張 挺

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電機(jī)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(jì)院

對(duì)各類高低壓電動(dòng)機(jī)變頻改造方案及效果的實(shí)例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，了解改造后的經(jīng)濟(jì)效益。

變頻調(diào)速 節(jié)能 效益分析

隨著我國(guó)政府提出建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的方針，近年來(lái)，國(guó)家和地方頒布和實(shí)施了多項(xiàng)政策法規(guī)，旨在推動(dòng)節(jié)能技術(shù)進(jìn)步，提高能源利用效率，促進(jìn)節(jié)能降耗和污染減排。電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能是國(guó)家啟動(dòng)的十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一，國(guó)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(jī)、水泵、壓縮機(jī)等通用機(jī)械系統(tǒng)采用變頻調(diào)速節(jié)能措施，工業(yè)機(jī)械采用交流電動(dòng)機(jī)變頻工藝調(diào)速技術(shù)。在“十一五”期間，我國(guó)將實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率提高2個(gè)百分點(diǎn)，形成年節(jié)電能力達(dá)200億千瓦時(shí)的目標(biāo)。

1 電機(jī)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(jī)等恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在沒(méi)有調(diào)速情況下，要求改變流量時(shí)，只能通過(guò)機(jī)械調(diào)整閥門(mén)開(kāi)啟角度，雖然流量下降了，但泵或風(fēng)機(jī)的出口壓力升高，功率下降并不明顯，近似成為恒功率負(fù)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(shí)，如果流量要求減小，就可以通過(guò)降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可滿足要求。而泵或風(fēng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，隨著轉(zhuǎn)速的降低，功率會(huì)快速下降。

大部分風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載設(shè)計(jì)時(shí)留有較大的裕度，有一部分設(shè)備為考慮擴(kuò)產(chǎn)需要，容量選大后閥門(mén)常年未全開(kāi)；另一部分設(shè)備要根據(jù)生產(chǎn)情況隨時(shí)調(diào)節(jié)閥門(mén)來(lái)控制流量；還有一部分設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程不斷的變動(dòng)中有降速的條件而電機(jī)未做調(diào)節(jié)，上述設(shè)備電耗長(zhǎng)期維持在一個(gè)較高水平上，浪費(fèi)嚴(yán)重。

在實(shí)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(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(fèi)，在壓力偏高時(shí)，可降低電機(jī)的運(yùn)行速度，使其在恒壓的同時(shí)節(jié)約電能。

2 電機(jī)系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能原理

通過(guò)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備均屬變轉(zhuǎn)矩負(fù)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(jī)各調(diào)節(jié)方式的能耗-流量曲線見(jiàn)圖1。

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

由此可見(jiàn)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速可得到立方級(jí)的節(jié)能效果。這就是變頻器電機(jī)控制對(duì)于電機(jī)容量預(yù)留和生產(chǎn)負(fù)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(jī)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(duì)工廠現(xiàn)有生產(chǎn)領(lǐng)域相關(guān)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行以變頻器為主要節(jié)能手段的技術(shù)改造，通過(guò)對(duì)前述各類高低壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)等負(fù)載進(jìn)行變頻器控制改造，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排及確保電機(jī)變頻節(jié)能改造項(xiàng)目的投資，達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)性。

3 電機(jī)系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能效益

以下對(duì)各類高低壓電動(dòng)機(jī)變頻改造方案及效果的實(shí)例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，來(lái)直觀了解改造后的經(jīng)濟(jì)效益。

●1800kW高溫風(fēng)機(jī)

10kV1800kW高溫風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況：電機(jī)改造前實(shí)際運(yùn)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(jī)械(如風(fēng)機(jī)、泵類)時(shí)，有相當(dāng)?shù)墓?jié)電效果，原節(jié)電率可達(dá)25％，因此，變頻改造實(shí)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(yùn)行7200小時(shí)，電費(fèi)為0.50元計(jì)算，年節(jié)電費(fèi)437×7200×0.50=157萬(wàn)元，按目前國(guó)產(chǎn)變頻器價(jià)格計(jì)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(mén)全開(kāi)由DCS給定頻率，見(jiàn)圖2。

