變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能改造小結(jié)

石立峰，耿宏霞

（黑龍江昊華化工有限公司，黑龍江 齊齊哈爾161033）

變頻技術(shù)從上世紀(jì)80 年代開始迅速發(fā)展，并日趨成熟，因其節(jié)省效果而得到廣泛應(yīng)用。 黑龍江昊華化工有限公司于2009 年新建 “30 萬(wàn)t/a 燒堿裝置、30 萬(wàn)t/a 聚氯乙烯裝置”， 并新建75 t/h 流化床鍋爐， 由于原35 t/h 鍋爐耗電量較大， 決定對(duì)3 臺(tái)35 t/h 鍋爐進(jìn)行變頻改造。

1 變頻調(diào)速節(jié)能原理

從流體力學(xué)的原理得知， 使用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載，軸功率P 與流量Q，揚(yáng)程H 的關(guān)系為：

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由n1變化到n2時(shí)，Q、H、P 與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

可見， 流量Q 和電機(jī)的轉(zhuǎn)速n 成正比關(guān)系，而所需的軸功率P 與轉(zhuǎn)速的立方成正比關(guān)系。 所以，當(dāng)需要80%的額定流量時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速的80%，即調(diào)節(jié)頻率到40 Hz 即可，這時(shí)所需功率僅為原來(lái)的51.2%。從圖1 所示的風(fēng)機(jī)、水泵運(yùn)行曲線圖來(lái)分析采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果。

圖1 風(fēng)機(jī)、水泵（設(shè)靜壓為零）的運(yùn)行曲線圖

當(dāng)所需風(fēng)流量從Q1減小到Q2時(shí)， 如果采用調(diào)節(jié)閥門的辦法，管網(wǎng)阻力將會(huì)增加，管網(wǎng)特性曲線上移，系統(tǒng)的運(yùn)行工況點(diǎn)從A 點(diǎn)變到新的運(yùn)行工況點(diǎn)B 點(diǎn)運(yùn)行，所需軸功率與H2×Q2成正比；如果采用調(diào)速控制方式，風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，其管網(wǎng)特性并不發(fā)生改變， 但風(fēng)機(jī)、 水泵的特性曲線將下移，因此其運(yùn)行工況點(diǎn)由A 點(diǎn)移至C 點(diǎn)。此時(shí)，所需軸功率P3與HB×Q2成正比。 從理論上分析，所節(jié)約的軸功率△P 與（H2-HB）×Q2的面積成正比。 考慮減速后效率下降和調(diào)速裝置的附加損耗， 通過(guò)實(shí)踐的統(tǒng)計(jì)， 風(fēng)機(jī)泵類通過(guò)調(diào)速控制可節(jié)能20%～50%，有些風(fēng)機(jī)負(fù)載節(jié)能達(dá)60%以上。

2 變頻技術(shù)改造

2.1 1#、2#、3#35 t 爐鼓風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)改造

2.1.1 改造原因

鍋爐運(yùn)行負(fù)荷根據(jù)生產(chǎn)的需要而變化， 鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量也隨之變化， 傳統(tǒng)的風(fēng)量調(diào)節(jié)都是通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板實(shí)現(xiàn)的， 這種風(fēng)量調(diào)節(jié)方式不但使風(fēng)機(jī)的效率降低，也使很多能量白白消耗在擋板上。為了節(jié)約電能，提高鍋爐燃燒控制水平，增加經(jīng)濟(jì)效益，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)取代低效高能耗的風(fēng)門擋板， 鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化范圍為30%～90%， 配套鼓風(fēng)機(jī)（1#、2#、3#爐）均為90 kW 電機(jī)，都是按冬季最大負(fù)荷配置，低負(fù)荷時(shí)鼓風(fēng)機(jī)能源浪費(fèi)較大，因此，使用變頻器進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造。

2.1.2 采取措施及投資

將鼓風(fēng)機(jī)現(xiàn)有的自耦降壓起動(dòng)器拆除， 更換成變頻器，通過(guò)改變頻率，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，使之達(dá)到鍋爐低負(fù)荷時(shí)所需的鼓風(fēng)量，轉(zhuǎn)速與軸功率下降，節(jié)能效果良好。

