石油化工企業(yè)電動機變頻調(diào)速節(jié)能方案探討

黃林，王鵬

（中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司，四川 成都 610100）

近年來，技術(shù)的進步帶動了很多領(lǐng)域的發(fā)展，在石油化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，變頻調(diào)速技術(shù)得到了普遍的應(yīng)用，該種調(diào)速方式具有較好的節(jié)能效益，在一定程度上突破了傳統(tǒng)調(diào)速方式的局限性，因此，變頻器調(diào)速已成為當前電動機調(diào)速的重要趨勢。調(diào)速方式的轉(zhuǎn)變在一定程度上減少了調(diào)速的能源消耗，變頻器的變頻調(diào)速控制具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，有利于促進行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于石油化工企業(yè)電動機的實際設(shè)計方案

在當前變頻器使用范圍越發(fā)普遍的今天，同時，石油化工企業(yè)中各種設(shè)施的發(fā)展對功率的要求也在逐漸地提升。這樣一來，就給相應(yīng)的電氣設(shè)計人員以及使用人員帶去了一個比較嚴重的問題：一些功率較大的設(shè)備基本上在整體的電氣系統(tǒng)運行中占據(jù)著十分重要的地位，因為其自身的重要程度也就導(dǎo)致對其可靠性的要求相當之高，變頻器的使用可以很輕松的達成無級調(diào)速的目標，但變頻器自身就是一個包含著數(shù)量眾多的電子元件的獨立電氣系統(tǒng)，變頻器的安全性對于整體的電氣系統(tǒng)安全性能有著最為直接的影響。會發(fā)生二者之間的沖突。當前對于這種問題已經(jīng)出現(xiàn)了一些相應(yīng)的解決方案。接下來就是將某電廠的循環(huán)水泵的設(shè)計作為例子進行相應(yīng)的分析，該電廠因為工藝需要對其進行相應(yīng)的調(diào)速，這個循環(huán)水泵的額定電壓為6kV，功率大小是5600kW。該電廠在對當前市場上的變頻器的安全性能進行全面調(diào)研以及自身實際調(diào)速需求的前提下，最終采用的變頻器與旁路相結(jié)合的方式來達到水泵的調(diào)速目標。在整體的設(shè)計方案中，旁路方案主要是在主要的變頻調(diào)速工作的基礎(chǔ)上加上一回路工頻旁路，主要是為了保障在變頻器發(fā)生故障后可以做到變頻器的切換，并且在這里的系統(tǒng)中需要保障變頻與工頻之間保持一種互鎖狀態(tài)。只有當變頻器整體產(chǎn)生故障后才可以使用工頻繼續(xù)相應(yīng)的供電工作。在變頻器完全故障致使無法正常工作的情況下，水泵系統(tǒng)進行工頻切換時，工頻上的主要運行方式可以分為自動以及手動形式，實際運行中方式的選擇需要立足于使用的實際需求以及工況上進行選擇。在實際切換到工頻的時候，電動機定子側(cè)的附近的磁場能量在到達分閘的時候已經(jīng)出現(xiàn)了部分的釋放情況，但實際上，電動機轉(zhuǎn)子側(cè)中的磁場因為其自身的一些原因使自己形成一個的磁場回路，并且消耗所需的時間長短是與電動機自身容量有一定關(guān)系的。這時候的電動機轉(zhuǎn)子側(cè)帶有的磁場就會在異步的電動機定子側(cè)感應(yīng)出一個電動勢，只有當同步的檢測單元對電動機的電壓衰減值進行檢測，在達到一定范圍后，就會發(fā)出相應(yīng)的切換信號或者是命令，這時候就可以通過使用早已設(shè)定完成的自動操作設(shè)備或者使人員通過手動操作進行工頻運行的切換。但發(fā)展到現(xiàn)代社會，又出現(xiàn)了一種新型的切換方式，就是通過使用同步的檢測單元以及一種名為ATS的雙電源來進行相應(yīng)的切換，主要的可使用因素就在于ATS自身帶有的機械連鎖對于實現(xiàn)的電路的切換來說，更為安全以及可靠。

