變頻器在冷卻塔風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

王桂英，任佩佳

（中國(guó)寰球工程公司 遼寧分公司， 遼寧 撫順 113006）

變頻器在冷卻塔風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

王桂英，任佩佳

（中國(guó)寰球工程公司 遼寧分公司， 遼寧 撫順 113006）

通過(guò)對(duì)煉廠以前大多數(shù)機(jī)泵都采用流量控制和節(jié)流控制，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，不論是變極調(diào)速、可控硅串極調(diào)速、電機(jī)滑差離合器調(diào)速等都不能達(dá)到理想的調(diào)速性能，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，為解決上述存在的問(wèn)題，煉廠普遍采用變頻調(diào)速技術(shù)。系統(tǒng)地提出了變頻調(diào)速控制原理、變頻器容量設(shè)計(jì)選擇、變頻器應(yīng)用及效益，為變頻器設(shè)計(jì)提供借鑒。

變頻器；冷卻塔風(fēng)機(jī)；節(jié)能；應(yīng)用

隨著企業(yè)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的不斷提高，人們?cè)诂F(xiàn)階段的生產(chǎn)當(dāng)中不在滿足于把生產(chǎn)裝置如何能夠更好的運(yùn)行起來(lái)，而是考慮到如何生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，并且節(jié)能降耗、少投入、多產(chǎn)出，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)于煉廠以前大多數(shù)機(jī)泵都采用流量控制方案和節(jié)流控制。此方案在煉廠中應(yīng)用的如何呢？根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，就煉廠而言，機(jī)泵耗電一般占煉廠用電的80%左右，煉油企業(yè)全國(guó)平均原油加工負(fù)荷不到70%，運(yùn)行中的機(jī)泵負(fù)荷一般只有40%～50%，負(fù)荷率低于40%[1]的機(jī)泵占20%左右，由于機(jī)泵負(fù)荷經(jīng)常變化，所以只好靠出口閥門節(jié)流調(diào)節(jié)流量，這不僅損失了相當(dāng)數(shù)量的功率，而且產(chǎn)生了高分貝的噪音，降低了設(shè)備的密封性，影響了裝置安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)期運(yùn)行。

所以改變交流電機(jī)的調(diào)速性能一直是人們非常關(guān)心的課題，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，不論是變極調(diào)速、可控硅串極調(diào)速、電機(jī)滑差離合器調(diào)速]等都不能達(dá)到理想的調(diào)速性能[2]。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，為解決上述存在的問(wèn)題，煉廠普遍采用變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速技術(shù)是電力技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)高度發(fā)展，緊密結(jié)合的產(chǎn)物，是目前電機(jī)節(jié)電的最佳技術(shù)，使用變頻調(diào)速器，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到控制流量的目的，在滿足生產(chǎn)工藝閉環(huán)控制要求的同時(shí)，消除或大大減少閥門和擋板截流損失，從而達(dá)到節(jié)能和滿足生產(chǎn)工藝要求的目的。

交流變頻調(diào)速裝置，在頻率范圍動(dòng)態(tài)響應(yīng)、調(diào)速精度、低頻轉(zhuǎn)距、輸出性能、功率因數(shù)、工作效率等方面都發(fā)揮了交流調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，而且很好地解決了電機(jī)調(diào)速性能不好的缺點(diǎn)[2]。

1 變頻調(diào)速原理

變頻調(diào)速是一種高效率、高性能的調(diào)速方式，采用異步電動(dòng)機(jī)（或同步機(jī)），使其在整個(gè)工作范圍內(nèi)保持在正常的小轉(zhuǎn)差率下運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)極平滑調(diào)速。由公式n = 60f/p（1-s）[2]，其中n： 交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，f： 電源頻率，p：電機(jī)極數(shù)，s：轉(zhuǎn)差率（同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，s=0）可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率s不變時(shí)，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比變化[2]。這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制，因此，以控制頻率為目的的變頻器，是做為電機(jī)調(diào)速設(shè)備的首選設(shè)備。

2 變頻調(diào)速器的容量選擇

相對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，變頻調(diào)速器的價(jià)格比較貴的，因此在保證安全可靠運(yùn)行的前提下，合理地降低變頻調(diào)速器的容量以節(jié)省費(fèi)用是很必要的。

