張 挺

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電機系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能改造效益分析

張 挺

福建省建筑輕紡設(shè)計院

對各類高低壓電動機變頻改造方案及效果的實例進行數(shù)據(jù)分析，了解改造后的經(jīng)濟效益。

變頻調(diào)速 節(jié)能 效益分析

隨著我國政府提出建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的方針，近年來，國家和地方頒布和實施了多項政策法規(guī)，旨在推動節(jié)能技術(shù)進步，提高能源利用效率，促進節(jié)能降耗和污染減排。電機系統(tǒng)節(jié)能是國家啟動的十大重點節(jié)能工程之一，國家發(fā)展規(guī)劃要求，當(dāng)前應(yīng)推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，即風(fēng)機、水泵、壓縮機等通用機械系統(tǒng)采用變頻調(diào)速節(jié)能措施，工業(yè)機械采用交流電動機變頻工藝調(diào)速技術(shù)。在“十一五”期間，我國將實現(xiàn)電機系統(tǒng)運行效率提高2個百分點，形成年節(jié)電能力達200億千瓦時的目標。

1 電機系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能背景

采用變頻調(diào)速技術(shù)是節(jié)能降耗的重要途徑。水泵、風(fēng)機等恒轉(zhuǎn)矩負載在沒有調(diào)速情況下，要求改變流量時，只能通過機械調(diào)整閥門開啟角度，雖然流量下降了，但泵或風(fēng)機的出口壓力升高，功率下降并不明顯，近似成為恒功率負載，造成電源利用率極低（用于克服調(diào)節(jié)裝置的阻力）。當(dāng)使用變頻調(diào)速時，如果流量要求減小，就可以通過降低泵或風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，即可滿足要求。而泵或風(fēng)機的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，隨著轉(zhuǎn)速的降低，功率會快速下降。

大部分風(fēng)機、泵類負載設(shè)計時留有較大的裕度，有一部分設(shè)備為考慮擴產(chǎn)需要，容量選大后閥門常年未全開；另一部分設(shè)備要根據(jù)生產(chǎn)情況隨時調(diào)節(jié)閥門來控制流量；還有一部分設(shè)備生產(chǎn)過程不斷的變動中有降速的條件而電機未做調(diào)節(jié)，上述設(shè)備電耗長期維持在一個較高水平上，浪費嚴重。

在實際生產(chǎn)領(lǐng)域中，為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設(shè)計配用動力驅(qū)動時，都留有一定的富余量。電機不能在滿負荷下運行，除達到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費，在壓力偏高時，可降低電機的運行速度，使其在恒壓的同時節(jié)約電能。

2 電機系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能原理

通過流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機、泵類設(shè)備均屬變轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n 與流量q，壓力p 以及軸功率P具有如下關(guān)系：流量與轉(zhuǎn)速和頻率成正比、壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比、軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

Q1/Q2= n1/n2=f1/f2

H1/H2= (n1/n2)2

P1/P2= (n1/n2)3

風(fēng)機各調(diào)節(jié)方式的能耗-流量曲線見圖1。

圖1 風(fēng)機各調(diào)節(jié)方式的能耗-流量曲線

由此可見降低電機轉(zhuǎn)速可得到立方級的節(jié)能效果。這就是變頻器電機控制對于電機容量預(yù)留和生產(chǎn)負荷階段調(diào)整的節(jié)能原理。

投入變頻器后，還能提高其所控電機系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少配電系統(tǒng)的網(wǎng)損。

因此，采用可靠的高、低壓變頻節(jié)能技術(shù)及產(chǎn)品對工廠現(xiàn)有生產(chǎn)領(lǐng)域相關(guān)電機系統(tǒng)進行以變頻器為主要節(jié)能手段的技術(shù)改造，通過對前述各類高低壓電動機驅(qū)動的風(fēng)機、水泵、空氣壓縮機等負載進行變頻器控制改造，從而實現(xiàn)節(jié)能減排及確保電機變頻節(jié)能改造項目的投資，達到預(yù)期的經(jīng)濟性。

3 電機系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能效益

以下對各類高低壓電動機變頻改造方案及效果的實例進行數(shù)據(jù)分析，來直觀了解改造后的經(jīng)濟效益。

●1800kW高溫風(fēng)機

10kV1800kW高溫風(fēng)機運行狀況：電機改造前實際運行電流116A，目前消耗功率:1.732×10.5×116×0.85=1793KW，原系采用液力偶合器調(diào)速，調(diào)速78.5%，由變頻改造后功率0.7853×1800/0.96=908KW，節(jié)約功率1793-908=885KW,液力偶合器傳統(tǒng)上用于需要調(diào)速的流體機械(如風(fēng)機、泵類)時，有相當(dāng)?shù)墓?jié)電效果，原節(jié)電率可達25％，因此，變頻改造實際節(jié)電約437KW，因此變頻調(diào)節(jié)可以節(jié)約25%的功率。全年按運行7200小時，電費為0.50元計算，年節(jié)電費437×7200×0.50=157萬元，按目前國產(chǎn)變頻器價格計算，2年可回收變頻投資。

