高壓電機(jī)節(jié)能改造

孟金甫，李曉寧，張文敬，孫全成

（河南神馬氯堿發(fā)展有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467242）

高壓電機(jī)節(jié)能改造

孟金甫，李曉寧，張文敬，孫全成

（河南神馬氯堿發(fā)展有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467242）

對30萬t/a PVC工程中PVC循環(huán)水泵、一次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的現(xiàn)狀和節(jié)能措施進(jìn)行了分析，總結(jié)出3臺高壓電機(jī)變頻器節(jié)能改造的必要性，節(jié)電優(yōu)化效果分析，提出了變頻改造的技術(shù)方案。

高壓變頻節(jié)能；運(yùn)行現(xiàn)狀；效果分析；方案

1 PVC循環(huán)水泵、一次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等高壓電機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 PVC循環(huán)水泵

河南神馬氯堿發(fā)展有限責(zé)任公司PVC區(qū)主要熱量來源是聚合釜，冷卻水系統(tǒng)主要是10 kV循環(huán)水泵（3臺900 kW和2臺400 kW高壓電機(jī)），根據(jù)工藝要求，運(yùn)行循環(huán)水壓力不能低于0.5 MPa。正常情況下有3臺循環(huán)水泵運(yùn)行 （2臺900 kW和1臺400 kW），當(dāng)聚合釜產(chǎn)生的熱量少時，循環(huán)水壓力超過0.62 MPa時，停1臺高壓泵，有可能壓力不會滿足要求，必須靠調(diào)節(jié)回流閥來調(diào)節(jié)壓力?？空{(diào)節(jié)回流閥來調(diào)節(jié)壓力，就會形成高壓泵開的臺數(shù)少時壓力不夠，高壓循環(huán)水泵開的臺數(shù)多時造成大量電能的浪費(fèi)。依靠人工調(diào)整進(jìn)出閥門的開度，閥門線性差，調(diào)節(jié)延遲，會造成出水壓力和流量變化大、不穩(wěn)定等現(xiàn)象，給生產(chǎn)系統(tǒng)安全及工藝控制造成較大壓力。水壓高時，經(jīng)常損壞密封墊，漏水造成水資源浪費(fèi)，且維修工作量大，物料消耗多，備品備件計劃不易掌握，增加生產(chǎn)成本。

1.2 一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)

此2臺風(fēng)機(jī)為2009年12月投運(yùn)，投運(yùn)以來多次出現(xiàn)電機(jī)過負(fù)荷，多次檢查認(rèn)為原因為現(xiàn)場風(fēng)門開度太大，現(xiàn)場的擋板風(fēng)門調(diào)節(jié)精確度太低，加之工藝條件時刻變化，操作人員也很難控制到良好狀態(tài)，調(diào)節(jié)過程不平滑、不靈活、不可靠，同時，調(diào)節(jié)延遲，不能及時滿足工藝變化要求。風(fēng)門調(diào)節(jié)的過大，雖然

滿足了工藝的要求，安全上卻帶來了較大的隱患，長時間造成電機(jī)過負(fù)荷，電機(jī)過熱，甚至電機(jī)絕緣擊穿沖擊電網(wǎng)，加上設(shè)備的能耗浪費(fèi)較大，迫切需要變頻改造。

2 變頻改造效果分析

通常設(shè)備是根據(jù)生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷條件，即最大流量進(jìn)行選擇的。而實際生產(chǎn)需要的流量往往比設(shè)計的最大流量要小，為此常常通過調(diào)節(jié)風(fēng)門的方式來控制，結(jié)果在風(fēng)門上造成很大的節(jié)流損耗。當(dāng)采用電機(jī)調(diào)速時，可以按需要升降電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)機(jī)的性能曲線，使風(fēng)機(jī)的參數(shù)滿足工藝要求。根據(jù)風(fēng)機(jī)的相似定律，變速前后風(fēng)量、風(fēng)壓、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

Q1/Q2=N1/N2；

H1/H2=（N1/N2）2；

P1/P2=（N1/N2）3。

Q1、H1、P1—風(fēng)機(jī)在N1轉(zhuǎn)速時的風(fēng)量、風(fēng)壓、功率；

Q2、H2、P2—風(fēng)機(jī)在 N2轉(zhuǎn)速時相似工況下的風(fēng)量、風(fēng)壓、功率。

假如轉(zhuǎn)速降低一半，即：N2/N1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)速由N1降為N2時，風(fēng)機(jī)的額定工作參數(shù)Q、H、P都降低了。但從效率曲線看，Q2與Q1點的效率值基本是一樣的。也就是說當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，額定工作參數(shù)相應(yīng)降低，但效率不會降低，有時甚至?xí)岣摺Ｒ虼嗽跐M足操作要求的前提下，風(fēng)機(jī)仍能在同樣甚至更高的效率下工作，風(fēng)機(jī)和泵類設(shè)備不同變量方式的功耗對比表見表1。