為了保證在任何情況下變頻器均能正常運(yùn)行，考慮到通用性變頻器生產(chǎn)廠家要求選用變頻器的功率應(yīng)大于或等于電動(dòng)機(jī)額定功率的1.1倍。這一規(guī)定不大符合石化企業(yè)的具體情況，留有余量太大，煉油生產(chǎn)裝置的許多機(jī)泵原設(shè)計(jì)就留有裕量，用調(diào)節(jié)閥控制時(shí)電機(jī)的負(fù)荷率就不高，采用變頻調(diào)速后調(diào)節(jié)閥兩端的壓差損失可節(jié)省下來(lái)，機(jī)泵消耗功率將變得更小，變頻調(diào)速器的容量有可能不按電機(jī)的額定容量來(lái)選擇。

3 風(fēng)機(jī)和泵的調(diào)速節(jié)能原理

圖1,2中，橫坐標(biāo)是流量Q；縱坐標(biāo)是壓力H；曲線I是風(fēng)機(jī)水泵額定運(yùn)行狀態(tài)下的特性曲線；曲線II是風(fēng)機(jī)水泵在變速運(yùn)行狀態(tài)下的特性曲線；曲線III是風(fēng)道或管網(wǎng)在風(fēng)門或節(jié)門全開(kāi)情況下的阻力特性曲線；曲線IV是調(diào)節(jié)風(fēng)門或節(jié)門的阻力特性曲線[2]。

圖1 風(fēng)機(jī)運(yùn)行及節(jié)能曲線Fig. 1 The fan running and energy saving curve

圖1 和圖2的不同點(diǎn)是阻力曲線的起點(diǎn)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)阻曲線是從原點(diǎn)O開(kāi)始，泵系統(tǒng)的阻力曲線是從原點(diǎn)以上的水泵系統(tǒng)靜揚(yáng)程H0點(diǎn)開(kāi)始的。

在不調(diào)速的額定流量Q1運(yùn)行情況下，系統(tǒng)的工作點(diǎn)是A點(diǎn)，壓力是H1。電動(dòng)機(jī)提供的功率是長(zhǎng)方形P1=OQ1AH1的面積。

當(dāng)流量需求是Q2時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)是不調(diào)速的，故工作點(diǎn)還要在曲線I上，解決的方法就是調(diào)節(jié)風(fēng)門或節(jié)門，使阻力曲線由III變?yōu)榍€IV，系統(tǒng)工作點(diǎn)為B，壓力是H2。電動(dòng)機(jī)提供的功率是長(zhǎng)方形P2=OQ2BH2的面積。

圖2 泵運(yùn)行及節(jié)能曲線Fig. 2 The pump running and energy saving curve

比較P1和P2可以看到，流量的減少是靠風(fēng)門或節(jié)門將壓力提高了來(lái)完成的，因而，兩者的功率消耗相差無(wú)幾。

如果使用調(diào)速運(yùn)行的方法來(lái)調(diào)節(jié)，就是讓風(fēng)機(jī)或泵系統(tǒng)運(yùn)行在特性曲線II上，而風(fēng)門或節(jié)門還是額定運(yùn)行時(shí)的全開(kāi)狀態(tài)，即阻力曲線仍然是曲線III，這時(shí)，系統(tǒng)工作點(diǎn)在C ，壓力是H3。電動(dòng)機(jī)提供的功率是P3=OQ2CH3。

比較P3和P1可以看到，功率降低很多。P1和P3的差值就是節(jié)約的能量。

對(duì)單機(jī)運(yùn)行(單風(fēng)機(jī)或單泵)，可以利用上述原理計(jì)算節(jié)能。

4 變頻器在冷卻塔風(fēng)機(jī)上節(jié)能應(yīng)用

在循環(huán)水場(chǎng)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，冷卻塔風(fēng)機(jī)額定容量為200 kW，共2臺(tái)采用變頻調(diào)速控制[3]。

廠里未給出流量變化范圍，故按流量在70%～100%之間變化來(lái)計(jì)算。

全速運(yùn)行，調(diào)節(jié)節(jié)門時(shí)使用的電量W：

每kWh按0.5元計(jì)算，年用電費(fèi)：

變速運(yùn)行時(shí)：

設(shè)流量70%運(yùn)行100 d；85%流量運(yùn)行160 d；100%流量運(yùn)行100 d。

風(fēng)機(jī)年使用的電量W：

年用電費(fèi)：0.5×1 878 720=939 360元和連續(xù)全速運(yùn)行時(shí)相比，節(jié)約電費(fèi)：

年節(jié)電費(fèi)788 640元，考慮靜差等因素，年節(jié)電費(fèi)在79萬(wàn)元以上。

5 效 益

從上面的計(jì)算可以看到，裝置在采用變速運(yùn)行后，節(jié)電效益非常顯著，變頻器的初投資用1～2 a的時(shí)間就可以從節(jié)約的電能中回收回來(lái)。投資成本回收后，以后每年節(jié)約的電費(fèi)就都是企業(yè)的凈收益。