改造方法：擬配置變頻器具工—變頻切換功能, 風(fēng)門全開由DCS給定頻率，見圖2。

圖2

●鍋爐鼓風(fēng)機(355KW)

變頻節(jié)能計算:由于風(fēng)門平均開度為50%，故實際流量約為額定流量的70%，從上表曲線中查出采用變頻調(diào)速時消耗額定功率的36%，采用葉片調(diào)節(jié)則消耗額定功率的64%，兩者相比變頻調(diào)節(jié)可以節(jié)約28%的額定消耗功率。變頻時每小時節(jié)約355×0.95×28%=94.4kw，全年按運行7200小時，電費為0.50元計算，年節(jié)電94.4kw×7200×0.50=34萬元，按目前國產(chǎn)變頻器價格計算，1年半可回收變頻投資。

改造方法：擬配置變頻器具工—變頻切換功能, 風(fēng)門全開由DCS給定頻率。 (見上圖)

●給水泵（90KW）

運行狀況：電機實際電流147A，管道出口壓力5公斤

變頻節(jié)能計算：目前電機實際消耗功率1.732×380V×

147A×0.88=85.5KW

變頻后恒定供水壓力為3.95公斤左右，則根據(jù)公式變頻后實際消耗功率；

(3.95/5)1.5×85.5KW/0.98=61.56KW

每小時節(jié)電: 85.5KW-61.56KW=23.94度

每年節(jié)電：23.94度×8000小時 =19.2萬度

1年半可回收變頻投資。

改造方法：擬配置2臺變頻器,具工—變頻切換功能，恒壓控制。

改造方案：詳見圖3。

圖3

●空氣壓縮機 (250KW)

通常情況，當(dāng)壓力達到最大時，空氣壓縮機通過如下方法來降壓卸載：關(guān)閉進氣閥使空氣壓縮機不需要再壓縮氣體做功，但空氣壓縮機的電動機還是要帶動空壓機運動，據(jù)測算，空氣壓縮機卸載時的能耗約占空氣壓縮機滿載運行的10％－15％，在卸載時段內(nèi)，空氣壓縮機在做無用功，白白地消耗能量。同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空，這種調(diào)節(jié)方法也要造成很大的能量浪費。

改造方法：擬配置變頻器，壓力變送器將儲氣罐的壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒oＰＩＤ調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的ＰＩＤ控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的輸出頻率，自動調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力始終維持在給定壓力，變頻改造后空壓機大部分時間不會卸載。另外，采用該方案后，空氣壓縮機電動機從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實現(xiàn)軟啟動，避免了起動時的大電流和起動時給空氣壓縮機帶來的機械沖擊，見圖4。

圖4 系統(tǒng)框圖

變頻節(jié)能計算:根據(jù)電表實測目前電機實際消耗功率：225KW，進行變頻改造后大部分時間不會卸載，根據(jù)現(xiàn)卸載時間估算節(jié)電率在29%左右。

每年節(jié)電:225KW×29%×7920小時=51.67萬度，1年半可回收變頻投資

4 電機系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能其它效果

4.1 變頻改造后，提高功率因素。

4.2 變頻改造后, 提高自動化水平,減輕工人勞動強度，也改善工藝水平。

4.3 變頻改造后，電機將軟啟動，對電網(wǎng)、電機、機械無任何沖擊，大大延長了設(shè)備使用壽命。

4.4 變頻器具有過流，過壓、過載、短路、斷路、缺相等多種保護功能，有效保護電機、電網(wǎng)，更便于查找故障及維護。

5 結(jié)論

由上可見，對工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域相關(guān)電機系統(tǒng)進行以變頻器為主要節(jié)能手段的技術(shù)改造，可以實現(xiàn)節(jié)能減排，同時確保電機變頻節(jié)能改造項目的投資達到預(yù)期的經(jīng)濟性，一般投入使用后2年內(nèi)可收回投資。同時變頻改造后電耗將大幅降低，企業(yè)生產(chǎn)成本也隨之降低，使企業(yè)走上良性循環(huán)的軌道。