節(jié)，反應(yīng)器加熱爐的熱效率從原先的87%提高到了92%，同時(shí)通過合理調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，有效降低了風(fēng)機(jī)電能的消耗，每年可節(jié)電近10萬元。加氫裝置反應(yīng)爐在開工時(shí)熱量消耗很大，而正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷偏低，這種差異造成了反應(yīng)爐燃料日積月累被白白浪費(fèi)。揚(yáng)子煉油廠聯(lián)合加氫裝置自開工以來，反應(yīng)器加熱爐一直處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)所用煙氣預(yù)熱回收系統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)功率較大，出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象，使加熱爐氧含量長(zhǎng)期超標(biāo)，火嘴經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)焦、積炭現(xiàn)象，影響裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行，既增加了裝置的燃料消耗，又浪費(fèi)了大量電能。針對(duì)反應(yīng)加熱爐的現(xiàn)狀，揚(yáng)子石化加氫車間認(rèn)真計(jì)算和分析風(fēng)量、氧含量之間的關(guān)系，查找節(jié)能途徑，提出了在反應(yīng)爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)上增加變頻設(shè)備的合理化建議。此項(xiàng)目投資小，見效快，又不影響裝置正常生產(chǎn)，施工也十分簡(jiǎn)單。通過實(shí)施變頻技術(shù)改造，使反應(yīng)爐氧含量從9%降到了5%，僅每年節(jié)約燃料費(fèi)就達(dá)到近百萬元。

揚(yáng)子石化公司煉油廠鼓引風(fēng)機(jī)增設(shè)變頻改造已于2009年6月在中壓加氫裂化裝置反應(yīng)爐上實(shí)施，經(jīng)過精心調(diào)試，反應(yīng)器加熱爐的熱效率從原先的87%提高到92%，同時(shí)合理調(diào)節(jié)了鼓引風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，有效降低了風(fēng)機(jī)電能的消耗，據(jù)測(cè)算每年可節(jié)省電費(fèi)近10萬元。加氫裝置反應(yīng)爐的特點(diǎn)在于開工時(shí)熱量消耗很大，而正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷偏低，這種差異造成了反應(yīng)爐燃料被浪費(fèi)。揚(yáng)子石化煉油廠聯(lián)合加氫裝置自開工以來，反應(yīng)器加熱爐一直處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)所用煙氣預(yù)熱回收系統(tǒng)的鼓引風(fēng)機(jī)功率較大，出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象，使加熱爐氧含量長(zhǎng)期超標(biāo)，火嘴經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)焦、積炭現(xiàn)象，影響裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行，既增加了裝置的燃料消耗，又浪費(fèi)了大量電能。加氫車間在加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能管理的同時(shí)，堅(jiān)持從工藝中發(fā)現(xiàn)能耗浪費(fèi)點(diǎn)，進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，挖掘節(jié)能潛力。他們針對(duì)反應(yīng)加熱爐的現(xiàn)狀，認(rèn)真計(jì)算和分析風(fēng)量、氧含量之間的關(guān)系，查找節(jié)能途徑，提出了在反應(yīng)爐鼓引風(fēng)機(jī)上增加變頻設(shè)備的合理化建議。這個(gè)項(xiàng)目投資小，見效快，又不影響裝置正常生產(chǎn)，施工也比較簡(jiǎn)單。另外通過實(shí)施變頻技術(shù)改造，也使反應(yīng)爐氧含量從9%左右降到了5%左右，僅此一項(xiàng)，每年可節(jié)約燃料費(fèi)達(dá)百萬元。

全球領(lǐng)先的電力和自動(dòng)化集團(tuán)ABB作為推廣節(jié)能型產(chǎn)品和技術(shù)的代表，與上海焦化有限公司簽署了節(jié)能改造項(xiàng)目合作協(xié)議。ABB向上海焦化公司提供高效節(jié)能的ACS800變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)其高壓水煤漿泵的節(jié)能控制。項(xiàng)目完成后，預(yù)計(jì)上海焦化公司年節(jié)電量140萬kW·h。上海焦化公司是以煤為主要原料的綜合性大型化工企業(yè)，多年來一直致力于對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)能改造，其碳一分公司的高、低壓水煤漿泵，氣體分公司的高壓氧泵和動(dòng)力分公司的工業(yè)水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)等都選用了ABB節(jié)能型系列變頻器產(chǎn)品，通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，取得顯著的節(jié)能效果。

2009年10月28 日，大慶煉化公司柴油加氫裝置新氫壓縮機(jī)無級(jí)控制系統(tǒng)改造項(xiàng)目投用，實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。該項(xiàng)目為中石油2009年節(jié)能專項(xiàng)投資項(xiàng)目，共投資800萬元，可以實(shí)現(xiàn)正常負(fù)荷下氫氣壓縮機(jī)回流量基本為零的目標(biāo)，節(jié)電效果顯著。這項(xiàng)技術(shù)此前已在國外和中石化等多家煉廠得到成功應(yīng)用，但在中石油尚未廣泛推廣。據(jù)了解，經(jīng)過初步標(biāo)定顯示，改造后柴油加氫裝置日節(jié)電量達(dá)到15 000 kW·h左右，全年可節(jié)電450萬kW·h，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

2010年6月10 日，錦西石化公司新投用的兩臺(tái)高壓變頻器節(jié)能效果凸顯，經(jīng)過近兩個(gè)月的運(yùn)行共計(jì)節(jié)電31萬kW·h，節(jié)約電費(fèi)15.5萬元。照此計(jì)算，兩臺(tái)機(jī)泵一年就會(huì)節(jié)電186萬kW·h，折合成電費(fèi)就是93萬元，一年左右就可收回投資。

Cases of Energy-economization of Frequency Control

Qian Bozhang

The application of inverter technique in fans,pumps,compressors and air conditioning can save electric energy.This paper introduces some energy-economization cases of inverter used in petrochemical enterprises.

Inverter;Motor;Fan;Pump;Energy-economization

TM4

*錢伯章，男，1939年10月生，教授級(jí)高工。上海市，200127。

2011-03-01)