變頻前噪音一般在87～100.3 dB，變頻后一般在86 dB以下，可見(jiàn)噪音顯著減少，改善了環(huán)境。

從近到遠(yuǎn)足以證明，變頻調(diào)速器在煉油企業(yè)的生產(chǎn)中發(fā)揮了顯著的節(jié)電作用。

變頻調(diào)速還有一個(gè)最佳方案，可以采用“一拖二”的變頻方式，以減少投資。所謂“一拖二”的變頻方式，是指用一臺(tái)變頻器供兩臺(tái)互為備用的電機(jī)間歇使用，或者帶動(dòng)主泵或者帶動(dòng)備用泵，變頻器的容量?jī)H根據(jù)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)功率選定。在滿足生產(chǎn)要求的前提下，對(duì)允許停泵的機(jī)泵采用“一拖二”的變頻方案。

6 結(jié)束語(yǔ)

總之，變頻調(diào)速用于煉油廠生產(chǎn)中，不產(chǎn)生廢水、廢氣、廢渣等有害物質(zhì)。并且，由于電機(jī)和泵都處于輕載狀態(tài)，使得機(jī)械元件損壞率下降，雖然變頻調(diào)速對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一些高次諧波，但加入電抗器后，能保證將諧波減少到不影響電網(wǎng)運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。盡管變頻調(diào)速器有許多優(yōu)點(diǎn)，但也它的不足之處，由于國(guó)產(chǎn)的變頻調(diào)速器元件質(zhì)量還不過(guò)關(guān)，產(chǎn)品使用壽命不能滿足煉油企業(yè)的生產(chǎn)需求，而國(guó)外的產(chǎn)品價(jià)格又高。

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)引進(jìn)了國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)元器件，使其性能完全達(dá)到了國(guó)外相同產(chǎn)品的水平，但是，大功率的變頻調(diào)速器目前還需要國(guó)外進(jìn)口，所以一直尚未在煉油企業(yè)推廣開(kāi)。

總體來(lái)看，變頻調(diào)速器的實(shí)施從全國(guó)來(lái)看是勢(shì)在必行，早上早受益，而且它的效益遠(yuǎn)不僅是節(jié)能，其綜合效益是無(wú)法估量的，特別是在煉油企業(yè)更有遠(yuǎn)大的發(fā)展遠(yuǎn)景。

［1］中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院組.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè):第三冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2005-05.

［2］浦文宗. 注冊(cè)電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試專業(yè)考試復(fù)習(xí)指導(dǎo)書(shū):供配電專業(yè):第三冊(cè)[M] .北京：中國(guó)電力出版社，2004-04.

［3］GBT21056-2007風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載變頻調(diào)速節(jié)電傳動(dòng)系統(tǒng)及其應(yīng)用技術(shù)條件[S]. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

Application of the Frequency Converter in Cooling Tower Fan

WANG Gui-ying，REN Pei-jia
（HQC Liaoning Company, Liaoning Fushun 113006, China）

Most pumps in the refinery were used under flow control and throttle control before. In the production practice, pole-changing control, SCR-cascade control and motor slip clutch speed regulation all can’t achieve an ideal speed governing performance. With the rapid development of electronic technology, frequency control of motor speed is generally applied to solve the problems above in the modern refineries. In this paper, the principle of frequency control of motor speed was introduced, how to choose suitable frequency converter capacity was discussed, and application effect of the frequency converter was analyzed, which could provide the reference for the frequency converter design.

Frequency converter; Cooling tower fan; Energy saving; Application

TN 77

M

1671-0460（2015）01-0178-03

2014-10-25

王桂英（1962-），女，工程師，遼寧撫順人，1989年畢業(yè)于撫礦工學(xué)院電氣自動(dòng)化專業(yè)，主要從事電氣自動(dòng)化專業(yè)設(shè)計(jì)。E-mail：wangguiying@hqcec.com。