變頻技術(shù)在煤化工裝置中的節(jié)能應(yīng)用研究

王 珺 祁立賓 曹 輝 卓 狀 馬 帥

（航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司電控室，北京 101111）

0 引言

在煤化工裝置生產(chǎn)過(guò)程中，風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載是生產(chǎn)裝置的主要耗電設(shè)備，其電耗占全廠總電耗的75%～80%。同時(shí)，煤化工裝置由于受煤種、下游裝置處理量、實(shí)際生產(chǎn)方案變化以及市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)等因素影響，常常處于負(fù)荷變化或低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，而在設(shè)計(jì)選型過(guò)程中考慮到煤種、擴(kuò)能改造等因素，會(huì)留有一定的余量，使許多風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)荷波動(dòng)范圍和揚(yáng)程過(guò)剩較大，造成能源浪費(fèi)。

工藝管道中的調(diào)節(jié)閥，是通過(guò)改變管道通徑的截面積，即改變管路特性，來(lái)控制管道中流體的流量；而用變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶風(fēng)機(jī)、泵，當(dāng)機(jī)械的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，可改變流體流量的大小。兩者的作用一樣，只是控制流體流量的方式不同而已，因此在風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的流量控制場(chǎng)合，變頻器是可以代替調(diào)節(jié)閥的[1]。

本文根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的運(yùn)行數(shù)據(jù)研究了風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的能源浪費(fèi)情況，將原有流量調(diào)節(jié)的控制方式改為變頻調(diào)速控制，并給出了變頻調(diào)節(jié)技術(shù)在煤化工項(xiàng)目中的應(yīng)用方案；同時(shí)，通過(guò)分析得出變頻調(diào)速控制節(jié)能效果明顯，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 變頻調(diào)節(jié)理論分析

這里以離心泵為例，討論流量控制中存在的問(wèn)題。流量的調(diào)節(jié)一般采用兩種辦法：一種是節(jié)流調(diào)節(jié)，另一種是變速調(diào)節(jié)。離心泵及管路的特性曲線如圖1所示。

圖1中，n（H-Q）為離心泵特性曲線，R為管路特性曲線。當(dāng)流量達(dá)到最大值Q0時(shí)，泵以全速n0運(yùn)行，出口閥門全開，泵的特性曲線n0和管路特性曲線R0交于工況點(diǎn)A，泵出口壓力為HA。在需求流量由Q0減少到Q1的過(guò)程中，采用不同的控制方案，泵的能耗不同[2]。

圖1 離心泵和管路的特性曲線

（1）節(jié)流調(diào)節(jié)。泵的轉(zhuǎn)速保持不變，關(guān)小泵出口閥門，此時(shí)管路特性曲線由R0變?yōu)镽2，工況點(diǎn)由A點(diǎn)上滑到B點(diǎn)，揚(yáng)程從HA上升到HB，所消耗的功率正比于Q1BHBO面積（設(shè)為S1）。

（2）變速調(diào)節(jié)。改變泵的轉(zhuǎn)速，閥門開度保持不變。此時(shí)泵的特性曲線由n0變?yōu)閚2，工況點(diǎn)由A點(diǎn)下滑到C點(diǎn)，揚(yáng)程從HA下降到HC，所消耗的功率正比于Q1CHCO面積（設(shè)為S2）。

顯而易見，在同樣的流量Q1下，HB＞HC，S1＞S2，說(shuō)明變速調(diào)節(jié)比節(jié)流調(diào)節(jié)更節(jié)省能耗[3]。

2 調(diào)節(jié)閥控制下電機(jī)輸出功率分析

為了掌握流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，將風(fēng)機(jī)/泵的出口流量、調(diào)節(jié)閥開度、調(diào)節(jié)閥前后壓力值以及電機(jī)運(yùn)行電流4個(gè)參數(shù)作為數(shù)據(jù)采集的對(duì)象。圖2是某煤化工裝置中風(fēng)機(jī)A的相關(guān)數(shù)據(jù)，圖3是某煤化工裝置中水泵B的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2中綠色線SP對(duì)應(yīng)的是流量目標(biāo)值，黃色線OP是電動(dòng)風(fēng)門的開度，紅色線表示的是實(shí)際的風(fēng)量。由于在控制系統(tǒng)中未做電流的趨勢(shì)，通過(guò)手動(dòng)觀察，風(fēng)機(jī)A當(dāng)前的電流值為67 A。

圖2 風(fēng)機(jī)A遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集

圖3中紅色線OP對(duì)應(yīng)的是調(diào)節(jié)閥的開度，粉色線PV對(duì)應(yīng)的是流量值。由于在控制系統(tǒng)中未做電流的趨勢(shì)，通過(guò)手動(dòng)觀察，水泵B當(dāng)前的電流值為156 A。

圖3 水泵B現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可以得出，風(fēng)機(jī)A的額定功率為1 400 kW，設(shè)計(jì)流量為141 696 Nm3/h，其入口的實(shí)際風(fēng)量在10 000 Nm3/h左右，調(diào)節(jié)閥的開度在65%左右，根據(jù)工作電流可知，電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率為988 kW。水泵B的額定功率為185 kW，額定流量為300 m3/h，揚(yáng)程為140 m，根據(jù)工作電流可知，電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率為92.4 kW?？梢钥闯?，當(dāng)風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的實(shí)際工作流量小于其額定流量時(shí)，電機(jī)的實(shí)際輸出功率小于額定功率。

3 變頻調(diào)速控制下電機(jī)輸出功率分析

當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵出口壓力高于需要值時(shí)，若采用調(diào)節(jié)閥門（節(jié)流閥門、風(fēng)門）的方法調(diào)節(jié)流量，則調(diào)節(jié)閥門上的電能損耗為：

