工業(yè)變頻泵改造及應(yīng)用探討

楊海濤

摘要：本文通過合成氨裝置冷氨泵及液氨泵變頻改造兩個實際案例分析變頻器在節(jié)能降耗方面的應(yīng)用成果；討論變頻改造過程中在工藝、機(jī)械、電氣方面的優(yōu)缺點，并給出具體建議；計算分析變頻器在運行過程中產(chǎn)生的諧波分量對供電質(zhì)量的影響。提出增加有源濾波裝置優(yōu)化電網(wǎng)質(zhì)量的解決方案。

關(guān)鍵詞：氨泵：節(jié)能降耗；電壓諧波畸變率；電流諧波畸變率；有源濾波器

1引言

隨著變頻技術(shù)的高速發(fā)展，其在工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是在風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備中的應(yīng)用。本文重點討論變頻器在金新化工合成裝置氨泵上的應(yīng)用案例，分析變頻器在節(jié)能降耗方面的應(yīng)用成果，探討變頻技術(shù)對電動機(jī)，電網(wǎng)所產(chǎn)生的不良影響以及后續(xù)的應(yīng)對措施。

2變頻器

2.1變頻器的組成

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電動機(jī)工作電源頻率的方式來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流單元、中間電路、逆變單元及控制電路等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)工藝的實際需要來提供電動機(jī)所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到調(diào)速、節(jié)能的目的。

變頻器的主要組成部分及控制原理如圖1所示：

2.2變頻器的調(diào)速原理電動機(jī)調(diào)速的基本原理基于以下公式：

公式中：

n—異步電機(jī)轉(zhuǎn)速；

s—為異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率；

f—電動機(jī)定子供電電源頻率（Hz）；

P—電動機(jī)磁極對數(shù)；

根據(jù)公式（1）可看出，改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有三種：一是改變轉(zhuǎn)差率s，二是改變電動機(jī)磁極對數(shù)p，三是改變電源頻率f。三個參數(shù)中轉(zhuǎn)差率和磁極對數(shù)是電動機(jī)的固有特性，運行過程中改變有困難，因此改變頻率為最好的電動機(jī)調(diào)速方法。

從上述公式（1）中得到，在轉(zhuǎn)差率和極對數(shù)不變的前提下，電源頻率增加，實際轉(zhuǎn)速就增高；電源頻率降低，實際轉(zhuǎn)速也相應(yīng)下降。這種通過改變電源頻率來進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的過程稱為變頻調(diào)速。

3變頻器的節(jié)能作用原理

在工業(yè)生產(chǎn)中，對風(fēng)機(jī)、離心泵等設(shè)備常用的控制方法是調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度大小來調(diào)節(jié)給風(fēng)量或給液量，不論生產(chǎn)的實際需求有多大，電機(jī)仍按照設(shè)計的額定轉(zhuǎn)速和頻率運轉(zhuǎn)，大量的電能消耗在擋板、閥門的節(jié)流過程中。由流體傳輸設(shè)備的的工作原理可知：離心泵、風(fēng)機(jī)的流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率等于流量與壓力的乘積。因此，離心泵、風(fēng)機(jī)類設(shè)備的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

下面對變頻調(diào)速節(jié)能原理具體分析：

圖2中離心泵、風(fēng)機(jī)特性曲線1與管路特性曲線2相交于A點，此時流量為Q1，揚程為H1，若要將流量由Q1調(diào)節(jié)至Q2，主要有兩種方法：一是調(diào)節(jié)閥門開度，二是改變泵或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速即改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速。若要改變揚程或壓力，同理。下面以改變流量這一參數(shù)進(jìn)行介紹。

若采用改變閥門開度的控制方式，管路特性曲線由2變?yōu)?，與泵的特性曲線交于B點，此時功率p1相當(dāng)于0H2BQ2所包圍的面積。

若采用變頻控制方式，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由N1降到N2，則泵或風(fēng)機(jī)的特性曲線由1變?yōu)?，與不進(jìn)行閥門調(diào)節(jié)的管路特性曲線交于C點，功率為P2相當(dāng)于0H3CQ2所包圍的面積。

可見，在同樣滿足流量Q2的前提下，采用變頻調(diào)速技術(shù)，功率將顯著減少，揚程也大幅降低，節(jié)省的功率ΔP=ΔHQ2與面積BH2H3C成正比，可見節(jié)能的效果是十分明顯的。

4變頻改造的優(yōu)缺點分析

4.1優(yōu)點分析

4.1.1改造前泵出口及回流管線壓力為3.4Mpa，管線震動大，且流通介質(zhì)為高危險性的液氨，存在管道焊口泄漏的安全隱患。經(jīng)過此次技術(shù)改造，在滿足工藝參數(shù)要求的前提下，降低出口壓力至2.1Mpa，使得管線振動減小，消除了安全隱患。