90 kW 變頻器3 臺(tái)，約需24 萬(wàn)元（西門子變頻器報(bào)價(jià)），其他材料可以利用原啟動(dòng)柜的。

2.1.3 節(jié)能效果

當(dāng)變頻調(diào)速后電機(jī)轉(zhuǎn)速為未調(diào)速的60%時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)消耗功率為額定功率的21.6%， 空載損耗為0.15。

全速狀態(tài)下的功率：p1=90-90×0.15=76.5（kW）；變頻狀態(tài)下功率：p2=0.216×76.5+90×0.15≈30.1（kW）；節(jié)約的功率：pj=76.5-30.1=46.4（kW）。

每年按運(yùn)行180 天，每天按24 h 計(jì)，則全年節(jié)能：Q=pj×24×180=200 448（kW·h）

按每度電0.6 元/kW·h 計(jì)， 則每年節(jié)約的電費(fèi)為：200 448×0.6=120 268.8（元）。

3 臺(tái)配套爐鼓風(fēng)機(jī)通過(guò)變頻改造， 每年可節(jié)約電費(fèi)：120 268.8×3=360 806.4（元）≈36（萬(wàn)元）。

變頻器投入使用后，不但節(jié)約了電能，還可以實(shí)現(xiàn)大的電動(dòng)機(jī)的軟停軟起， 避免了啟動(dòng)時(shí)的電壓沖擊，減少電動(dòng)機(jī)故障率，延長(zhǎng)使用壽命，同時(shí)降低了對(duì)電網(wǎng)的容量要求和無(wú)功損耗。

2.2 1#、2#、3#35T 爐引風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)改造

2.2.1 改造原因

鍋爐引風(fēng)機(jī)的變化范圍為70%～90%，配套引風(fēng)機(jī)1# 爐為110 kW、2#、3# 爐均為132 kW 電機(jī)，都是按冬季最大負(fù)荷配置， 低負(fù)荷時(shí)引風(fēng)機(jī)能源浪費(fèi)較大，因此使用變頻器進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造。

2.2.2 采取措施及投資

將鼓風(fēng)機(jī)現(xiàn)有的自耦降壓起動(dòng)器拆除， 更換成變頻器，通過(guò)改變頻率，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，使之達(dá)到鍋爐低負(fù)荷時(shí)所需的鼓風(fēng)量，轉(zhuǎn)速與軸功率下降，節(jié)能效果良好。

110 kW 變頻器一臺(tái)， 需8.5 萬(wàn)元；132 kW 變頻器2 臺(tái)，需18 萬(wàn)元；共計(jì)投資26.5 萬(wàn)元；其他材料可以利用原啟動(dòng)柜的。

2.2.3 節(jié)能效果

當(dāng)變頻調(diào)速后電機(jī)轉(zhuǎn)速為未調(diào)速的80%時(shí)，引風(fēng)機(jī)消耗功率為額定功率的51%，空載損耗為0.15。

1#35 t 爐（110 kW）全速狀態(tài)下的功率：p1=110-110×0.15=93.5（kW）；變頻狀態(tài)下功率：p2=0.51×93.5+110×0.15≈64.2（kW）；節(jié)約的功率：pj=93.5-64.2=29.3（kW）。

每年運(yùn)行按180 天，每天按24 h 計(jì)，則全年節(jié)能：Q=pj×24×180=126 576（kW·h）。

按0.6 元/kW·h 計(jì)， 則每年節(jié)約的電費(fèi)為：126 576×0.6=75 945.6（元）。

2#、35 t 爐 （132 kW） 全速狀態(tài)下的功率：p1=132-132×0.15=112.2（kW）；變頻狀態(tài)下功率：p2=0.51×112.2+132×0.15≈77 （kW）； 節(jié)約的功率：pj=112.2-77=35.2（kW）。

每年按運(yùn)行180 天，每天按24 h 計(jì)，則全年節(jié)能：Q=pj×24×180=152 064（kW·h）。

按每度電0.6 元/kW·h 計(jì)， 則每年節(jié)約的電費(fèi)為：Md=152 064×0.6 元=91 238.4（元）。

3#爐同2#爐。

1#、2#、3#爐引風(fēng)機(jī)通過(guò)變頻改造，每年可節(jié)約電費(fèi)：75 945.6+91 238.4×2=258 422.4（元）≈25.8（萬(wàn)元）。