表1 風(fēng)機(jī)和泵類設(shè)備不同變量方式的功耗對比表

由以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果，結(jié)合目前調(diào)速技術(shù)的發(fā)展情況，在滿足工藝生產(chǎn)要求的條件下，調(diào)速設(shè)備改造方案在比較了設(shè)備投資費(fèi)用、節(jié)電效果，安全性及可靠性等其他方面后，可以通過變頻調(diào)節(jié)來自動滿足工藝要求，并降低損耗。

3 變頻節(jié)能改造的效果分析

3.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

3.1.1 PVC循環(huán)水泵（900 kW）

（1）水泵銘牌參數(shù)

流量：4 200 m3/H；揚(yáng)程：56 m；軸功率：772 kW。

（2）電機(jī)銘牌參數(shù)

額定電流：67.5 A；轉(zhuǎn)速：745 RMP；額定電壓：10 kV。

運(yùn)行狀況：電機(jī)實際電流52 A，管道出口壓力5.3~5.8 kg。

（3）變頻節(jié)能計算

目前電機(jī)實際消耗功率：1.732×10 kV×52 A× 0.88=792.5（kW）；

變頻后恒定供水壓力為5.5 kg左右，根據(jù)公式變頻后實際消耗功率：（5.5/5.8）1.5×792.5 kW/0.98= 746（kW）；

每小時節(jié)電：792.5 kW-746 kW=46.5（kW·h）；

每年節(jié)電：46.5×7 920 h=36.8萬（kW·h）。

（4）改造方法

PVC區(qū)循環(huán)水出口總管上加裝壓力變送器，壓力變送器送給變頻器4~20 mA模擬信號，代表管道壓力，再與變頻器上設(shè)定壓力進(jìn)行比較，變頻器實施恒壓控制，風(fēng)機(jī)各調(diào)節(jié)方式的能耗流量曲線見圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)各調(diào)節(jié)方式的能耗-流量曲線

3.1.2 引風(fēng)機(jī)（560 kW）

電機(jī)銘牌參數(shù)：額定電流43.8 A；PF 0.86額定電壓10 kV。

風(fēng)機(jī)的額定消耗功率為：560kW×0.8=448kW。

由于風(fēng)門開度平均為60%，電機(jī)實際電流28 A，故實際流量約為額定流量的80%，從圖1查出變頻調(diào)速時消耗的額定功率為54%，而葉片調(diào)節(jié)消耗額定功率的75%，因此變頻調(diào)節(jié)可以節(jié)約21%的額定消耗功率。也即是說變頻時每小時節(jié)約448×21%= 94（kW），全年按運(yùn)行7 920 h，年節(jié)省電度為：94× 7 920=74.4（萬kW·h）。

3.1.3 一次風(fēng)機(jī)（250 kW）

離心風(fēng)機(jī)銘牌參數(shù)為：

流量：47 000 m3/h；壓力：12 000 Pa。

電機(jī)銘牌參數(shù)：

額定電流：19.5 A；PF：0.85；額定電壓：10 kV。

通過公式P=H（KP）×Q（m3/h）/3 600/0.8=12× 47 000/3 600/0.8計算風(fēng)機(jī)的實際軸功率為195.8（kW），而風(fēng)機(jī)的額定消耗功率為：P額=P軸/η電機(jī)。而η電機(jī)=P電機(jī)/（1.732×I額×U額×0.85）=0.87，所以P額= 225（kW）。

閥門開度平均為55%，電機(jī)實際電流15 A，故實際流量約為額定流量的70%，從上圖查出變頻調(diào)速時消耗的額定功率為36%，而葉片調(diào)節(jié)消耗額定功率的63%，因此變頻調(diào)節(jié)可以節(jié)約27%的額定消耗功率。也即是說變頻時每小時節(jié)約225×27%= 60（kW），全年按運(yùn)行7 920 h，年節(jié)省電度為：60× 7 920=47.5（萬kW·h）。

4 變頻改造的技術(shù)方案

4.1 循環(huán)水泵高壓變頻改造方案

為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器同時加裝手動隔離刀閘裝置，保證主回路上有明顯的斷開點。變頻器異常時，變頻器不能正常運(yùn)行，電機(jī)可以切換到工頻運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行，以保證生產(chǎn)的需要；其一次回路圖和電纜接線分別見圖2和圖3。

圖2 循環(huán)水泵一次回路圖

圖3 水泵變頻改造外部電纜接線示意圖

說明：

a.QF1、QF2、QF3為斷路器，分別為變頻器、電機(jī)1和電機(jī)2供電；

b.K1、K2為真空接觸器，用于自動切換；

c.QS1、QS2為隔離開關(guān)，用于安全隔離；

d.K1、K2互鎖，QF1、K1互鎖，QF3、K2互鎖；

e.電機(jī)甲變頻運(yùn)行、電機(jī)乙備用時的開關(guān)狀態(tài)：QF2、QS1、K1、QF3閉合，QF1、QS2、K2斷開。電機(jī)甲變