4.1.2經(jīng)改造后，按照當(dāng)前裝置運行模式，設(shè)備年運行時間按260天計算，平均年節(jié)約電量約為（w5+w6）×260=558922 kW·h，折合電費252074元，一年內(nèi)收回投資成本，大大降低了生產(chǎn)成本，值得在其他設(shè)備上推廣。

4.1.3該液氨輸送泵為立式多級離心泵，采用機(jī)械密封，且長時間運行，加之液氨的腐蝕性較強(qiáng)，多次出現(xiàn)機(jī)封損壞，液氨泄漏現(xiàn)象，對生產(chǎn)影響度高，且維修難度較大，經(jīng)技術(shù)改造后，降低了設(shè)備的運行轉(zhuǎn)速，從而降低了機(jī)械密封的損壞頻率。據(jù)統(tǒng)計，在未改造前，兩臺液氨泵機(jī)械密封共損壞過3次，自技術(shù)改造后，未出現(xiàn)過機(jī)械密封損壞現(xiàn)象。

4.2缺點分析

4.2.1由于屬技術(shù)改造工程，電動機(jī)原來配置為非變頻電動機(jī)，本次改造未對電動機(jī)進(jìn)行更換，在變頻運行時，頻率改變相當(dāng)于對電動機(jī)定子線圈施加很大的陡坡沖擊電壓，使電動機(jī)的匝間絕緣承受嚴(yán)酷考驗，加速電動機(jī)老化，使電動機(jī)的使用壽命受到影響。

4.2.2變頻器在逆變過程中會產(chǎn)生高次諧波，使配電系統(tǒng)高次諧波含量增加，如諧波含量超過允許限值，則會產(chǎn)生電能質(zhì)量下降，電動機(jī)損耗升高，電力電纜壽命降低等影響。

5、后續(xù)改進(jìn)措施

5.1電動機(jī)上的改進(jìn)

考慮后續(xù)將非變頻電機(jī)更換為變頻電機(jī)，上述兩個案例中的冷氨泵和液氨泵均按一開一備設(shè)計，本次改造中只改造了一臺，另外一臺仍采用非變頻運行方式備用，按照當(dāng)前不更換電動機(jī)的模式，即使在電動機(jī)受頻率改變影響使電動機(jī)損壞的情況下，仍有備用設(shè)備可用，不影響裝置的穩(wěn)定運行。另外，考慮到變頻改造節(jié)能的空間，可在5年電動機(jī)絕緣影響較大的時期對電動機(jī)進(jìn)行更換，更換一臺電動機(jī)成本約為4.5萬元，單臺變頻改造項目半年節(jié)約的成本即可滿足更換電動機(jī)的相應(yīng)費用。由此分析，在對電動機(jī)進(jìn)行更換的情況下節(jié)能降耗空間仍較大。

5.2諧波抑制方面的改進(jìn)

考慮后續(xù)在變頻器上采取諧波抑制措施，裝設(shè)有源濾波器。電源諧波抑制方法主要有裝設(shè)無源濾波器和有源濾波器兩種，但是無源濾波器補充特性受電網(wǎng)阻抗，頻率和運行狀態(tài)的影響，諧波抑制效果不夠理想，只能起到某幾次固定頻率諧波的抑制效果。目前，上述的變頻改造方案中已配置無源濾波器（輸入及輸出電抗器），但諧波抑制效果不明顯。隨著電子電路的高速發(fā)展，有源濾波器得到了廣泛的應(yīng)用，其輸入阻抗高，輸出阻抗極低，因而具有良好的隔離性能，對抑制電源諧波效果更為明顯。因此為進(jìn)一步降低合成低壓配電室諧波畸變率，后續(xù)考慮在變頻器上裝設(shè)有源濾波器，從而達(dá)到改善電網(wǎng)質(zhì)量的目的。

6結(jié)論分析

通過對上述兩個案例的總結(jié)，以及通過改造完成后的理論計算分析過程，可得出如下結(jié)論：

6.1變頻技術(shù)在化工工藝上有很好的應(yīng)用，在化工行業(yè)較值得推廣，變頻技術(shù)能夠通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行負(fù)載調(diào)節(jié)，從而達(dá)到工藝優(yōu)化、精確控制的目的。

6.2變頻改造技術(shù)在節(jié)能降耗方面應(yīng)用效果較好，特別是在通過閥門開度調(diào)節(jié)介質(zhì)流量的設(shè)備上，節(jié)能效果較明顯。兩臺設(shè)備一年內(nèi)可節(jié)約電量558922 kW·h。