圖2

●鍋爐鼓風(fēng)機(jī)(355KW)

變頻節(jié)能計(jì)算:由于風(fēng)門(mén)平均開(kāi)度為50%，故實(shí)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(shí)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(shí)每小時(shí)節(jié)約355×0.95×28%=94.4kw，全年按運(yùn)行7200小時(shí)，電費(fèi)為0.50元計(jì)算，年節(jié)電94.4kw×7200×0.50=34萬(wàn)元，按目前國(guó)產(chǎn)變頻器價(jià)格計(jì)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(mén)全開(kāi)由DCS給定頻率。 (見(jiàn)上圖)

●給水泵（90KW）

運(yùn)行狀況：電機(jī)實(shí)際電流147A，管道出口壓力5公斤

變頻節(jié)能計(jì)算：目前電機(jī)實(shí)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(shí)際消耗功率；

(3.95/5)1.5×85.5KW/0.98=61.56KW

每小時(shí)節(jié)電: 85.5KW-61.56KW=23.94度

每年節(jié)電：23.94度×8000小時(shí) =19.2萬(wàn)度

1年半可回收變頻投資。

改造方法：擬配置2臺(tái)變頻器,具工—變頻切換功能，恒壓控制。

改造方案：詳見(jiàn)圖3。

圖3

●空氣壓縮機(jī) (250KW)

通常情況，當(dāng)壓力達(dá)到最大時(shí)，空氣壓縮機(jī)通過(guò)如下方法來(lái)降壓卸載：關(guān)閉進(jìn)氣閥使空氣壓縮機(jī)不需要再壓縮氣體做功，但空氣壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)還是要帶動(dòng)空壓機(jī)運(yùn)動(dòng)，據(jù)測(cè)算，空氣壓縮機(jī)卸載時(shí)的能耗約占空氣壓縮機(jī)滿載運(yùn)行的10％－15％，在卸載時(shí)段內(nèi)，空氣壓縮機(jī)在做無(wú)用功，白白地消耗能量。同時(shí)將分離罐中多余的壓縮空氣通過(guò)放空閥放空，這種調(diào)節(jié)方法也要造成很大的能量浪費(fèi)。

改造方法：擬配置變頻器，壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給ＰＩＤ調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進(jìn)行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的ＰＩＤ控制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)去控制變頻器的輸出頻率，自動(dòng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力，變頻改造后空壓機(jī)大部分時(shí)間不會(huì)卸載。另外，采用該方案后，空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，避免了起動(dòng)時(shí)的大電流和起動(dòng)時(shí)給空氣壓縮機(jī)帶來(lái)的機(jī)械沖擊，見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)框圖

變頻節(jié)能計(jì)算:根據(jù)電表實(shí)測(cè)目前電機(jī)實(shí)際消耗功率：225KW，進(jìn)行變頻改造后大部分時(shí)間不會(huì)卸載，根據(jù)現(xiàn)卸載時(shí)間估算節(jié)電率在29%左右。

每年節(jié)電:225KW×29%×7920小時(shí)=51.67萬(wàn)度，1年半可回收變頻投資

4 電機(jī)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(dòng)化水平,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，也改善工藝水平。

4.3 變頻改造后，電機(jī)將軟啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)、機(jī)械無(wú)任何沖擊，大大延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。

4.4 變頻器具有過(guò)流，過(guò)壓、過(guò)載、短路、斷路、缺相等多種保護(hù)功能，有效保護(hù)電機(jī)、電網(wǎng)，更便于查找故障及維護(hù)。

5 結(jié)論

由上可見(jiàn)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域相關(guān)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行以變頻器為主要節(jié)能手段的技術(shù)改造，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，同時(shí)確保電機(jī)變頻節(jié)能改造項(xiàng)目的投資達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)性，一般投入使用后2年內(nèi)可收回投資。同時(shí)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。