式中：ΔN為調(diào)節(jié)閥門上的電能損耗（kW）；Q為流量（m3/s）；ΔH為富余揚(yáng)程，即調(diào)節(jié)閥門上的壓降（Pa）；η為風(fēng)機(jī)、水泵效率；ηd為電動(dòng)機(jī)效率；ηt為傳動(dòng)裝置效率。

由于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，即M∝n2；而電動(dòng)機(jī)軸的輸出功率P∝Mn∝n3，所以電動(dòng)機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比[4]。

下面針對(duì)前述某項(xiàng)目的風(fēng)機(jī)A和水泵B進(jìn)行節(jié)能分析，由于變頻運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)尚未采集，僅對(duì)其進(jìn)行理論分析。

對(duì)于風(fēng)機(jī)A，如果采用變頻控制的方案，根據(jù)流量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，需要電機(jī)運(yùn)行在頻率為35 Hz的狀態(tài)下，此時(shí)消耗的功率為額定功率的34.3%，約為480.2 kW，是實(shí)際值的48.6%。

對(duì)于水泵B，如果采用變頻控制的方案，需要水泵運(yùn)行在頻率為25 Hz的狀態(tài)下，此時(shí)消耗的功率為額定功率的12.5%，約為22.5 kW，是實(shí)際值的24.4%。

由此可見，采用變頻調(diào)速控制方案可以顯著降低風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)荷的能耗。

4 變頻器應(yīng)用方案

圖4和圖5分別是高壓變頻器控制方案的一次主回路圖和二次原理圖。一次主回路包含高壓斷路器QF、高壓隔離開關(guān)QS1～3、高壓變頻器、輸入移相變壓器等。高壓斷路器QF設(shè)置在高壓開關(guān)柜中，高壓隔離開關(guān)QS1～3、高壓變頻器、輸入移相變壓器設(shè)置在高壓變頻器成套柜中，其中高壓變頻器成套柜需設(shè)置在單獨(dú)的房間內(nèi)。

圖4 高壓變頻器一次主回路圖

圖5 高壓變頻器二次原理圖

圖6和圖7分別是低壓變頻器控制方案的一次主回路圖和二次原理圖。一次主回路包含低壓斷路器、低壓變頻器、輸出電抗器、冷卻風(fēng)扇主回路等。

圖7 低壓變頻器二次原理圖

5 變頻器選型要求

對(duì)于低壓變頻器：

（1）其控制方式有U/f控制和無(wú)傳感器矢量控制；

（2）變頻器輸出頻率范圍為0.5～200 Hz；

（3）變頻器瞬時(shí)過(guò)轉(zhuǎn)矩能力不低于額定轉(zhuǎn)矩的120%，持續(xù)時(shí)間不低于60 s；

（4）變頻器必須采用必要的諧波抑制方案，將其輸入側(cè)產(chǎn)生的諧波電流總畸變率（THDI）減小至小于35%，優(yōu)于IEC標(biāo)準(zhǔn)THDI≤48%的要求；

（5）為減小變頻器運(yùn)行中產(chǎn)生的輻射與傳導(dǎo)干擾，滿足EMC抗干擾性，變頻器必須集成A類EMC濾波器；

（6）具有輸入過(guò)壓、直流母線過(guò)壓、輸入欠壓、輸入缺相、過(guò)載、欠載、電流限幅、輸出缺相保護(hù)；

（7）變頻器集成Modbus通信功能[5]。

對(duì)于10 kV中壓變頻器：

（1）通常選用電壓型變頻器，即內(nèi)部?jī)?chǔ)能元件為電容；

（2）通常選用10 kV輸入、10 kV輸出，不選用輸入采用降壓變壓器降壓、輸出采用升壓變壓器升壓的方案；

（3）通常選用變頻器成套柜，包含輸入移相變壓器、變頻器整流單元、變頻器逆變單元以及圖形顯示終端，變頻器柜的防護(hù)等級(jí)不低于IP31，變頻器功率單元冷卻方式為強(qiáng)制風(fēng)冷，并具有冷卻風(fēng)機(jī)停機(jī)保護(hù)；

（4）變頻器能提供U/f控制和無(wú)傳感器矢量控制；

（5）具有電動(dòng)機(jī)過(guò)載、過(guò)流、輸入過(guò)壓、輸入欠壓、CPU故障等保護(hù)；

（6）為有效減小變頻器運(yùn)行產(chǎn)生的諧波電流，變頻器輸入必須采用36脈沖整流，使得諧波電流總畸變率THDI不大于2%，以將諧波電流中對(duì)中壓電網(wǎng)的污染降到最低；

（7）為保證變頻器輸出電壓為高度正弦波，從而消除du/dt產(chǎn)生的過(guò)電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣的損害，要求變頻器輸出半波電壓必須為21電平，每個(gè)逆變單元必須能輸出3電平；

（8）變頻器輸出頻率為0.5～100 Hz；

（9）變頻器功率因數(shù)大于0.96；

（10）額定功率下，要求變頻器的整機(jī)效率（包含輸入移相變壓器在內(nèi)）大于96%；

（11）變頻器集成Modbus通信功能[5]。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)目前煤化工裝置中流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)研，論證了變頻調(diào)速控制應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載流量調(diào)節(jié)的可行性，并進(jìn)行了節(jié)能分析，同時(shí)給出了不同電壓等級(jí)（10 kV、380 V）下變頻控制系統(tǒng)的一、二次回路方案以及變頻器選型的相關(guān)要求。