3 “雙三十”高壓電機(jī)變頻改造方案

3.1 改造方案

現(xiàn)有的24 臺(tái)各種工業(yè)高壓（10 kV）電機(jī)開工率僅為40%，為了節(jié)約能源，擬進(jìn)行變頻電氣了自動(dòng)化節(jié)能改造。

24 臺(tái)高壓電機(jī)合計(jì)總功率為26 069 kW， 年總消耗電量為26 069 kW×8 000 h=20 855 200 kW·h=2 085.5 萬(wàn)kW·h。根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷情況，擬按照合同能源管理模式分三期實(shí)施。

（1）一期改造。改造公用循環(huán)水泵（1 000 kW）2臺(tái)；聚合循環(huán)水泵（1 400 kW）1 臺(tái)。

表1 一期改造后預(yù)計(jì)年節(jié)電量及電費(fèi)預(yù)測(cè)表

（2）二期改造。改造5 ℃冷凍水機(jī)組（1 303 kW）2 臺(tái)；-35 ℃冷凍水機(jī)組（820 kW）1 臺(tái)；75 t 爐給水泵（280 kW）1 臺(tái)、引風(fēng)機(jī)（560 kW）1 臺(tái)、二次風(fēng)機(jī)（220 kW）1 臺(tái)、一次風(fēng)機(jī)（450 kW）1 臺(tái)；鼓風(fēng)機(jī)（710 kW）1 臺(tái)、（355 kW）1 臺(tái)；雨水泵（185 kW）1臺(tái)。

（3）三期改造。 改造空氣壓縮機(jī)（1 050 kW）1 臺(tái)、（370 kW）1 臺(tái)； 氯氣壓縮機(jī) （450 kW）1 臺(tái)、（220 kW）2 臺(tái)；水環(huán)壓縮機(jī)（250 kW）3 臺(tái)；VCM 壓縮機(jī)（500 kW）3 臺(tái)。

3.2 實(shí)際節(jié)能率測(cè)量方法

3.2.1 測(cè)量裝置及測(cè)量范圍

根據(jù)用戶配電系統(tǒng)的具體情況， 在被控對(duì)象的電源進(jìn)線處安裝三相電度表計(jì)量裝置 （含電流互感器），所安裝計(jì)量設(shè)備的計(jì)量范圍能覆蓋全部被控對(duì)象，但不應(yīng)包含可能運(yùn)行的非被控對(duì)象。

3.2.2 測(cè)量方法及條件

采用HCS 系列節(jié)能控制系統(tǒng)在節(jié)能工況下運(yùn)行和在原模式（即工頻運(yùn)行）工況下運(yùn)行的能耗進(jìn)行對(duì)比的測(cè)試方法，即系統(tǒng)在相鄰兩天中，采用節(jié)能模式和原模式（即工頻運(yùn)行） 交替在相同時(shí)間段上運(yùn)行，對(duì)其能耗進(jìn)行測(cè)試、記錄和對(duì)比。

使用HCS 負(fù)荷動(dòng)態(tài)自動(dòng)跟蹤智能控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)運(yùn)行管理的自動(dòng)化程度得到大大提高，可減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 同時(shí)，系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)在低頻狀態(tài)下啟、停，可大大減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)電機(jī)的磨損，減少設(shè)備的故障率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的維修成本。

4 建議

現(xiàn)階段， 節(jié)能減排已成了每個(gè)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展必須考慮的問題， 而高壓變頻器的廣泛應(yīng)用可以很好地節(jié)約電能，減少能源消耗。建議有關(guān)企業(yè)積極推行高壓電機(jī)變頻改造， 對(duì)經(jīng)常不需要在工頻狀態(tài)下滿負(fù)荷運(yùn)行就可滿足工藝要求的風(fēng)機(jī)、 水泵類電機(jī)進(jìn)行變頻改造， 自有資金不足的可以利用節(jié)能返款發(fā)承包模式，這樣，既不用業(yè)主單位直接投資，又節(jié)約了電能，降低了能源消耗。新建項(xiàng)目也應(yīng)該在設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮變頻器的節(jié)能作用，工況經(jīng)常變動(dòng)的，有時(shí)不需要在滿負(fù)荷條件下運(yùn)行的電機(jī)都盡量加裝變頻器，以達(dá)到節(jié)能的目的。