2 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于石油化工企業(yè)電動機中應(yīng)該注意的事項

2.1 變頻器實際選用的應(yīng)遵循的原則

在進行變頻器的實際選擇時，要遵循的一個總體原則就是先滿足工藝要求，經(jīng)濟效益考慮在后。并且在選擇變頻器的時候，主要還是在選擇變頻器的形式以及容量這兩個主要方面。變頻器從自身的設(shè)計結(jié)構(gòu)特點方面進行分辨主要可以分為電壓以及電流源型兩種變頻器。這兩種變頻器在正常情況下都可以對當前的變頻需求予以滿足，具體的選擇以及使用需要根據(jù)實際使用需求來確定。

2.2 變頻器容量選擇時應(yīng)該注意的事項

在將需要使用的變頻器類型予以選擇后，就需要對其容量進行相應(yīng)的選擇，在進行這方面的實際選擇時，需要注意如下的注意事項：第一就是需要根據(jù)機械自身對于兩個極值轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩在啟動、連續(xù)運轉(zhuǎn)以及過載情況下的實際要求，將機械自身要求的輸入功率所能達到的最大值予以計算。第二就是將電動機的極數(shù)以及額定功率進行選擇。電動機自身的極數(shù)就直接決定了相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，這從本質(zhì)上也就是要求轉(zhuǎn)速需要最大可能的覆蓋整體的調(diào)速范圍，這樣就能夠使得連續(xù)的負載容量得到一定程度的提升。為了可以充分將設(shè)備的潛能得以挖掘和應(yīng)用，可以在短時間內(nèi)允許電動機超過轉(zhuǎn)速，但必須在電動機自身的極致速度之下。第三就是需要對變頻器整體的工藝水平以及電動機的詳細參數(shù)做到細致深入的了解，可以對變頻器的容量做出描述的三個角度分別是額定的電流、可用電動機自身的功率以及額定容量。這最后的兩個方面因為各個國家之間生產(chǎn)標準有差異或者可以隨著電壓的變化而變化，無法對變頻器的容量做到最精確的描述。只有額定電流可以完全反映變頻器自身的容量，這個額定電流本質(zhì)上就是一個可以完全反映半導(dǎo)體變頻器自身負載能力高低的關(guān)鍵變量，在對變頻器的容量進行選擇的時候，也需要遵循負載電流量不大于變頻器額定電流數(shù)值的基本原則。

2.3 選擇電動機的時候需要注意的事項

因為變頻器自身擁有著比較高的載波頻率，因此，在實際的運轉(zhuǎn)過程中，電動機中的繞組需要負載相對較高的電壓沖擊。此外，電動機歷經(jīng)長時間使用后的效率下降以及轉(zhuǎn)速下降所帶來的冷卻效果變差等等現(xiàn)象都需要注意，因此，在進行相應(yīng)的變頻調(diào)速后，為了防止頻繁出現(xiàn)變頻器以及電動機的損壞，可以在經(jīng)濟條件允許的情況下，使用專門用于變頻調(diào)速的電動機。一種自身結(jié)構(gòu)組成是通用變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)基本普遍采用的就是標準異步電動機，這種電動機自身是通過使用PWM變頻器來為異步電動機進行供電時，這部分電流中往往都帶有高次諧波，這種諧波會使得電動機在進行空載運行時候功率以及效率都會隨之降低，并在導(dǎo)致磨損增加，這對于經(jīng)常性在滿載狀態(tài)下下工作的電動機來說會使得使用壽命大幅度減少。因此，在實際選擇的時候，需要適當?shù)丶哟箅妱訖C的容量。

3 應(yīng)用實例

以某石油化工企業(yè)加熱爐風機系統(tǒng)的變頻調(diào)速改造工程為例，風機及其電動機的參數(shù)如下：

（1）風機參數(shù)。風機型號：9-1916D；風量：26378-63307m3/h；全壓：1820Pa；轉(zhuǎn)速：730r/min。

（2）電動機參數(shù)。電動機型號：JS147-4；額定功率：360kW；額定電壓：6kV；額定電流：42A；功率因數(shù)：0.88；電動機效率：95%。