頻故障：K1斷開，QF1自動合閘，電機(jī)甲工頻運(yùn)行。

4.2 風(fēng)機(jī)變頻改造技術(shù)方案

為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置。變頻器異常時，變頻器不能正常運(yùn)行，電機(jī)可以自動切換到工頻運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行，以保證生產(chǎn)的需要，其一次回路圖和電纜接線分別見圖4和圖5。

圖4 風(fēng)機(jī)一次回路圖

圖5 風(fēng)機(jī)變頻改造外部電纜接線示意圖

說明：設(shè)備內(nèi)安裝3個真空接觸器（KM1、KM2、KM3）和2個刀閘隔離開關(guān)QS1、QS2；

a.KM2與KM3實現(xiàn)電氣互鎖，當(dāng)KM1、KM2和QS1、QS2閉合，KM3斷開時，電機(jī)變頻運(yùn)行；

b.當(dāng)KM1、KM2斷開，KM3閉合時，電機(jī)工頻運(yùn)行。另外，KM1閉合時，QS1操作手柄被鎖死，不能操作；

c.KM2閉合時，QS2操作手柄被鎖死，不能操作；

d.電機(jī)工頻運(yùn)行時，若需對變頻器進(jìn)行故障處理或維護(hù)，切記在KM1、KM2分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘QS1和QS2斷開。

4.3 二次回路控制方式

變頻器采用2種操作控制方式。

（1）本地控制：從變頻器操作界面控制電機(jī)的啟動和停機(jī)，并能完成變頻器的所有控制；

（2）遠(yuǎn)程控制（現(xiàn)場操作柱）：通過內(nèi)置接口板接受來自現(xiàn)場的開關(guān)量控制。

4.4 速度設(shè)置方式（或閉環(huán)運(yùn)行時的給定方式）

變頻器有多種速度設(shè)置方式，在閉環(huán)運(yùn)行時，速度設(shè)置方式即為被控量的給定方式。

（1）本地設(shè)置：通過操作屏設(shè)置運(yùn)行頻率；

（2）模擬設(shè)置：接收4~20 mA模擬信號設(shè)置運(yùn)行頻率或被控量給定值；

（3）通訊設(shè)置：通過通訊方式接收來自控制系給定運(yùn)行頻率或被控量給定值；

（4）多檔設(shè)置：通過開關(guān)量設(shè)置多檔運(yùn)行速度或被控量給定值；

（5）閉環(huán)調(diào)節(jié)：由PID自動設(shè)置運(yùn)行頻率。

風(fēng)機(jī)調(diào)速采用DCS遠(yuǎn)控，即根據(jù)生產(chǎn)需要，DCS輸出4~20 mA調(diào)速信號至變頻器，變頻器接收到DCS 4~20 mA信號進(jìn)行實時調(diào)節(jié)；循環(huán)水泵調(diào)速采用PID閉環(huán)頻率調(diào)節(jié)完成，根據(jù)管道壓力反饋和壓力的設(shè)定值進(jìn)行實時調(diào)節(jié)。

5 結(jié)語

通過對高壓電機(jī)的變頻器改造，解決了該公司PVC區(qū)冷卻水系統(tǒng)壓力不穩(wěn)問題、解決風(fēng)機(jī)投運(yùn)以來多次出現(xiàn)電機(jī)過負(fù)荷問題，對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，節(jié)約電能明顯，同時改善了電機(jī)的啟動性能，減少電網(wǎng)沖擊，電機(jī)采用變頻器靜態(tài)啟動，運(yùn)行人員通過緩慢提升轉(zhuǎn)速至工作范圍，最大起動電流約為0.8倍，避開了電機(jī)4~7倍的啟動電流，轉(zhuǎn)速、力矩平穩(wěn)上升，減少對電網(wǎng)沖擊，減少機(jī)械震動，噪音和磨損，提高了運(yùn)行的可靠性，延長了機(jī)械壽命，變頻調(diào)速時，升降轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，慣性噪音降到最低。

Energy saving reformation of high voltage motor

MENG Jin-fu，LI Xiao-ning，ZHANG Wen-jing，SUN Quan-cheng
（Henan Shenma chlor alkali development Co.，Ltd.，Pingdingshan 467242，China）

The present situation and the energy saving measures of 300kt/a PVC circulating water pump，blower，induced draft fan were analyzed，the energy-saving reformation necessity of 3 hp motor inverter were summarized，the optimization effect analysis of energy saving were analyzed and the technical scheme of high frequency conversion transformation were put forward.

high voltage frequency conversion and energy saving；operation status；effect analysis；scheme

TQ051.21

B

1009－1785(2015)06-0040-04

2014-09-02