3.1 風機改造前狀況

在該系統(tǒng)內(nèi)所采用的風機為離心式風機類型，全壓啟動，在風量的調(diào)節(jié)過程中，主要是通過出口閥門開口的大小來實現(xiàn)的。在該系統(tǒng)內(nèi)，包含兩臺風機，一臺是系統(tǒng)運行中所使用的，而另一臺為備用。風機的運行過程中，由異步電動機直接拖動，在起動過程中，為全壓起動的狀態(tài)，在起動過程中，所產(chǎn)生的電流相對較大，該電流會影響車間電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，再加上其轉(zhuǎn)速相對較高，在一定程度上對軸承產(chǎn)生了一定的沖擊，因此，在這種運行狀態(tài)下，風機系統(tǒng)極易出現(xiàn)各種故障，比如，電動機燒損極為常見，使得在電動機的維修等方面的成本消耗相對較高。由于該系統(tǒng)的特殊性，應(yīng)用鋼種與燃氣等，也無法達到理想的調(diào)節(jié)效果，存在能源的浪費，不利于企業(yè)經(jīng)濟效益的實現(xiàn)，將其改造為變頻節(jié)能調(diào)速，能夠?qū)崿F(xiàn)成本的控制，達到節(jié)能降耗的目的。

3.2 變頻調(diào)速改造動力線路圖

變頻調(diào)速改造線路如圖1所示，在具體的改造過程中，其線路結(jié)構(gòu)相對簡單，具有實施的可行性與便捷性。

圖1 變頻調(diào)速系統(tǒng)動力線路圖

3.3 節(jié)能效果的估算

從流體力學(xué)的角度來看，風機風量與轉(zhuǎn)速、電動機功率等存在著緊密的關(guān)系：（1）風機轉(zhuǎn)速改變的情況下，流量與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出正向變化的關(guān)系；（2）風機壓頭與轉(zhuǎn)速的平方也呈現(xiàn)正向變化的關(guān)系；（3）風機電動機軸功率與轉(zhuǎn)速立方呈現(xiàn)出同方向變化的關(guān)系。因此，基于這些關(guān)系，在風機的運行過程中，當風機風量減小的情況下，風機轉(zhuǎn)速逐步降低，電動機輸出功率也逐步減小。如果在該風機系統(tǒng)內(nèi)采用風門調(diào)節(jié)的方式，電動機輸出功率與功率因數(shù)為正比，功率因數(shù)隨著輸出功率的減小而降低，有關(guān)經(jīng)驗表明，其功率因數(shù)為0.85，如果按照余量10%、電動機額定功率360kW，引風機的額定軸功率為324kW。而工作電流為27A，設(shè)備運行時間T=8760h，在這種情況下，電動機消耗功率P=UI工cosφ=238.221kW，年消耗電量為E變閥門=P×T=2086815.96kWh。如果在該風機系統(tǒng)內(nèi)采用變頻調(diào)節(jié)的方式，其風機閥門開度57.81%，風量Q=70%，電動機消耗功率P變頻=PQ3=123.48kW，年耗電量E變頻=P變頻×T=1081684.8kWh，大大節(jié)約了電能消耗。

4 結(jié)語

近年來，與交流電動機變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的電力電子技術(shù)以及交流電動機調(diào)速控制等等理論以及相應(yīng)技術(shù)的誕生和發(fā)展成熟，交流電動機變頻調(diào)速技術(shù)也已經(jīng)逐步地發(fā)展成熟，并且在電氣傳動領(lǐng)域中各種設(shè)備功率變得越發(fā)巨大的情況下因為自身的優(yōu)勢得到了大范圍內(nèi)的應(yīng)用。在當前對設(shè)計工藝要求越發(fā)嚴格的今天，變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用石油化工企業(yè)電動機中的設(shè)計方案要想做到完善，就需對其中的一些注意事項予以重視。